Файл: Фисенко, Г. Л. Укрепление откосов в карьерах.pdf

Г. Л. ФИСЕНКО, М. А. РЕВАЗОВ, Э.Л. ГАЛУСТЬЯН

УКРЕПЛЕНИЕ

ОТКОСОВ В КАРЬЕРАХ

ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А » Ю С К В А 1 9 7 4

В В Е Д Е Н И Е

Намеченные 9-м пятилетним планом перспективы дальнейшего развития отечественной горной промышленности, основывающиеся на увеличении доли открытого способа добычи полезных ископае­ мых, предопределяют проектирование, строительство и ввод в экс­ плуатацию значительного числа мощных высокопроизводительных карьеров, конечная глубина которых составит 400—500 м и более.

С увеличением глубины карьеров и их производственной мощ­ ности неизбежно совершенствуется техника и технология откры­ той разработки месторождений полезных ископаемых; повышается производительность горнотранспортного оборудования, осуществ­ ляется переход от цикличных процессов к поточной технологии, комплексной механизации и автоматизации всей совокупности горных работ на базе мощной современной техники с машинным программным управлением процессами. Для таких карьеров во­ просы длительной устойчивости бортов в предельном положении при максимальных углах наклона приобретают особую актуаль­ ность. Практика открытых разработок месторождений полезных ископаемых и обследование состояния высоких естественных отко­ сов горных массивов позволяют сделать вывод о том, что во мно­ гих случаях предельные углы наклона бортов глубоких карьеров в скальных и полускальных породах могут достигать 55—60°, против преобладающих в настоящее время 40—45°. Для увеличе­ ния общих углов наклона бортов в скальных и полускальных по­ родах необходимо увеличение углов откосов уступов на предель­ ном контуре карьера, высоты сплошных откосов между бермами безопасности и сокращение ширины берм; все это становится воз­ можным лишь при повышении надежности устойчивости откосов уступов и берм.

При проектировании карьеров необходимо анализировать инже­ нерно-геологические условия карьерных полей и производить райо­ нирование пограничных участков карьерного поля по условиям устойчивости откосов уступов и бортов в целом. Массивы горных пород, особенно в пределах распространения месторождений по­ лезных ископаемых, характеризуются большой природной неодно­ родностью литологического состава, прочности, тектонической на­ рушенное™, степени и характера трещиноватости, залегания слои­ стости или сланцеватости.

3

Анализ этих факторов является основой при определении углов откосов и общих углов наклона бортов. Применяя искусственное укрепление, углы откосов на участках с менее устойчивыми поро­ дами можно довести до значений углов на участках с более устой­ чивыми породами. Целесообразность такого укрепления устанав­ ливается технико-экономическими расчетами. Увеличение общих углов наклона бортов с 40 до 55° при глубине карьера 400 м при­ водит к сокращению объема вскрыши на 40 млн. м3 на каждый километр протяженности борта.

Искусственное укрепление откосов целесообразно на тех участ­ ках, на которых направление простирания крупных тектонических трещин, нарушений, слоистости или сланцеватости пересекается под углом менее 45° с направлением простирания откосов уступов; укрепление откосов необходимо также в зонах тектонических на­ рушений с большими амплитудами смещений (в зонах разломов), в зонах интенсивной трещиноватости, а также в зонах распрост­ ранения пород, склонных к интенсивному выветриванию.

При разработке месторождений могут встретиться зоны с по­ вышенной интенсивностью трещиноватости или с более неблаго­ приятной ее направленностью, не выявленные при разведке ме­ сторождений. В подобных случаях проектами дополнительно пре­ дусматривается укрепление таких участков, точно не указанных на плане горных работ, общую протяженность которых следует принимать в пределах 4—6% от общей протяженности откосов по карьеру.

Природная нарушенность и неоднородность пород еще более усиливаются взрывными работами. Особенно сильное и неблаго­ приятное разрушение колонковыми зарядами в вертикальных скважинах большого диаметра происходит по плоскостям сланце­ ватости и слоистости, падающим в сторону выемки под углами 20—30°, по которым при сохранении естественной прочности пород не возникают сползания или обрушения.

Сохранение естественной прочности пород, слагающих борта карьера в их предельном положении, должно стать обязательным условием при разработке паспортов буровзрывных работ для бор­ тов вблизи предельного контура каждого горизонта. Применение короткозамедленного взрывания и создание отрезных щелей рас­ средоточенными зарядами в наклонных скважинах малого диа­ метра позволяют сохранить естественную прочность пород.

Выветривание горных пород в откосах уступов также влияет на уменьшение прочности пород и развитие осыпания откосов. Склонность горных пород к выветриванию является основным фак­ тором, влияющим на общие утлы наклона бортов карьеров. В та­ ких условиях становится экономически целесообразным искусст­ венное укрепление откосов уступов, сложенных интенсивно вы­ ветривающимися породами.

Сравнение затрат на искусственное укрепление откосов для предотвращения выветривания пород и их осыпания с затратами

4

на дополнительный разнос борта вследствие выполаживания усту­ пов показывает, что при высоте борта 300 м искусственное укреп­ ление всей поверхности откосов в 10 раз дешевле дополнительного разноса (выполаживания) борта.

В условиях, когда разнос борта практически осуществить слож­ но, а иногда и невозможно, обрушение даже небольшого участка борта, на котором расположены транспортные и другие комму­ никации, может повлечь за собой нарушение режима работы пред­ приятия на длительный срок. При работе на больших глубинах в отдельных случаях будет экономически выгодно сооружение ис­ кусственных транспортных берм небольшой протяженности. Искус­ ственные улавливающие бермы уже в настоящее время находят применение на карьерах.

Особенно необходимо искусственное укрепление на реконст­ руируемых карьерах, первоначальными проектами которых разра­ ботка предусматривалась на небольшую глубину. Вокруг та­ ких карьеров территория застроена промышленными и жилыми комплексами и возможность увеличения угла наклона борта даже на несколько градусов может дать большой экономический эффект.

Впервые в отечественной практике открытых работ успешное укрепление бортов было осуществлено на угольных разрезах Куз­ басса в 1956—1957 гг. [21, 36]. В последующие годы более широкое распространение методы укрепления получили на рудных карье­ рах. В течение последнего десятилетия укрепительные работы выполнены на целом ряде карьеров: Коунрадском, Кургашинканском, Златоуст-Беловском, Объединенном, Зыряновском, Сибайском, Блявинском и др. Очень важные по значению и сложные по инженерно-геологическим условиям укрепительные работы выпол­ нены на Зыряновском карьере для сохранения комплекса шахты «Капитальная». Искусственное укрепление бортов применяется и на зарубежных карьерах. Начало систематическим исследованиям было положено в лаборатории устойчивости бортов карьеров ВНИМИ. По результатам укрепления откосов на карьерах, в гид­ ротехническом и специальном строительстве, а.также теоретиче­ ских и лабораторных исследований было издано первое практиче­ ское руководство по укреплению откосов скальных и полускальных пород [38].

Совершенствованию способов укрепления и углублению теоре­ тических исследований способствовали проведенные ВНИМИ на­ учно-исследовательские работы по изысканию способов укрепле­ ния бортов угольных карьеров. При выполнении этой темы были обследованы карьеры Челябинского комбината и Кузнецкого бас­ сейна, произведено опытное укрепление участка борта Коркин­ ского разреза .разработаны рекомендации по стабилизации ополз­ ней на некоторых других карьерах. Исследования были заверше­ ны выпуском «Методических указаний по укреплению бортов угольных карьеров» (ВНИМИ, 1969).

5

Изысканием способов искусственного повышения устойчивости

и др. [11, 12], Г. Р. Глозмана и др. [18, 45], Р. А. Игнатьева [26], М. Е. Певзнера и др. [37], Ю. И. Туринцева [72] и других.

Теоретической основой расчетных методов определения пара­ метров укрепления откосов является теория предельного равно­ весия, широко применяемая для решения ряда задач механики грунтов и механики горных пород.

Вданной работе изложены способы укрепления берм и уступов, поставленных в предельное положение, в различных горно-гео­ логических и инженерно-геологических условиях, приведены мето­ ды построения потенциальных поверхностей скольжения и расчета параметров укрепления, а также описан опыт укрепления неустой­ чивых участков на ряде карьеров и в гидротехническом строи­ тельстве. Этот опыт подтверждает техническую возможность и экономическую целесообразность повышения устойчивости доста­ точно больших участков бортов глубоких карьеров.

Вработе рассмотрены лишь проверенные на практике спосо­

бы укрепления откосов; способы, еще не вышедшие из стадии экс­ периментальных исследований и перспектива применения которых в практике открытых разработок невелика; так, например, электроосмотическое укрепление, электросиликатизация и другие спо­ собы укрепления слабых пород, основанные на их проницаемости, в работе подробно не рассматриваются.

Последовательность выполнения отдельных этапов при проек­ тировании укрепительных работ следующая: геологические и ин­ женерно-геологические изыскания и испытания горных пород (ла­ бораторные и натурные); расчеты устойчивости участка борта, определение необходимого дополнительного удерживающего уси­ лия для его укрепления; выбор способа укрепления или упрочне­ ния; составление паспорта укрепления и расчетной схемы; расчет основных параметров укрепления; технико-экономические расче­ ты целесообразности укрепительных работ; укрепление опытного участка (при отсутствии практических данных) или промышленное внедрение. В таком плане и изложен материал книги.

Авторы будут признательны за все замечания и пожелания, которые учтут при дальнейшей разработке этой важной для народ­ ного хозяйства страны темы.

6

Глава I

УСЛОВИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УКРЕПЛЕНИЯ откосов

НА КАРЬЕРАХ

§1. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ НЕОБХОДИМОСТЬ

ИЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ УКРЕПЛЕНИЯ ОТКОСОВ

При оценке устойчивости бортов карьеров и определении уг­ лов наклона бортов различают общую устойчивость отдельных бортов или достаточно протяженных их участков (протяженностью по крайней мере более наклонной высоты борта) и устойчивость отдельных уступов или отдельных локальных участков бортов.

Общая устойчивость борта и угол его наклона определяются: инженерно-геологическим разрезом данного участка; литологиче­ ским составом пород, их прочностью, характером и степенью тре­ щиноватости; направлением падения слоев или плоскостей рассланцованности; тектоническими нарушениями, простирание кото-, рых близко к простиранию борта; материалом, заполняющим тек­ тонические разломы и нарушения; гидростатическим давлением, распределенным по поверхности скольжения.

Устойчивость отдельных уступов или отдельных локальных участков бортов определяется: тектонической нарушенностью дан­ ного участка борта или уступа; общей интенсивностью трещинова­ тости пород; склонностью пород к выветриванию; ориентировкой относительно простирания откоса крупных тектонических трещин, слоистости и сланцеватости; фильтрационными деформациями, связанными с высачиванием воды на откосы уступов.

Искусственное укрепление откосов уступов целесообразно во всех случаях, когда общий угол наклона борта (а), установлен­ ный по условию устойчивости неукрепленных откосов уступов, определенный по формуле (1.1)

(где hi, 6i — высота уступов и допустимые углы откосов соответст­ венно; ai — ширина берм) оказывается положе углов наклона бор­ тов, определенных расчетным путем по методам, изложенным в работе [74].

7

Искусственное укрепление откосов уступов и берм необходимо во всех случаях, когда откосы уступов имеют недостаточную устой­ чивость на относительно коротких участках, хотя это существенно и не влияет на общий угол наклона борта.

Рассмотрим геологические и гидрогеологические факторы, влияющие на деформацию откосов уступов и их выполаскивание.

сланцеватости наклонены в сторону свободной поверхности откосов под углами более 25°. При диагональном направлении падения плоскостей сланцеватости относительно простирания откосов усту­ пов обрушение откосов уступов может происходить в тех случаях, когда плоскости сланцеватости падают в сторону свободной по­ верхности откосов под углами более 30°. Для обеспечения устой­ чивости откосов уступов под углами, большими углов падения плоскостей сланцеватости, их необходимо укреплять.

и сланцеватость метаморфических пород. Во всех случаях, когда падение слоев в сторону свободной поверхности откоса превышает угол внутреннего трения по контактам между слоями пород, воз­ можно обрушение уступов. Величина сцепления по наиболее сла­ бым контактам между слоями не превышает 2—5 тс/м2 и под влиянием взрывных работ, набухания пород и выветривания с те­ чением времени может быть еще больше снижена, так что сцепле­ ние по контактам слоев следует учитывать при расчетах устойчиво­ сти откосов уступов только при большой надежности сохранения его с течением времени.

Т е к т о н и ч е с к и е н а р у ш е н и я влияют на устойчивость откосов уступов в тех случаях, когда они направлены под углом менее 45° к направлению простирания откосов при падении тек­ тонических нарушений под углом [76]

При таком расположении откоса уступа создается возможность обрушения блока пород, подрезанного тектоническим нарушением (рис. 1.1). Кроме того, в зонах тектонических нарушений породы Оказываются раздробленными, а на глубине 50—70 м могут быть полностью дезинтегрированы процессами выветривания. Зона дробления пород значительно расширяется на участках пересече­

8