СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАГОРНЫХ ОТВАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК E21C41/26 E02D17/18 

Изобретение относится к горному и строительному делу и может быть использовано при отвалообразовании вскрышных пород и формировании площадок промышленного и гражданского строительства на склонах.

Известен способ открытой разработки полезных ископаемых, включающий отсыпку внутреннего отвала на борт карьера с первоначальной отсыпкой контрфорса на дно карьера с присыпкой борта и с последующим наращиванием отвала по высоте [1] Недостатком способа являются значительные затраты на транспортировку пород при его реализации на отработанных карьерах, когда породы в карьер необходимо завозить извне по съездам сначала на рабочую площадку контрфорса на дне карьера, затем на вышележащие площадки ярусов. Другим недостатком являются существенные затраты на бульдозерные работы, обусловленные множеством ярусов отвала, предопределяющих большую суммарную площадь планировочных работ.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ формирования нагорных отвалов, включающий отсыпку пород отвала ярусами сверху-вниз вначале на призму упора наклонного основания до горизонта, на котором угол наклона поверхности скольжения равен углу внутреннего трения пород указанного основания по линии скольжения, затем на призму активного давления [2] Недостатком способа является невозможность выемки полезных ископаемых из крутонаклонного основания на всех его горизонтах, кроме участка примыкания к нему рабочей площадки яруса, отсыпаемого на призму упора поверхности скольжения основания отвала, что уменьшает эффективность реализации способа. Другим недостатком является то, что способ не обладает высокой степенью надежности обеспечения устойчивости, наклонного основания в силу нестабильности поверхности скольжения, изменение положения которой происходит в процессе отсыпки отвала по следующим причинам: изменения контура и результирующего угла наклона основания отвала и перераспределения напряжений в нем; изменения обводненности наклонного основания вследствие накапливания в отвалах вод за счет инфильтрации естественных осадков, создания препятствий источникам наклонного основания, разгружающим его и др. под действием воды снижаются сцепление и угол внутреннего трения указанной основания отвала.

В силу неопределенности положения фактической границы между призмой упора и призмой активного давления наклонного основания, обусловленной погрешностью определения исходных для расчета физико-механических характеристик пород, в т. ч. угла внутреннего их трения; погрешностями методов расчета, дающих при прочих равных условиях различные положения поверхности скольжения в силу того, что с различной степенью полноты учитывают действующие силы и факторы.

В силу привнесения факторов, уменьшающих устойчивость наклонного основания отвала: повышением пьезометрического уровня подземных вод и степени гидростатического взвешивания пород и гидродинамического давления вод; разупрочнения пород водой и др.

В результате изложенного, точка пересечения рассчитанного (проектного) горизонта отсыпки пород на призму упора с наклонным основанием (или точка примыкания рабочей площадки к нему) может оказаться выше точки пересечения с ним необходимого горизонта, обеспечивающего равенства на ее вертикали фактического угла наклона элементарной плошадки поверхности скольжения фактическому углу внутреннего трения пород и соответственно отсыпаемые на призму упора объемы для увеличения удерживающих сил между этими горизонтами в пределах основания отвала и фактической границы между призмами упора и активного давления, против ожидания будут работать на сдвиг призмы обрушения. В случае расположения расчетной точки ниже фактической имеет место недоиспользование возможности увеличения удерживающих сил по призме обрушения, и наконец при случайном совпадении расчетной точки с фактической, возможности и породной пригрузки на призме упора также не реализуются в полной мере, поскольку не отсыпается дополнительный слой пород на ней выше описанного горизонта, нижняя бровка откоса которого совпадала бы с точкой пересечения необходимого горизонта с наклонным основанием; отсыпка такого слоя усилила бы удерживающий эффект отсыпаемых на призму упора пород. Из-за несоответствия порядка нагружения породами призмы активного давления динамике процессов в наклонном основании, заключающегося в том, что в начале ее нагружения (в прилегающей к основанию
части) превалируют объемы пород, усиливающие сдвигающие силы, а объемы в ее периферийной части, увеличивающие удерживающие силы, отсыпаются в конце формирования отвала. Такой порядок работ не исключает ситуации, когда отсыпку пород для увеличения удерживающих сил выполнить в верхнем ярусе вообще не удается в силу деформации приоткосного массива, т.е. когда объемами, усиливающими сдвижение, компенсируется избыток удерживающих сил пригруженной призмы упора и происходит реализация поверхности скольжения с разрывом сплошности среды (трещинообразования) по ней, приводящим к исчезновению на ее участках основных удерживающих сил сил сцепления пород. В этом случае досыпка периферийной части отвала на призму активного давления становится либо невыполнимой из-за деформаций массива, либо малоэффективной, не восполняющей дефицит удерживающих сил в нарушенном массиве.

Таким образом, необеспечение первоочередности отсыпки объемов пород между проектным контуром отвала и границей призм упора и активного давления может привести к нарушению устойчивости наклонного основания отвала и уменьшить его объем.

Целью изобретения является повышение эффективности отвалообразования за счет повышения надежности обеспечения устойчивости наклонного основания и степени извлечения из него полезного ископаемого.

Цель достигается тем, что в способе формирования нагорных отвалов, включающем отсыпку пород отвала ярусами сверху-вниз вначале на призму упора наклонного основания до горизонта, на котором угол наклона поверхности скольжения равен углу внутреннего трения пород указанного основания по линии скольжения, затем на призму активного давления, рабочую площадку яруса отвала на призме упора формируют на горизонтальном расстоянии от его основания, определяемом из выражения
A h(ctg δ + ctg β) + (h L_c ˙ i)ctg β + Ш, где A горизонтальное расстояние от границы призм упора и активного давления в проектных условиях до верхней бровки яруса отвала на призме упора, ближней к его наклонному основанию, по нормальному сечению, м;
h вертикальное расстояние между точками пересечения границ призм упора и активного давления в проектных и неблагоприятных условиях с наклонными основанием отвала по его нормальному сечению, м;
δ угол наклона основания отвала к горизонтальной плоскости, градус;
β угол естественного откоса пород, градус;
L_c, i и Ш длина проекции на горизонтальную плоскость, уклон и ширина съезда с рабочей площадки яруса на призму упора в неблагоприятных условиях, м, а отсыпку пород на призму активного давления начинают расширением по крайней мере до ее границы рабочей площадки яруса, отсыпанного на призму упора.

На фиг. 1 представлен ярус отвала на призме упора наклонного его основания по нормальному сечению; на фиг. 2 сечение сформированного отвала.

Способ осуществляется следующим образом. Отвал отсыпают ярусами сверху-вниз на наклонное основание bd. В первую очередь отсыпают ярус rtkdpr на участках полезного ископаемого 1 в наклонном основании bd (например, в погашенном борту карьера), или ярус utkdmu на участках, не имеющих полезных ископаемых, с рабочей площадки соответственно rt, или ut, превышающую на высоту H горизонт np, вертикаль ps точки пересечения p которого с наклонным основанием bd пересекает рассчитанную для наиболее неблагоприятных условий поверхность скольжения osd, в т. S которой элементарная площадка сдвижения наклонена к горизонту под углом α равным углу внутреннего трения пород наклонного основания bd ϕ; при этом в первом случае формируют откос rp, во втором um. Рабочую площадку rt (или ut) яруса rtkdpr на призме упора psdp формируют на горизонтальном расстоянии от его основания bd, определяемом согласно фиг. 1 из выражения:
A L + (h + h₁)ctg β + Ш, (1) где A горизонтальное расстояние от границы призм упора и активного давления в проектных условиях до верхней бровки яруса отвала отсыпанного на призму упора, ближней к его наклонному основанию, по нормальному сечению, м;
L и h соответственно горизонтальные и вертикальные расстояния между точками пересечения границ призм упора и активного давления в проектных и неблагоприятных условиях с наклонными основанием отвала по его нормальному сечению, м;
h₁ превышение уровня рабочей площадки формируемого на призме упора яруса отвала над горизонтом точки пересечения границы призм упора и активного давления в проектных условиях с основанием отвала по его нормальному сечению, м;
β угол естественного откоса, градус;
Ш ширина съезда вдоль основания отвала, на уровне точки его пересечения с границей призм упора и активного давления в неблагоприятных условиях, м; Выразим L hctg δ (2) где δ угол наклона основания отвала к горизонтальной плоскости, градус;
Совместным решением (1) и (2) получим:
A h(ctg δ + ctg β) + h₁ctg β + Ш (3) Учитывая, что
h + h₁ L_c ˙ i, (4) где L_c, i и Ш длина проекции на горизонтальную плоскость, уклон и ширина съезда с рабочей площадки яруса на призме, упора в неблагоприятных условиях до горизонта точки пересечения ее границы с наклонным основанием отвала по его нормальному сечению, м, получим
h₁ L_c˙ i h. (5) Решив (5) совместно с (3), будем иметь:
A h(ctg δ + ctg β) + (h L_c˙ i)ctg β + Ш (6) При h₁ 0 зависимость (6) примет вид:
A h(ctg δ + ctg β) + Ш. (7) При Ш 0, когда съезд перемещается из положения pv в положение gp в выработку в основании отвала, или когда в съезде нет необходимости (в случае, если полезные ископаемые не вынимают из основания отвала), зависимость (6) примет вид:
A h(ctg δ + ctg β) + (h L_c˙ i)ctg β. (8) При
h₁ 0, Ш 0, A h(ctg δ + ctg β). (9) Таким образом выражение (6) является наиболее общим и удовлетворяет всем возможным случаям.

Например, при угле наклона погашенного борта Гайского карьера N 1 к горизонтальной плоскости δ 28^о, β 36^о, Ш 15 м, h 16 м, L_c 200 м, i 0,08 м, по выражению (6) определится расстояние, обеспечивающее достижение цели изобретения:
A 16(ctg28 + ctg 36) + (16 200 x x 0,08)ctg36 + 15 16 x 3,26 + 0 x 1,38 + 15 52,16 + 0 + 15 67,16 (м). При Ш 0 на участках выемки руды из борта получим
A 52,16 + 0 + 0 52,16 (м)
После этого отсыпают породы второй очереди отвалообразования на призму активного давления obpso наклонного основания bd отвала, причем отсыпку начинают с того, что расширяют рабочую площадку rt (или ut) яруса отвала, отсыпанного на призму упора psdp в контуре 2 (фиг. 2) по крайней мере до границы призм упора и активного давления p'p'' в неблагоприятных условиях, а затем по известным способам отсыпают породы в контуре 3. В процессе возведения отвала второй очереди засыпают выработки cdpc в борту, созданные при выемке полезного ископаемого 1.

Преимущества предлагаемого способа перед известным состоят в следующем:
I. Отсыпка яруса rtkdpr отвала на соответствующую наиболее неблагоприятным условиям (стечению неблагоприятных обстоятельств с учетом прогноза и упреждения их проявлений) призму упора psdp наклонного основания bd на рассчитанном по выражению (6) горизонтальном расстоянии от точки пересечения последнего с границей ce призм упора cc'dc и давления obcc'o, соответствующей проектным условиям (состоянию наклонного основания bd в период проектирования) обеспечивает:
1) повышение надежности обеспечения устойчивости наклонного основания в динамике отвалообразования:
недопущением отсыпки объемов cf'pc при усилении породами призмы упора spds в первой очереди отвалообразования, являющихся сдвигающими данную призму;
усилением призмы упора отсыпкой на нее дополнительного (относительно проектного горизонта cf) слоя rtfr'r'' пород;
уменьшением отрицательных последствий погрешностей расчета, обусловленных нестабильностью положения поверхности скольжения возможной призмы обрушения, неопределенностью положения границы призмы упора и призмы активного давления, привнесением уменьшающих устойчивость откосов факторов и др.

2) повышение эффективности отвалообразования за счет выемки полезных ископаемых 1 из основания bd отвала ниже проектного горизонта cf работ первой очереди отвалообразования.

II. Отсыпка пород на призму активного давления obpso второй очереди отвалообразования в предложенной последовательности первоначального расширения рабочей площадки rt, отсыпанного на призму упора яруса в направлении к основанию bd по крайней мере до границы spp' призм упора и активного давления обеспечивает:
1) повышение надежности обеспечения устойчивости основания bd за счет:
первоочередного допогружения (усиления) призмы упора объемами rp'pr пород;
подпора снизу-вверх откоса cg выработки cgpc в основании bd;
2) исключение деформации подработанного выработкой cgpc участка bcg основания bd отвала, возможной при отсыпке пород второй очереди с горизонта ab в направлении от точки b к точке b'.

Использование: горнодобывающая промышленность и строительство, отвалообразование вскрытных пород и формирование площадок промышленного и гражданского строительства. Сущность: породы в отвал отсыпают ярусами, вначале на призму упора наклонного основания до горизонта, на котором угол наклона поверхности скольжения равен углу внутреннего трения пород указанного основания по линии скольжения, затем на призму активного давления. При этом на ярусе отвала, отсыпанном на призме упора, формируют рабочую площадку на горизонтальном расстоянии от его основания, определяемом из уравнения, а отсыпку пород на призму активного давления начинают расширением, по меньшей мере до ее границы, рабочей площадки яруса, отсыпанного на призму упора. 2 ил.

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАГОРНЫХ ОТВАЛОВ, включающий отсыпку пород отвала ярусами сверху-вниз вначале на призму упора наклонного основания до горизонта, на котором угол наклона поверхности скольжения равен углу внутреннего трения пород указанного основания по линии скольжения, затем на призму активного давления, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности отвалообразования за счет повышения надежности обеспечения устойчивости наклонного основания и степени извлечения из него полезного ископаемого, на ярусе отвала, отсыпанном на призме упора, формируют рабочую площадку на горизонтальном расстоянии от его основания, определяемом из выражения
A = h(ctgδ+ctgβ)+(h-L_ci)ctgβ+Ш ,
где A горизонтальное расстояние от границы призмы упора и активного давления в проектных условиях до верхней бровки яруса отвала на призме упора, ближней к его наклонному основанию по нормальному сечению, м;
δ угол наклона основания отвала к горизонтальной плоскости, градус;
b угол естественного откоса пород, градус;
L_c, i, Ш длина проекции на горизонтальную плоскость, уклон и ширина съезда с рабочей площадки яруса на призму упора на неблагоприятных условиях, м,
а отсыпку пород на призму активного давления начинают расширением по меньшей мере до ее границы рабочей площадки яруса, отсыпанного на призму упора.