СПОСОБ ОТСТРОЙКИ НЕРАБОЧЕГО БОРТА КАРЬЕРА В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ Российский патент 1997 года по МПК E21C41/26 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к открытой разработке месторождений кимберлитовых трубок глубокими карьерами и создано применительно к условиям разработки массивов многолетнемерзлых пород.

В практике отработки глубоких кимберлитовых карьеров Якутии применяют способ отстройки нерабочего борта карьера, включающий сооружение транспортных и предохранительных берм с формированием уступов погашения высотой не превышающей трехкратной высоты рабочего уступа и оставлением предохранительных берм шириной не менее одной третей высоты создаваемого уступа погашения [1]
Применяют также способ отстройки нерабочего борта карьера, включающий сооружение параллельных наклонных транспортных и предохранительных берм при многоспиральной схеме вскрытия горизонтов карьера с уклоном спиральных автомобильных съездов 7-8% высотой уступов погашения не более 45 м и шириной предохранительных берм равной ширине транспортной бермы [2]
При укоренившейся практике проектирования отстройки бортов глубоких карьеров не учитываются особые условия при обработке многолетнемерзлых пород в условиях Крайнего Севера, к которым относятся наличие агрессивных подмерзлотных рассолов, нефте-газо-битумопроявления на глубоких горизонтах, резкие температурные колебания окружающего воздуха, которые, в конечном итоге, влияют на растепление борта карьера и в целом на его устойчивость. В силу влияния указанных факторов существующая технология отстройки бортов карьера имеет серьезные недостатки, к которым относятся:
оттаивание массива многолетней мерзлоты на откосах бортов в летний период, которое в целом снижает их устойчивость, а случайное падение разрушенных буровзрывными работами отдельных кусков горных пород с откосов уступов создает опасность в работе оборудования и людей;
возрастание объемов вскрышных работ при отработке глубоких горизонтов карьера из-за невозможности отстройки более крутых и устойчивых откосов уступов погашения;
установление параметров предохранительных берм без должного обоснования расчетами и применяемых директивно (по ЕПБ) из расчета оставления берм безопасности не более чем через каждые три уступа и шириной не менее одной трети высоты уступа погашения.

Указанные недостатки существенно влияют на увеличение генерального угла борта карьера и в целом на технико-экономические показатели открытого способа разработки месторождений.

Известен способ формирования нерабочих бортов глубоких карьеров, включающий сооружение уступов погашения высотой до 45 м с разделением нерабочих уступов на подуступы, при котором достигается увеличение угла откоса борта карьера с 32 до 39 [3]
Однако достигнутые значения углов практически являются предельными, т.к. дальнейшее повышение высоты уступов до 90 м при сохранении значения коэффициента запаса устойчивости не оказывает заметного влияния на увеличение угла погашения борта карьера.

Известен также способ отстройки нерабочего борта карьера, включающий сооружение спиральных транспортных берм в конечном контуре карьера и формирование берм безопасности параллельно трассе транспортных берм [4]
Однако данному способу также присущи ограниченные возможности для увеличения угла погашения бортов карьера и значительные затраты на сооружения наклонных предохранительных берм.

Известен также способ изоляции и крепления поверхности откосов полимерными материалами, набрызгбетонным покрытием и комбинированным набрызгбетонным покрытием (по металлической сетке с анкерами). Однако полимерные покрытия не нашли практического применения в связи с высокой стоимостью (до 40 руб/м) изоляции [5] Торкретбетонное покрытие с течением времени разрушается дождем и осыпается. Более надежно и долговечно комбинированное шприцбетонное покрытие [6] Однако эффективность такого покрытия резко снижается в связи с оттаиванием вечной мерзлоты на поверхности откоса в летнее время и ее деформацией, а также интенсивным ржавлением металлической сетки. При этом разрушение набрызгбетонного покрытия в значительной мере обусловливается недостаточным адгезионным свойством его на поверхности бортов карьера и преждевременным отделением от массива с последующим раздроблением от перемещения щебня.

Известен способ теплоизоляции откосов уступов, включающий укладку полых водонепроницаемых матов на поверхность откоса и заполнение полости указанных матов быстротвердеющим карбамидным пенопластом [7]
Недостатком способа являются значительные трудозатраты, обусловленные трудоемкостью выполнения работ по заполнению полостей матов быстротвердеющим карбамидным пенопластом в целом нетехнологичностью выполнения отдельных операций по созданию теплоизолирующего покрытия откосов высоких уступов.

Сущность изобретения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе отстройки нерабочего борта карьера, включающем сооружение спиральных транспортных берм в конечном контуре карьера и формирование берм безопасности параллельно трассе транспортных берм, отличающийся тем, что отстройку борта карьера производят наклонными высокими уступами, причем верхнюю и нижнюю площадки уступов заключают между смежными витками широкой транспортной бермы, на которой вдоль откоса сооружают предохранительную траншею, на бортовку указанной траншеи отсыпают защитный вал из пустых пород, тыльную сторону вала покрывают набрызгбетоном, а на откосы уступов возводят теплозащитный экран, состоящий из синтетического сетного полотна, на которое напылением наносят вспененные пластмассы, причем напыление производят в два слоя по 50 мм первый на поверхность откоса, второй на сетное полотно.

В предлагаемом способе новыми признаками в сравнении с прототипом являются:
формирование нерабочих бортов карьера новой конструкции без специальных берм безопасности;
сооружение наклонных уступов погашения, высота которых устанавливается независимо от высоты рабочих уступов, верхняя и нижняя площадки которых заключены между смежными витками транспортных берм;
применение теплозащитного экрана на основе применения синтетического сетного полотна и вспененной пластмассы, обеспечивающие проявление нового свойства повышение устойчивости крутых бортов карьеров;
создание на транспортной берме предохранительной траншеи с улавливающим защитным валом, позволяющие создать безопасные условия ведения горных работ при новой конструкции бортов с высокими и крутыми уступами без предохранительных берм.

Все указанные признаки и свойства достигаются при совокупном их действии, т. е. предлагаемый способ является комплексным. При этом исключаются недостатки существующих решений и обеспечивается следующие усиленные новые положительные свойства:
защиту откосов бортов карьеров от выветривания за счет сохранения массива в мерзлом состоянии;
кратное сокращение объема горной массы в контуре отработки карьера за счет применения высоких и крутых уступов погашения;
повышение безопасности ведения горных работ в карьере благодаря созданию устойчивой конструкции бортов с высокими уступами в монолите многолетнемерзлых пород;
сокращение объемов работ по очистке транспортных берм за счет предотвращения осыпания бортов карьеров гибкими теплозащитными экранами.

Таким образом, предлагаемый способ соответствует требованию критерия "существенные отличия".

На фиг.1 показана принципиальная схема карьера в плане; на фиг.2 - поперечный разрез карьера; на фиг.3 поперечный разрез широкой транспортной бермы; на фиг. 4 схема возведения теплозащитного экрана; на фиг.5, 6, 7 - конструкции бортов карьера при традиционной и рекомендуемой способах; на фиг.8 схема расчета на выскакивание.

Способ осуществляется следующим образом.

Карьер в конечном контуре отстроен наклонными уступами погашения 1, 2, 3 без предохранительных берм при вскрытии и отработке горизонтов с использованием спиральных съездов 4. Высоты данных наклонно погашаемых уступов определены путем разделения толщи многолетнемерзлых пород спиральными транспортными съездами, пройденными по боковой поверхности конусообразного карьера. При этом верхняя 5 и нижняя 6 площадки наклонных уступов оказываются заключенными между смежными витками транспортных берм. Так первый от поверхности 7 уступ погашения формируется при совершении спиральной транспортной бермой первого витка от дневной поверхности, т.е. при достижении горными работами глубины, характеризующейся положением 8. Второй уступ набирает полную высоту при завершении второго витка транспортной бермы на глубине, характеризующейся положением 9 горных работ и т.д. до проектного дна карьера 10.

Транспортная берма проходится большой ширины, на которой размещается предохранительная траншея 11 с защитным валом 12 из пустых пород с нанесением на него с тыльной стороны набрызгбетона 13.

Предохранительная траншея и защитный вал с набрызгбетонным покрытием защищают движущиеся под высокими уступами автосамосвалы и др. оборудование от случайно падающих предметов, камней с берм и откосов бортов карьера.

В процессе углубления горных работ в карьере на откосы уступов переменной высоты возводят теплозащитный экран 14. Для этого на бермах в шпурах закрепляют штанги 15, через ячейки сетного полотна 16 со всех сторон протягивают капроновые канаты 17. Затем к штангам крепят концы капронового каната и сетное полотно спускают на нижнюю берму, где крепят аналогично указанному способу. На установленное, таким образом, сетное полотно с помощью пеногенераторной установки наносят вспененные пластмассы 18. Причем напыление производят сверху вниз в два слоя толщиной по 50 мм, первый слой наносят на горную породу, а второй слой на сетное полотно.

Пример конкретного выполнения способа.

С целью полного раскрытия технической сущности и преимуществ предлагаемого изобретения, применительно к месторождениям кимберлитовых трубок, расположенного в зоне распространения многолетнемерзлых пород и сурового климата Якутии, приведен пример, где исходные данные для базового варианта (фиг.5) приняты следующими: глубина карьера 525 м; высота уступа погашения 65; ширина бермы 15 м; уклон спирального среза 10%
При новом способе отстройки нерабочего борта (рекомендуемый вариант) предохранительные бермы отсутствуют. На широкой транспортной берме сооружается предохранительная траншея, вдоль бровки которой отсыпают защитный вал.

Пример приведен для двух вариантов отстройки нерабочего борта без предохранительных берм с покрытием откосов уступов мерзлотозащитным экраном: в первом случае (фиг.6) борт карьера отстраивают с такими же углами откосов, как и при базовом варианте, но с высокими уступами с сооружением под ними предохранительных траншей и защитных валов: во втором варианте борт карьера отстраивают такими же уступами погашения (фиг.7) как при базовом варианте, но с более крутыми откосами.

Отстройка нерабочего борта карьера по базовому варианту.

Генеральный угол откоса борта карьера рассчитывается по следующей формуле:

где β генеральный угол откоса борта карьера, град.

Ш_Б ширина предохранительной бермы, м;
n_Б количество берм безопасности на полную глубину карьера, шт.

Ш_с ширина транспортной бермы, м;
n_Б количество витков спирального съезда до конечной глубины карьера, шт.

H_уп высота уступа погашения, м;
n_Б количество уступов погашения, м;
a угол откоса уступа, м;
H_к глубина карьера, м.

где L_тр общая длина спирального съезда до дна карьера, м;
P_д периметр дна карьера, м;
P_п периметр карьера по дневной поверхности, м.

где К_у коэффициент удлинения трассы, К_у= 1,15;
i_р уклон спирального съезда, i_р= 10%
d_днк диаметр дна карьера, м.

Количество формируемых берм безопасности на полную глубину карьера определяется по формуле:
,
где h_у высота уступа, м.

Количество витков спирального съезда до конечной глубины карьера определяется по формуле:

R r+H_к ^octg45^o=100+525^o1=625м,
где r радиус дна карьера, м;
R радиус дневной поверхности карьера, м.

Полученное при этом число витков оказывается заниженным на 5-15% по сравнению с действительной его величиной, n_В 3,0.

Генеральный угол откоса борта карьера по базовому варианту составил 47^o.

Объемы горных работ в контуре карьера рассчитываются по формуле усеченного конуса:

Результаты расчетов приведены в таблице.

Отстройка нерабочего борта карьера с высокими уступами погашения.

При глубине карьера 525 м спиральный съезд сооружен по борту карьера с переменным уклоном, достигающим максимального значения 10% Борт карьера при этом также отстроен уступами переменной высоты равными 45-110 м без предохранительных берм.

Следовательно, средняя высота уступа погашения при отстройке нерабочего борта карьера без предохранительных берм составила 80 м. Данная высота в дальнейшем заложена в расчетах на выскакивание подающих с откосов уступов камней на улавливающую предохранительную траншею по известной методике [8]
Ширина транспортной бермы с расположением на ней улавливающей предохранительной траншеи с защитным валом определяется по формуле:
Ш_ТР.Б=Ш_с+Ш_ТР+Ш_З.В,
где Ш_с ширина спирального съезда, Ш_с 25 м;
Ш_ТР ширина предохранительной (улавливающей) траншеи, м, Ш_тр 7 м;
Ш_З.В ширина защитного вала, м, Ш_З.В 4 м.

Ш_ТР.Б 25+7+4 36м.

Генеральный угол откоса борта карьера составит:

β = 56^°.
Расчеты на выскакивание падающих с откосов камней производятся по известной методике [8] в следующей последовательности.

Расчетом на выскакивание устанавливают необходимую глубину улавливающей предохранительной траншеи, высоту защитного вала, ограждающего улавливающую траншею со стороны дороги, т.е. определяются размеры сооружений, при которых исключается возможность выскакивания камней за их пределы.

Невыгоднейшим случаем является падение камня на дно сооружения в точку, расположенную по возможности близко к подошве встречного откоса. В практических расчетах положение этой точки можно принимать в расстоянии 0,5 м от подошвы откоса.

Расчетные скорости движения камней по склонам однообразной крутизны могут быть определены по формуле, имеющей вид:

Эту формулу можно представить в следующем виде:

Подрезку косогора для образования улавливающей траншеи проектируем откосом крутизны Φ= 65^o. Крутизна внутреннего откоса вала траншеи принимает j= 53^o08.

Расчеты иллюстрируются графически (фиг.8).

Угол отражения g определяется по формуле:

где r 0,3 коэффициент восстановления;
l 0,3 коэффициент мгновенного трения;

Скорость отражения определяется по формуле:

Угол падения в точке М₁:

Скорость падения в точке М₁:

Угол отражения γ₁ находим по формуле:

Скорость отражения в точке:

Уравнение траектории движения камня после удара об откос в точке М₁:

Подставив в это уравнение значения ψ+γ₁ = 53^°08′+4^°36′ = 57^°44′; tg57^o44'=1,6426; cos57^o44'=0,5349; cos²57^o44'=0,286,
получим

Решив это уравнение совместно с уравнением линии откоса y = xtgψ, найдем координаты точки М₂ следующего удара камня об откос и высоту h₁ первого скачка по откосу:
y = xtgψ = 1,333x;
1,333x=1,6426x-0,2557x²
0,2557x²=0,3096x,
откуда x=1,21 м.

Высота первого скачка
h₁=y=1,333•1,21=1,61 м.

Высоту второго скачка по откосу h₂ определяем следующим образом.

Зная скорость отражения в точке М₁, можно определить скорость падения в точке М₂ по формуле:

Угол α₂ составленный касательной к траектории первого скачка в точке М₂ с осью x, находим из равенства:

Угол падения Φ₂ в точке М₂:

Скорость отражения в точке М₂:

Уравнение траектории движения

tg57^o02'= 1,5438; cos57^o02'=0,5425; cos²57^o02'=0,2943;

y=1,333x; 1,333x=1,5438x-0,9771x²;
0,9771x²=0,2108x; x=0,22 м.

Высота второго скачка
h₂=y=1,333•0,22=0,29 м.

Определим высоту набега "а" камня на откос после первого удара камня о дно траншеи.

Примем Φ₁ = 10^°32′; γ = 42^°36′; ψ = 53^°08′. Тогда

Полная высота набега камня на откос
H=a+h₁+h₂=1,48+1,61+0,29=3,38 м.

Необходимую глубину траншеи определим по высоте набега камня на откос, принимая запас около 1 м. В рассматриваемом случае глубина траншеи с округлением H₀=3,38+1,0≈4,5 м.

Расчетная высота подскакивания

3,28 м < 4,5 м.

При Φ > 60 рекомендуется устраивать достаточно широкую улавливающую полку (примерно 6-7 м).

Параметры транспортной бермы, предохранительной траншеи и защитного вала приведены в таблице.

Отстройка нерабочего борта карьеры с крутыми уступами погашения.

Согласно результатам научных исследований [9] благодаря сохранению массива многолетней мерзлоты путем создания теплоизолирующего экрана возможно увеличение углов откосов уступов на 3^o. Следовательно, в расчетах по данному варианту углы откосов уступов увеличены на 3^o и составили 68^o.

Тогда генеральный угол откоса карьера составит:

По всем трем вариантам рассчитаны объемы горных работ в контуре отработки карьера, результаты которых приведены в таблице. Результаты расчетов показывают, что при глубине карьера 525 м новое техническое решение позволяет увеличить генеральный угол откоса борта карьера на 11 по сравнению с базовым (традиционным вариантом). При этом сохраняется устойчивость бортов карьеров благодаря покрытию откосов теплозащитным экраном.

Теплозащитный экран возводят следующим образом. На площадке уступов (транспортных берм) вдоль их бровки в шпурах закрепляют штанги, как это показано на фиг.4. Перед навеской сетного полотна, через их ячейки со всех сторон протягивают капроновые канаты, причем прочность их должна быть на 20-30% больше, чем нитка сетного полотна. Затем на верхней берме к штангам крепят концы капронового каната и спускают сетное полотно на нижнюю берму, где ее крепят аналогично указанному способу. Установленное сетное полотно выполняет двойную роль: предохраняет, работающих людей на нижней берме от падающих кусков породы; служит армирующим материалом для вспененных пластмасс. После чего подъемный кран поднимает люльку с оператором и пеногенераторной установкой типа "ПЕНА-С" на откос, напенивание производится сверху вниз в два слоя толщины по 50 мм. Причем первый слой наносится на горную породу, второй на сетное полотно. Откос имеет неровности в отдельных случаях имеются вывалы размерами 1 метр и более, следовательно сетное полотно на откосе в одних местах касается горной породы, в других висит на значительном расстоянии. При двухслойном напенивании углубления (вывалы) локализуются и эффективность в таком случае теплоизоляционного экрана значительно возрастает. Для такого покрытия необходимо, чтобы ячейка сетного полотна была равна 20-25 мм, это обусловлено двумя причинами:
при нанесении первого слоя вспененных пластмасс струя химреагентов беспрепятственно проникала через сетное полотно;
при нанесении второго слоя на сетное полотно, необходимо чтобы химреагенты максимально задерживались на нем; величина 20-25 мм получена опытным путем.

Проведенные эксперименты по напениванию вспененных пластмасс на карьере "Мир" объединения "Якуталмаз" показали технологичность предлагаемой технологии, ее эффективность. Глубина протаивания на теплоизолированном участке в три раза меньше, чем на участке, где ее нет.

Удельный расход вспененных пластмасс на 100 м² поверхности откоса уступа составляет 10 м³, а сетное полотно 100 м² с размером ячейки 20-25 мм.

Для оценки технических преимуществ нового способа ниже приведены результаты расчетов сокращения объемов горных работ в контуре отработки карьера в зависимости от глубины карьера при увеличении угла наклона борта на 1^o.

Глубина карьера, м Сокращение объемов вскрыши, млн.куб.м
300,0 1, 575
400,0 3,328
500,0 6,012
600,0 9,827
700,0 14,806
800,0 21,623
900,0 30,012
Следовательно, при глубине карьера 525 м увеличение генерального угла борта карьера на 11 позволит сократить объемы вскрышных работ в контуре отработки карьера на 70 млн.м³.

Источники информации
1. Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом. М. Недра, 1987, с.95, 12-13.

2. Галкин А. М. Галкин В.А. Попов В.Н. Опыт проектирования и строительства карьеров с наклонными предохранительными бермами. М. ЦНИИЭИ Цветмет, 1977. с.35, 11-15.

3. Новожилов М. Г. Дриженко А.Ю. Куценко В.И. Высокопроизводительные глубокие карьеры. М. Недра, 1984. с.111-116.

4. Авт. св. СССР. N497407, кл. E 21 C 41/02, 1970.

5. Арсентьев А.И. Букин И.Ю. Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров. М. Недра, 1982, с.104, 165.

6. Фисенко Г.Л. Ревазов М.А. Галустьян Э.Л. Укрепление откосов в карьерах. М. Недра, 1974, с. 208, 186-189.

7. Авт. св. СССР. N 1511337, кл.E 02 D 17/20, 1989.

8. Ройнишвили Н. М. Защита железнодорожного пути от горных обавлов и осыпей. М. Транспорт, 1973, с. 233-237, с.304.

9. Разработка научных основ применения и поддержания капитальных и подготовительных выработок в условиях многолетней мерзлоты/Научн.рук. Изаксон В.Ю. Гос.регистрация N 80070053, г. Якутск, 1983, с.280.

Использование: изобретение относится к горному делу и предназначено для открытой разработки месторождений полезных ископаемых, преимущественно в условиях многолетнемерзлых горных пород. Сущность изобретения: формирование нерабочего борта карьера произведено без предохранительных берм с наклонными высокими уступами погашения, на транспортной берме сооружают предохранительную траншею, на бровку которой отсыпают защитный вал из пустых пород, на откосы высоких уступов возводят теплозащитный экран, состоящий из синтетического сетного полотна, на которое напылением наносят вспененные пластмассы. Достигается сокращение объемов вскрышных работ в контуре отработки карьера и повышается устойчивость нерабочих бортов карьера. 1 табл., 8 ил.

Способ отстройки нерабочего борта карьера, включающий сооружение спиральных транспортных берм в конечном контуре карьера и формирование берм безопасности параллельно трассе транспортных берм, отличающийся тем, что отстройку борта карьера производят наклонными высокими уступами, причем верхнюю и нижнюю площадки уступов заключают между смежными витками широкой транспортной бермы, на которой вдоль откоса сооружают предохранительную траншею, на бровку указанной траншеи отсыпают защитный вал из пустых пород, тыльную сторону вала покрывают набрызг-бетоном, а откосы уступов в условиях многолетней мерзлоты укрепляют мерзлотозащитным покрытием из синтетического сетного полотна, на которое напылением наносят вспененные пластмассы, причем напыление производят в два слоя: первый на поверхности откоса, второй на сетное полотно.