Одним из основных проектных параметров, обосновываемых технико-экономическими и геомеханическими расчётами, является угол откоса нерабочего борта карьера. От величины этого угла зависит объём пустых пород, включаемых в контур карьера и размер отвода под внешние отвалы [1].
Угол откоса нерабочего борта карьера в первую очередь зависит от его конструкции, обусловленной параметрами нерабочих уступов, шириной и числом берм различного назначения, а также формой и элементами залегания полезного ископаемого. Для определения проектной величины угла, обычно полученную величину конструктивного угла αк сопоставляют с предельным значением, которое используется в качестве ограничителя, т.е. αк ≤ αпр. При такой последовательности операций, приоритет отдаётся конструкции борта, которая должна соответствовать требованиям нормативных документов и принятой транспортной схеме. Отметим, что при выборе схем вскрытия месторождения и транспортирования горной массы часто не принимают во внимание наиболее благоприятные для устойчивости участков борта положения вскрывающих выработок и транспортных берм. Если ставится задача минимизировать объём вскрышных пород, включаемых в контур карьера, то следует поменять приоритеты – вначале необходимо определить предельно допустимый угол наклона αпр для каждого характерного участка нерабочего борта карьера, а затем пытаться конструировать борт таким образом, чтобы его профиль вписался в расчётный.
С позиции геомеханики, можно выделить три типа нерабочих бортов карьеров [2], в которых максимальный угол наклона бортов ограничивается:
- физико-механическими свойствами и блочностью законтурного массива;
- элементами залегания полезного ископаемого или протяжённых поверхностей ослабления, простирающихся согласно с бортом (лежащий бок пластовых и жильных месторождении и наличие тектонических нарушений, слабых контактов пород и т.п.);
- параметрами нерабочих уступов и берм различного назначения, обусловленными как геомеханическими факторами, так и транспортно-технологическим решениями.
Рационализировать конструкцию бортов с целью оптимизации угла его откоса можно путём отстройки нерабочих уступов на каждом погашаемом горизонте (участке борта) с параметрами, соответствующими свойствами и структуре горных пород, при помощи:
- применения инженерных мероприятий, направленных на предотвращение осыпеобразования и локальных обрушений уступов или улавливание осыпей, не изменяя конструкции борта;
- расположения транспортных берм и технологических площадок на участках, где необходима разгрузка борта (преимущественно в границах призмы активного давления);
- придания предохранительным бермам минимально необходимой ширины за счёт применения «щадящей» технологии при их нарезке;
- сокращение времени стояния бортов в предельном положении на участках месторождения, сложенных менее прочными породами (выбор соответствующих схем вскрытия и направления развития горных работ).
Как известно, в процессе проектирования карьера углы наклона нерабочего борта, параметры уступов и предохранительных берм принимают без достаточного геомеханического обоснования из – за отсутствия достоверных данных о законтурном массиве. Поэтому по мере понижения горных работ эти параметры должны уточняться с учётом физико-механических свойств и структуры массива. Для снижения отрицательного воздействия горных работ на законтурный массив, его необходимо защищать от сейсмического и дробящего действия взрывов. Эти мероприятия позволяют предупредить обрушения уступов и снизить интенсивность осыпеобразования. В тех случаях, когда конструктивный угол наклона борта меньше расчётного, его можно увеличить путём применения изолирующих покрытий поверхности откосов, искусственных или укреплённых берм и осыпеуловителей, укрепления локальных участков уступов.
Конструкция бортов I типа это законтурный массив, не включающий явных поверхностей ослабления, которые формируют потенциальную призму обрушения. Предельный угол наклона борта αпр. является функцией характеристик сопротивления пород сдвигу и коэффициента структурного ослабления.
При высоте Н его можно рассчитать по формуле [1]
tg
аrc cos
, (1)
пр.
H
1 c
где Н = 6,14Сctg(450 - )γ
с
H
2
с, φ, γ – соответственно сцепление в массиве, угол внутреннего трения и плотность пород.
В зависимости от конкретных геомеханических условий и принятого вида транспорта возможны следующие конструктивные решения:
- Борт с укреплёнными или изолированными откосами, угол откоса максимален при отсутствии транспортных берм. Вскрытие месторождения спиральным съездом позволит совместить предохранительную берму с транспортной и оградить последнюю защитной стенкой. В двухматной среде, сплошной откос формируют в предельной части карьера. Это возможно и на действующих карьерах при доработки запасов руды.
- Борт с нарезными предохранительными и транспортными бермами. В отличие от ранее рассмотренных вариантов формирование данного борта не требует дополнительных строительных работ.
Конструкция бортов II типа это борта карьера в лежачем боку, величина угла откоса которых, ограничена либо углом падения залежи полезного ископаемого β, либо наличием в массиве поверхностей ослабления, простирающихся согласно с бортом. Если при заданной высоте борта угол их падения β< αпр, то конструкция угла наклона борта, будет зависеть от его величины.
Для построения проектного угла наклона борта возможны следующие варианты:
- Борт со сплошным откосом, пригруженным внутренним отвалом. При пологом залегании пласта под углами β ≤ 200 поверхность борта совмещают с почвой пласта. Если β > 100, то для обеспечения устойчивости внутреннего отвала может возникнуть необходимость в инженерной подготовке основания и дренажных мероприятий.
- Борт со сплошным откосом, с углом наклона α, не превышающим предельно допустимый угол αпр. Кроме обеспечения общей устойчивости борта, должно удовлетворяться требования безопасности, т.е. выполняться неравенство
tg β ≤ tgφ, (2)
где tgφ – коэффициент трения пород, величина которого должна препятствовать соскальзыванию разрыхленных пород с поверхности откоса.
- Борт с укреплёнными или искусственными бермами, борт с разгрузочными бермами. Для улавливания осыпи необходимы предохранительные бермы, которые могут быть врезными или нарезными.
- Борт с разгрузочными бермами. Если предельный угол откоса борта αпр.< β, то для обеспечения устойчивости борта производят его разгрузку путём нарезки берм преимущественно в границах призмы активного действия.
Конструкция бортов III типа. Отличительная особенность бортов данного типа это зависимость величины углов их наклона от предельных параметров нерабочих уступов и берм.
Оптимальным будет конструктивный угол наклона αк ≤ αпр. Высокая прочность пород в куске решающей роли не играет.
Параметры уступов ограничиваются наличием в массиве поверхностей ослабления, не подлежащих подрезке откосом (система трещин, контакты между различными литотипами и слоями, чередующиеся слабые пропластки и др.). При придании уступам углов αу = β конструкция борта и угол его откоса будут зависеть от предельной высоты уступов, ширины и берм различного назначения. Борт не включает поверхностей ослабления угол его наклона зависит только от параметров уступов и берм.
Из этого следует вывод, угол наклона нерабочего борта карьера является одним из основных проектных параметров, обуславливающих безопасную и эффективную отработку месторождений полезных ископаемых.
Таблица. Типы бортов карьеров с оптимальными углами откоса
|
Тип борта |
Критерий оценки |
Оптимальн ый угол наклона борта |
Фактор, ограничивающий величину оптимального угла |
Типичные месторождения |
|
1 |
Геомеханический |
α пр |
Физико-механические свойства и блочность законтурного массива |
С наклонным и крутым падением залежи полезного ископаемого. |
|
2 |
Геолого-структурный |
β≤ α пр |
Угол падения залежи или протяженной поверхности ослабления |
С пологим падением залежи (пласта) или протяжённой поверхности ослабления (лежащий бок). |
|
3 |
Комплексный |
α к ≤ α пр |
Физико-механические свойства и структура горных пород в границах каждого уступа |
Месторождения любого типа. |
Проектирование участков борта карьера необходимо начинать с определения предельно допустимых расчётных углов их наклона, а борт конструировать таким образом, чтобы он вписался в расчётный профиль, величина этого угла может быть ограничена геомеханическими или геолого-структурными условиями месторождения. Для исключения осыпеобразования или снижения его интенсивности должны применяться профилактические меры: противодеформационная технология буровзрывных работ в приконтурных зонах: инженерные способы повышения устойчивости уступов и берм: сооружения укреплённых и искусственных транспортных и улавливающих берм.
ЛИТЕРАТУРА
- Фисенко Г. Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. - М.:, Недра, 1965.- 378с.
- Попов И. И. Борьба с оползнями на карьерах. - М.:, Недра, 1980. - 239с.
- Нурпеисова М.Б., Касымканова Х.М, Киргизбаева Г.М. Методические рекомендации по оценке устойчивости углов наклона уступов и бортов карьера месторождения «Жерек». – Алматы: КазНТУ, 2006. - 24 с.
- Касымканова Х.М. Исследование устойчивости бортов и уступов карьера месторождения Коунрад// Научно-техническое обеспечение горного производства. - Труды Горного института. - 2006, Т.72. - С. 14 – 18.
- Касымканова Х.М. Методика изучения прочностных свойств в отвале // Научно-техническое обеспечение горного производства. - Труды Горного института. – 2007, Т.73. - С. 233 – 236.