Файл: Вовк, А. А. Действие взрыва в грунтах.pdf

эффект обрушения уступов мягких пород. Предложение исполь­ зовать обрушение как способ отделения породы от массива и ее рыхления за счет сил собственного веса впервые обосновано Г. В. Родионовым в 1951 г. [94], а к 1965 г. были выполнены пер­ вые эксперименты по обрушению уступов в производственных условиях [74]. В результате этих исследований установлено, что для обрушения высокого уступа необходимо ослабить его осно­ вание (наиболее напряженное место уступа). Управление про­ цессом обрушения достигалось путем проведения оконтуривающей выработки в кровле уступа на глубину предельного верти­ кального обнажения пород; ослабление уступа в основании и кровле можно производить как механическим, так и взрывным способом.

Системы разработки, основанные на принципе управляемого обрушения уступов с использованием энергии взрыва, могут ока­ заться весьма эффективными не только при разработке уступов высотой более 50 м, но и при удалении вскрышных пород по транспортной схеме с применением механических лопат и авто­ транспорта, где мощность наносов составляет 15—20 м. Карье­ ров, разрабатывающих вскрышные породы в таких условиях, еще очень много, особенно при добыче строительных матери­ алов.

Применение поточной технологии при разработке вскрыши в данном случае экономически нецелесообразно из-за сравнитель­ но небольшого объема работ и отсутствия серийного выпуска малых моделей роторных экскаваторов, поэтому, как правило, в таких условиях в качестве выемочно-погрузочного оборудования применяются прямые лопаты с емкостью ковша до 2,5 м3 и высо­ той черпания до 10 м. При мощности вскрыши 15—20 м в этих случаях требуется несколько уступов, что ведет к резкому ухуд­ шению технико-экономических показателей добычи полезных ис­ копаемых. Использование же принципа управляемого обруше­ ния позволяет производить работы сдвоенными уступами, что приводит к повышению эффективности горных работ за счет со­ кращения количества транспортных горизонтов, концентрации горных работ, лучшего использования оборудования во времени.

Применение прямой лопаты в качестве выемочно-погрузочно­ го оборудования предопределяет взрывной способ создания ослабляющей выработки в подошве уступа по соображениям без­ опасности ведения работ. Эффективность обрушения вскрышных уступов с применением взрывного способа при разработке сдво­ енных уступов на один транспортный горизонт экскаваторами существующего типа может быть весьма высокой благодаря воз­ можности использования собственного веса породы для отделе­ ния ее от массива, рыхления, транспортирования по высоте уступа, применения существующего выемочно-погрузочного обо­ рудования, рабочие параметры, вес и энергоемкость которого практически не зависят от высоты уступа.

171

Значительное увеличение производительности механизмов мо­ жет быть достигнуто при использовании принципа управляемого обрушения в условиях разработки грунтов способом гидромеха­ низации. Сама технология разработки пород землесосами осно­ вана именно на принципе обрушения уступов, но заложенные в этом принципе возможности используются далеко не полностью.

Известно, что наибольшее влияние на экономику гидромеха­ низации имеет характер разрабатываемых пород. При вязких породах (глинах, тяжелых суглинках) стоимость разрушения и размыва их возрастает в несколько раз по сравнению со стои­ мостью разрушения и размыва несвязных пород. Практикой гид­ ромеханизации в различных отраслях промышленности установ­ лено, что при разработке песков средней крупности и супесей удельный расход рабочей воды для размыва 1 м3 породы состав­ ляет 5—8 м3 при напоре перед насадкой гидромонитора 20—30 м, а для суглинка и глин удельный расход на 1 м3 равен 10—20 м3,

а напор — 80—250 м [63].

Процесс размыва при гидромеханизации является самым до­ рогим и для связных пород может оказаться нерентабельным, а в некоторых случаях и невозможным без предварительного рыхления грунтов. Применяемые в настоящее время способы рыхления таких пород экскаваторами и механическими разрых­ лителями, устанавливаемыми на землесосах, имеют недостаточ­ ную эффективность и связаны с увеличением количества допол­ нительного оборудования и усложнением конструкции землесо­ сов. Предварительное рыхление грунтов экскаваторами, кроме того, вынуждает производить гидромеханическую разработку уступами высотой до 4—6 м до предельной глубины копания строительных экскаваторов, а уменьшение высоты уступа ведет, естественно, к снижению эффективности гидромеханизации.

Наиболее экономичным способом разрыхления пород являет­ ся обрушение значительных их объемов. Установлено [97], что обрушение пород, особенно глинистых, большими массами резко нарушает их прочность (в два-три раза), что способствует успеш­ ному размыву этих пород.

Еще в 1941 г. В. И. Карцев предложил использовать для обрушения уступа предварительное его водонасыщение. Обру­ шение основано на известном свойстве пород терять связность своих частиц при значительном повышении влажности. По вби­ тым вдоль забоя трубам диаметром 15—20 мм, не доходящим до плотика россыпи на 1 м, в течение нескольких часов подавалась вода. Происходило предельное насыщение пород водой и опол­ зание их на плотик разрабатываемого пласта. Полученные ре­ зультаты подтверждают эффективность обрушения: производи­ тельность гидроустановок увеличилась на 40—50% при снижении расхода напорной воды на 50—60% [63]. Широкого распростра­ нения этот способ не получил, так как он оказался непригодным для уступов, сложенных неоднородными породами, поскольку в

172

этом случае вода свободно вытекала в забой по песчаным про­ слойкам и обрушению подвергались невысокие (до 6 м) уступы с вертикальным откосом.

Несмотря на положительные стороны, использованию прин­ ципа обрушения уступов в практике 'гидромеханической разра­ ботки грунтов уделяется недостаточное внимание, тогда как ис­ следование влияния физико-механических свойств грунтового массива на эффективность обрушения, теоретическое и экспери­ ментальное обоснование параметров обрушаемого уступа, раз­ работка и применение принудительных, например взрывных, методов обрушения уступов могут оказаться весьма эффектив­ ными при ведении работ в тяжелых связных грунтах.

Обрушение уступов является одним из видов нарушения их устойчивости. Основное условие предельного напряженного со­ стояния грунтового массива, предшествующего обрушению, име­ ет вид т=/(сГп), где т и ап — касательное и нормальное напря­ жения на заданной площадке. Сопротивляемость сдвигу сыпучих грунтов характеризуется только величиной угла внутреннего трения tg ф и изменяется по линейному закону: т=(т„tgф. Усло­ вие предельного напряженного состояния в откосах несвязных грунтов предусматривает равенство угла откоса углу внутренне­ го трения.

Связные грунты обладают как внутренним трением, так и сцеплением. Их сопротивление сдвигу изменяется согласно вы­ ражению т = a^lt gф + C (С — сцепление грунтов). Такие грунты допускают возможность создания вертикальных уступов опреде­

Нарушение условий устойчивости уступов высотой до #эо происходит всегда в виде обрушения. Нарушение условий устой­ чивости более высоких уступов происходит по линии скольже­ ния: вертикальной в верхней части откоса и криволинейной (близкой к круглоцилиндрической) в нижней его части. Кривиз­ на линии сдвижения грунтов зависит от скорости деформирова­ ния. При высоких скоростях, возникающих при дополнительных воздействиях, при многократном превышении сдвигающих сил над удерживающими, происходит прямолинейный срез и криволинейность линий сдвижения не наблюдается. Таким образом, нарушение условий устойчивости высоких уступов возможно в форме оползней по криволинейной поверхности и в форме обру­

шений по плоской поверхности.

Благодаря неравномерной и длительной деформации при развитии оползней имеет место неравномерное рыхление грунто­ вого массива с преобладанием крупных неразрушенных блоков. При обрушении скорость деформирования очень высока, проис­

173

ходит дробление грунтового массива как в процессе обрушения, так и при дальнейшем падении блоков. Сохранившиеся блоки покрыты сеткой трещин, облегчающих их дальнейшую разра* ботку.

При всех видах обрушения первостепенное значение имеет управляемость процессом, т. е. возможность предварительно рас­ считать обрушение определенного объема грунтов в необходи­ мый момент времени. Для этого применяются оконтуривающие выемки типа траншей, которые одновременно создают ослабля­ ющую поверхность. Глубина такой выемки должна быть не мень-

Рис. 61. Схема к расчету ширины зоны обрушения:

а — с устойчивой высотой вертикального обнажения; б — с обыч­ ной конфигурацией.

ше предельной высоты вертикального обнажения. Расстояние от верхней бровки уступа до ослабляющей выработки определяется после построения всей поверхности скольжения.

Согласно В. В. Соколовскому [90], грунтовой массив, примы­ кающий к откосу, находящемуся в предельно-напряженном со­ стоянии, образует три области. В первой (АОВ на рис. 61) с не­ которым упрощением (пренебрегая в этой области сцеплением) линии скольжения могут быть приняты проходящими под углом р = я/4—ф/2 к поверхности откоса (при сс>р). Далее следует комбинированная область (ВОС), где линии скольжения могут быть описаны в полярной системе координат г, р с центром О уравнениями r=/<ro~Potgl\ В области COD линии скольжения на­ клонны к горизонту под углами я/2—р.

С учетом этих данных нами выведена формула для определе­ ния ширины зоны возможного обрушения для откоса, конфигу­

174

где Нgo — высота вертикальной части откоса (упругого слоя) определяется по формуле (IV. 1).

Для откоса обычной конфигурации (рис. 61, б) приведенная расчетная формула приобретает вид

Исходя из различного характера деформации обрушаемого уступа можно выделить две основные группы схем разработки: послойная разработка вскрыши с обрушением породы при ее подрезке на приемное устройство экскавационной машины и раз­ работка уступов большой высоты с предварительным обрушени­ ем пород и последующей выемкой их из развала (разработка с самооползающим откосом; при подрезке контактов наклонных слоев; разработка крутыми слоями; при подработке основания и проведения в кровле оконтуривающей выработки).

Отработка грунтовых уступов по второй схеме наиболее пер­ спективна, хотя в определенных условиях и не отвергает пер­ вую. Из подразделений второй схемы самым универсальным яв­ ляется обрушение уступов с подработкой основания и проведе­ нием в кровле уступа оконтуривающей выработки, так как в данном случае не требуется никаких дополнительных факторов (наличия глинистых слоев, воды и пр.). Она может также при­ меняться при отработке уступов экскаваторами (роторными, драглайнами, прямой лопатой, погрузчиками) при транспорт­ ных, бестранспортных и комбинированных системах. Принцип обрушения по данной схеме остается одинаковым во всех слу­ чаях, разница заключается в способе создания оконтуривающей выработки в кровле и подработки основания уступа.

Проведение ослабляющей выработки в основании уступа мо­ жет быть осуществлено выемочно-погрузочными или специаль­ ными машинами и механизмами, воздействием высоконапорной струи воды и с использованием энергии взрыва. На выбор того или иного способа решающее влияние оказывают система или способ разработки уступа, физико-механические свойства пород

ипараметры обрушаемого уступа. Как показали исследования

ипроверка их в производственных условиях [74], для подработ­ ки основания уступа механическим способом в настоящее время наиболее пригодны экскаваторы-драглайны. Внедрение бестран­

спортной системы разработки с обрушением на Михайловском разрезе, где подработка основания уступа и отгрузка обрушен­ ной массы производились экскаваторами ЭШ-10/60, позволило увеличить высоту отрабатываемого уступа в 1,6 раза, уменьшить коэффициент экскавации в 1,5—2 раза и снизить себестоимость

175