СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ Российский патент 2000 года по МПК E21C41/26 

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам защиты горных выработок от разрушений под действием горного давления. Изобретение может быть использовано для повышения устойчивости глубоких карьеров и вертикальных стволов при разработке кимберлитовых трубок в условиях многолетней мерзлоты.

Известен способ повышения устойчивости откосов уступов кимберлитовых карьеров [1] путем возведения теплоизоляции на поверхность откоса. Недостатком способа является невозможность снижения напряжений и опасности проявления горного давления. Кроме того, для скальных горных пород нанесение теплоизоляции не дает эффекта повышения прочности пород.

Известен способ повышения устойчивости откоса путем укрепления сваями, штангами, подпорными стенками и др. [2]. Недостатком способа является невозможность уменьшения величины горного давления и нерешение проблемы устойчивости борта карьера в целом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ повышения устойчивости бортов глубоких карьеров, включающий определение действующих напряжений в массиве, создание разгрузочных плоскостей перпендикулярно к поверхности борта карьера начиная с глубины превышения тангенциальных напряжений над прочностью массива [3]. Недостатком способа является невозможность снятия внешней нагрузки, нарушение целостности и снижение прочности несущего слоя породного массива, провоцирование опасных радиальных деформаций, узкая область применения и неучет асимметрии внешней нагрузки. Кроме того, образование трех поверхностей обнажения способствует увеличению сдвигающих сил по линии скольжения и формированию призмы обрушения.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности разработки месторождения за счет увеличения устойчивости бортов карьера.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что согласно способу повышения устойчивости глубоких карьеров, включающему определение напряжений в массиве горных пород и создание зон разгрузки массива, определяют величину тектонических сил в массиве и создают разгрузочные зоны вокруг карьера путем разрушения горных пород взрывом на расстоянии от борта карьера не меньше, чем радиус опорного давления. Разгрузочную зону выполняют в виде кольца или эллипса вокруг карьера и располагают на всю глубину действия тектонических сил, но не более глубины возмущения естественного поля напряжений, или в пределах зоны пика величины тектонических сил. Разгрузочные зоны по контуру кольца или эллипса могут быть созданы в виде дуг против направления максимальных тектонических сил. При создании разгрузочной зоны в виде кольца степень разгрузки массива в кольцевой разгрузочной зоне устанавливают прямо пропорционально величине тектонических сил. Разгрузочные зоны в виде эллипса выполняют подобными форме эллипса тектонических сил вокруг карьера. Величину тектонических сил определяют в нетронутом массиве горных пород.

В предлагаемом способе новыми признаками в сравнении с прототипом являются:
- создание в поле действия тектонических сил вокруг карьерного пространства разгрузочных зон в виде щели кольцеобразной или эллиптической формы путем бурения скважин и разупрочнения горных пород взрывом;
- создание щелей в виде дуг по контуру кольца или эллипса, ориентированных против направления максимальных тектонических сил;
- формирование разгрузочных зон на всю глубину действия тектонических сил с нижним пределом, равным глубине нулевых возмущений естественного поля напряжений;
- создание разгрузочных зон вокруг карьера по контуру эллипса, подобной в плане конфигурации тектонических сил;
- выбор степени разгрузки массива вокруг карьерного пространства прямо пропорционально величине тектонических сил;
- расположение разгрузочных зон на участках пика величины тектонических сил и на расстоянии от борта карьера не меньше чем радиус опорного давления;
- определение величины тектонических сил в нетронутом массиве горных пород.

Указанные новые признаки исключают недостатки существующих способов повышения устойчивости и крутизны бортов карьеров и обеспечивают следующие усиленные положительные свойства:
- применение нового принципа повышения устойчивости глубоких карьеров позволит существенно повысить безопасность горных работ под крутыми бортами карьеров;
- снижение до минимума влияния тектонической составляющей горного давления путем формирования разгрузочных зон различной конфигурации вокруг карьера обеспечит повышение устойчивости бортов и увеличение глубины отработки месторождений открытым способом;
- переход на формирование более крутых и устойчивых бортов с использованием предложенных принципов позволит снизить вредные выбросы карьеров в окружающую среду за счет многократного сокращения объемов удаляемых пород из карьерного пространства.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез карьера с разгрузочными зонами кольцеобразной формы, размещенными по глубине на зонах пика тектонических сил; на фиг. 2 - схема расположения кольцеобразных разгрузочных зон в плане; на фиг. 3 изображен поперечный разрез карьера с вариантом размещения разгрузочных зон в форме эллипса по всей глубине действия тектонических сил; на фиг. 4 - схема расположения разгрузочной зоны в форме эллипса в плане.

Способ осуществляется следующим образом. Определяют напряженное состояние массиве горных пород вокруг карьера 1 для выявления величины тектонических сил 6. Для обеспечения точности определения вектора тектонических сил изучение естественного начального поля напряжений может быть проведено в нетронутом массиве за пределами радиуса влияния горных работ и других техногенных возмущений. При этом детально устанавливают величины и направления действий тектонических сил 6 на всю проектную глубину разработки, включая радиус возмущения естественного поля напряжений. После установления поля тектонических сил 6 в зависимости от характера действий этих сил выбирают схему расположения разгрузочных зон 4, 8 или по всей глубине действия тектонических сил 6 (фиг. 3) или выборочно на отдельных горизонтах 2 пика тектонических сил 6 (фиг. 1). Разгрузочные зоны 4, 8 создают путем бурения скважин и разупрочнения горных пород. Разупрочнение горных пород может быть произведено путем разрушения горных пород взрывом, образования щелевой полости путем выемки пород, снижения прочности пород намоканием, обработкой пород агрессивными средами. В условиях дефицита времени и минимизации материальных затрат наиболее приемлемым способом снижения уровня напряжений является создание разгрузочных зон 4, 8 путем взрывания камуфлетных зарядов. Для снижения длины по периметру и использования фактора устойчивой формы создают разгрузочную зону 4 вокруг карьера 1 кольцеобразной формы в плане и на всю глубину действия тектонических сил 6. Если зона действия тектонических сил 6 распространяется значительно глубже проектной глубины разработки, то нижнюю границу размещения разгрузочных зон 4 ограничивают глубиной возмущения естественного поля напряжений. Для выравнивания асимметрии нагрузки по периметру степень разгрузки массива в кольцевой разгрузочной зоне 4 устанавливают прямо пропорционально величине тектонических сил 6. Это достигается путем выбора схемы взрывных скважин, расхода ВВ, конструкции заряда, диаметра скважин и др. Для экономии материальных затрат на буровзрывные работы разгрузочные зоны 4 создают по контуру кольца в виде дуг против направления максимальных тектонических сил 6 и по глубине выборочно на отдельных горизонтах 2, в которых величина тектонических сил 6 имеет опасные высокие (пиковые) значения. Если учет асимметрии нагрузки по периметру кольцеобразной разгрузочной зоны 4 выбором степени разгрузки неэффективен или невозможен, то разгрузочные зоны вокруг карьера создают по контуру эллипса 8, который соответствует форме эллипса тектонических сил 6. Это позволяет уравновесить систему "внешнее усилие - внутреннее сопротивление" по всему периметру при однородной степени разгрузки. Разгрузочные зоны 4, 8 вокруг карьера располагают на расстоянии от борта карьера 1 не меньше, чем радиус действия опорного давления. Это необходимо для исключения наложения зон повышенной концентрации напряжений полей гравитационных и тектонических сил (использование эффекта снижения горного давления за счет разделения в пространстве слагаемых опорного давления).

Пример конкретного выполнения способа. Предлагаемое техническое решение направлено на решение крупной научно-технической проблемы, использование которого позволит увеличить углы откосов бортов карьеров до 80-90^o при одновременном повышении их устойчивости за счет снижения бокового давления пород. В определенных горно-технических условиях внедрение технического решения обеспечить выемку полезного ископаемого открытым способом без производства вскрышных работ.

Рассмотрим техническую сущность и преимущества способа применительно к отработке глубокозалегающих кимберлитовых трубок при следующих исходных данных: глубина карьера - 500 м; диаметр рудного тела - 200 м; угол откоса борта традиционного карьера - 45^o; угол откоса борта рекомендуемого карьера - 80^o.

При известных технических решениях увеличение углов откосов бортов достигается благодаря совершенствованию конструкций и щадящих способов формирования бортов. Предлагаемое техническое решение позволяет повысить углы откосов за счет снижения бокового давления горных пород на борт карьера.

Тогда сокращение объемов вскрышных работ в контуре рекомендуемого карьера глубиной 500 м, рассчитанное по формуле усеченного конуса, составит:
Δ V_р = V_т - V_р,
где Δ V_р - сокращение объемов вскрышных работ в контуре карьера, млн. м³;
V_т - объемы вскрышных работ в контуре традиционного карьера, млн. м³;
V_р - объемы вскрышных работ в контуре рекомендуемого карьера, млн. м³;
Δ V_р = 209,2 - 17,9 = 191,3 млн. м³.

При внедрении предлагаемого способа возможно и увеличение глубины открытых работ более чем 500 м. По методике В.В. Ржевского при установившейся глубине карьера 500 м и угле наклона борта традиционного карьера 45^o граничный коэффициент вскрыши k_г определяемый как отношение оординаты вскрыши Z_в к оординате полезного ископаемого Z_пи составит:

где R - средний радиус рудного тела, м.

При переходе на более крутой борт карьера, равный 80^o и доработке карьера с граничным коэффициентом вскрыши 4 м³/м³ глубина рекомендуемого карьера составит:
Н_р = Z_в • sin γ_p = 707,1 • 0,9818 = 696 м,
где H_р - глубина рекомендуемого карьера, м;
γ_p - угол откоса борта рекомендуемого карьера, град.

То есть глубину отработки месторождения открытым способом можно увеличить на 196 м. Результаты расчетов сведены в таблицу.

Источники информации
1. Патент 2034150 Россия, МКП 6 E 21 C 41/26. Способ формирования нерабочего борта карьера, 1995.

2. Горная энциклопедия, М.: Советская энциклопедия, 1984, т. 1, с. 272.

3. Зубков А.В. Напряженно-деформированное состояние бортов глубоких карьеров, Горный вестник, 1996, N 4, с. 63-66.

Способ относится к горному делу, а именно к способам защиты нерабочих бортов карьеров от разрушений под действием горного давления, и может быть использован как для повышения устойчивости глубоких карьеров, так и вертикальных стволов при разработке кимберлитовых трубок в условиях многолетней мерзлоты. Определяют величину тектонических сил в массиве и создают разгрузочные зоны вокруг карьера путем разрушения горных пород взрывом на расстоянии от его борта не менее радиуса опорного давления. Разгрузочную зону выполняют в виде кольца или эллипса вокруг карьера и располагают на всю глубину действия тектонических сил, но не более глубины возмущения естественного поля напряжений, или в пределах зоны пика величины тектонических сил. Разгрузочные зоны по контуру кольца или эллипса создают в виде дуг против направления максимальных тектонических сил. При этом степень разгрузки массива в кольцевой разгрузочной зоне устанавливают прямо пропорционально величине тектонических сил. Разгрузочные зоны выполняют подобными форме эллипса тектонических сил вокруг карьера, величину которых определяют в нетронутом массиве горных пород. Технический результат - повышение эффективности разработки месторождения за счет увеличения устойчивости бортов карьера. 9 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Способ повышения устойчивости глубоких карьеров, включающий определение величины тектонических сил в массиве горных пород и создание зон разгрузки массива, отличающийся тем, что разгрузочные зоны создают вокруг карьера в зависимости от направления и величины действующих тектонических сил на всей проектной глубине разработки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разгрузочные зоны располагают в поле действия тектонических сил, но не более глубины возмущения естественного поля напряжений. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что разгрузочные зоны располагают на участках пика величины тектонических сил. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что разгрузочные зоны создают по контуру эллипса соответствующей формы эллипса тектонических сил вокруг карьера. 5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что разгрузочные зоны создают по контуру эллипса в виде дуг против направления максимальных тектонических сил. 6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что разгрузочные зоны создают кольцеобразной формы. 7. Способ по п. 2, отличающийся тем, что разгрузочные зоны создают по контуру кольца в виде дуг против направления максимальных тектонических сил. 8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что степень разгрузки массива в кольцевой разгрузочной зоне устанавливают прямо пропорционально величине тектонических сил. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что разгрузочные зоны создают путем разрушения горных пород. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что разгрузочные зоны создают путем разрушения горных пород взрывом.