Обоснование параметров устойчивых бортов карьеров, укрепляемых смолами

Обоснование параметров устойчивых бортов карьеров, укрепляемых смолами

В Карагандинском государственном университете (КарГТУ) разработана методика [1] определения геометрических параметров зоны упрочнения прибортового массива, которая, в отличие от методики [2], позволяет значительно снизить объемы горных пород, подлежащих упрочнению, и значительно уменьшить длину и число скважин, по которым подается смолоинъекционный состав типа Bevedan/Bevedol.

Зона укрепления может быть расположена в верхней, средней и нижней части прибортового массива. Наилучшие результаты получены при реализации варианта, в котором упрочняется призма упора — зона СВМ (рис. 1).

Рис. 1. Схема к определению зоны упрочнения массива

Рассмотрим методику определения параметров упрочнения бортов карьера при отсутствии неблагоприятно ориентированных поверхностей ослабления. Сущность методики расчета сохраняется и для других расчетных схем, применяемых для иных горно-геологических условий. Решение задачи осуществляется на ПЭВМ. Определение коэффициента запаса устойчивости откоса выполняется численно-аналити­ческим способом [3].

При средневзвешенных физико-механических характеристиках массива k, ρ и γ, проектном угле наклона борта α_пр и высоте откоса Н_пр карьера определяют зону укрепления, при которой минимальный коэффициент запаса устойчивости равен n_пр.

Для этого определяют высоту откоса Н_min, при которой минимальный коэффициент запаса устойчивости будет равен проектному n_пр, с этой глубины Н_min прибортовой массив необходимо укреплять.

В откосе с углом наклона α_пр и высотой Н_пр задаются рядом поверхностей скольжения, для каждой из которых определяют коэффициент запаса устойчивости.

Из всех поверхностей скольжения выделяются две поверхности: одна с минимальным коэффициентом запаса устойчивости n_min и поверхность, за пределами которой, коэффициент запаса устойчивости принимает значения больше n_пр (поверхности ЕFС и КМС на рис. 1).

Определяют, каким должно быть сцепление по наиболее опасной поверхности скольжения k_укр, чтобы коэффициент запаса по ней стал равен проектному

n_пр = (ΣN tg ρ + k_укр · l_общ) / ΣT, (1)

отсюда

k_укр = (n_прΣT – ΣN tg ρ) / l_общ. (2)

Определяют длину укрепления l_у по наиболее опасной поверхности скольжения

l_у = (k_укр · l_общ – k · l) / k_у, (3)

где l_общ — длина поверхности скольжения с минимальным коэффициентом запаса устойчивости, м;

l = l_общ – l_у — длина неукрепляемой части этой же поверхности скольжения, м;
k_у — сцепление в упрочненном массиве, МПа.

Укрепляемая зона будет находиться в нижней части откоса в призме упора и иметь в сечении форму треугольника: одна сторона треугольника лежит на поверхности откоса и ограничена высотой откоса Н_min — точка В и Н_пр — точка С; вторая сторона проходит через точку В на откосе, точку F на поверхности скольжения с минимальным коэффициентом запаса устойчивости, расположенную на расстоянии l_у, и пересекает поверхность скольжения с коэффициентом запаса n_пр в точке М, третья сторона СМ лежит на этой поверхности скольжения.

В нижней части откоса борта карьера в области высоких напряжений существует реальная опасность возникновения поверхности скольжения с выпором основания, в связи с чем зона укрепления может находиться и ниже дна карьера.

Для определения рационального угла наклона борта, укрепленного смолами, производится анализ вариантов параметров борта карьера. По каждому варианту определяют объемы, подлежащие укреплению, и стоимость укрепления, а также разность между экономией на вскрышу за счет выкручивания борта и затратами на упрочнение массива смолами. Оптимальным будет вариант, при котором достигается максимальная прибыль.

В соответствии с заданием Жезказганского проектного института произведено обоснование параметров устойчивых бортов карьера «Нурказган» глубиной 600 м для проектных углов бортов 60-62°.

Решение данной задачи производилось по предлагаемой методике. На первом этапе определялись предельные высоты свободных (неукрепленных) откосов с учетом их криволинейности в плане. Для проектирования приняты углы откосов северного и южного бортов карьера равными 60°, а западного и восточного 62°. Расчеты показали, что высота неукрепленного северного борта составляет 276 м, восточного — 286 м, южного борта — 314 м, западного — 282 м. Ниже этих пределов должно быть произведено укрепление.

На следующем этапе обосновываются величины зон укрепления. Для принятых проектных углов наклона бортов (52°) без учета поправки за влияние бокового распора из-за кривизны борта в плане по каждому разрезу определялась длина l_у по наиболее слабой поверхности скольжения. Эта величина составила: для северного борта — 147 м, для восточного — 143 м, для южного — 128 м, для западного — 143 м.

Результаты расчетов параметров устойчивых бортов карьера в свободном и укрепленном состоянии с учетом кривизны в плане приведены в табл. 1.

Параметры зоны укрепления представлены на рис. 2.

Расчет средней площади укрепления представлен в табл. 2.

Длина укрепления бортов карьера D_у составила 1967 м в соответствии с чем объем укрепления V_у равен 37,9 млн м³. Общий расход смолы V_см по карьеру — 22,7 тыс. м³. Учитывая, что стоимость 1 л смолы типа Bevedan/ Bevedol S составляет 4 $, затраты на смолу могут достигнуть 90,9 млн $. Сокращение вскрыши за счет укрепления — 291,3 млн м³.

Рис. 2. Восточный борт карьера Нурказган. Параметры зоны укрепления

Таблица 1

Результаты расчетов устойчивости бортов карьера в свободном и укрепленном состоянии при Н=600 м

Борт карьера. Разрез	Наименование пород	Н90, м	Средневзвешенные значения пород			Сцепление в зоне укрепления, kукр т/м2	Длина укрепления lукр, м	Поправка за кривизну в плане Δα, градус	Углы наклона борта, градус
			kср, т/м2	ρм, градус	γ·103, кг/м3				Без укрепления α	С укреплением αy	С учетом кривизны в плане αку
Северный 13-13	1. Диориты кварцевые выветрелые 2. Туфы андезит базальтовые 3. Диориты кварцевые	56,0	40,6	28	2,74	307,3	128	8	39,3	52	60
Восточный 7-7	1. Туфы выветрелые 2. Туфы андезит базальтовые 3. Диориты кварцевые 4. Гранодиориты	58,0	42,1	28	2,74	308,8	113	10	39,7	52	62
Южный 13-13	1. Туфы выветрелые 2. Туфы андезит базальтовые 3. Диориты кварцевые	64,0	46,0	28	2,72	312,7	103	8	40,8	52	60
Западный 7-7	1. Туфы выветрелые 2. Туфы андезит базальтовые 3. Диориты кварцевые	57,2	41,2	28	2,72	307,9	113	10	39,5	52	62

Таблица 2

Расчет средней площади укрепления

№ п/п	Борт карьера	Основание а, м	Высота h, м	Площадь укрепления S, м2
1	Северный	428	95	20330
2	Южный	387	83	16061
3	Восточный	416	97	20176
4	Западный	417	98	20433
Средняя				19250

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Низаметдинов Ф.К., Долгоносов В.Н., Старостина О.В. Исследование устойчивости откосов уступов и бортов карьеров при укреплении их смолами // Известия вузов. Горный журнал. Екатеринбург, 2006. № 1. С. 56-59.

2. Методические указания по определению устойчивости бортов карьеров при комбинированной разработке месторождений по способу Р.Б. Юна. Жезказган — Москва, 1998. 48 с.

3. Шпаков П.С. Маркшейдерское обоснование геомеханических моделей и разработка численно-аналитических способов расчёта устойчивости карьерных откосов: Автореф. дис. … д-ра техн. наук. М., 1988. 40 с.

3  2007