СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ОТВАЛОВ Российский патент 2002 года по МПК E02D17/20 E21C41/26 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для повышения устойчивости насыпей горных пород - внешних и внутренних отвалов.

Известен способ укрепления насыпей, заключающийся в размещении в теле насыпи двух групп параллельных стержней, расположенных наклонно относительно друг друга с промежутком вдоль насыпи, препятствующих скольжению грунта по плоскостям сдвига и облицовки, закрывающей поверхность насыпи (акц. заявка Великобритании 1285928, МКИ Е 02 D 29/02. Укрепление насыпи).

Ограниченность рассматриваемого способа заключается в необходимости армирования всей высоты насыпи, сложности практической реализации и высокой его стоимости.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ повышения устойчивости отвала, включающий послойное укладывание в шахматном порядке в тело отвала армирующих элементов, в качестве которых используют объемные структуры из автопокрышек, соединенных между собой, с последующей отсыпкой грунта (Джоунс К. Д. Сооружения из армированного грунта. М.: Стройиздат, 1989, с. 23. рис. 3.26).

В качестве недостатков известного способа можно перечислить следующее:
- невозможность обеспечения устойчивости отвальных насыпей при увеличении их емкости с учетом воздействия нагрузок от горно-транспортного оборудования.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить устойчивость и емкость отвалов с учетом воздействия нагрузок от горно-транспортного оборудования за счет увеличения угла откоса путем применения различных схем армирования нижней и верхней частей отвалов с использованием объемных армирующих структур.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в способе повышения устойчивости отвалов, включающем послойное укладывание в шахматном порядке в тело отвала армирующих элементов, в качестве которых используют объемные структуры из автопокрышек, соединенные между собой, с последующей отсыпкой грунта, отличающийся тем, что объемные структуры из автопокрышек соединяют между собой гибкими тягами и жесткими затяжками, причем в нижней части отвала каждую объемную структуру выполняют в виде вертикально и горизонтально расположенных автопокрышек, связанных между собой гибкими тягами, причем часть структуры, расположенная ближе к центру отвала, включает в себя горизонтально расположенные автопокрышки, связанные между собой жесткой затяжкой, а в верхней части отвала каждую объемную структуру выполняют в виде горизонтально расположенных автопокрышек, связанных между собой гибкими тягами, причем часть структуры, расположенная ближе к центру отвала, включает в себя горизонтально расположенные автопокрышки, связанные между собой жесткой затяжкой.

Заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что в качестве элементов, позволяющих повысить устойчивость и емкость отвалов, снизить стоимость армирования, используют раздельную и прерывистую схему армирования нижней и верхней частей отвалов, заключающуюся в установке в приоткосных зонах объемных армирующих структур из горизонтально и вертикально расположенных автопокрышек, соединенных между собой гибкими тягами и жесткими затяжками, причем в качестве анкерной системы используется свод из автопокрышек, крайние из которых соединены жесткой затяжкой.

Способ повышения устойчивости отвалов основан на взаимодействии между отвальными породами и армирующими элементами за счет сил трения, вызванных гравитационными силами.

Армирование насыпей горных пород, в том числе отвалов, применяют, как правило в следующих случаях: 1) необходимо обеспечить усиленное уплотнение разрыхленных горных пород для повышения жесткости насыпи; 2) необходимо придать большую крутизну откосам насыпи; 3) необходимо разрешить проблемы устойчивости как откосов, так и системы сооружение - основание. Перечисленные задачи, в общем случае, решаются по следующей схеме: слабый грунт армируется прочными диафрагмами (структурами), укладываемыми, как правило, в горизонтальном направлении.

Необходимость применения различных схем армирования нижней и верхней частей отвала по предлагаемому способу вызвана рассмотрением технологий отвалообразований и соответствующих им схем передачи нагрузок от горно-транспортного оборудования. Одной из распространенных технологий является неупорядоченная отгрузка отвальной массы из различных забоев по периферии отвального фронта автосамосвалами. В этом случае, когда нет организации потоков вскрыши, четко различающихся составом пород и соответственно, физико-механическими свойствами, возможно образование ослабленных структур (прослоев) в теле отвала, имеющих неблагоприятное расположение с точки зрения устойчивости откосов. Например, резкое различие в крупности разрыхленных глинистых и песчаных пород (от мелких песчаных частиц до крупных глинистых глыб) приводит к образованию в нижней части ярусов более слабого слоя пород, преимущественно глинистого состава. При этом крупные куски пластичных глинистых пород, плохо поддающихся разрыхлению, скатываются к подошве отвала, создавая ослабленный слой в его основании. Таким образом, нижняя часть отвала нуждается в схеме армирования, учитывающей как возможность образования в ней неблагоприятных структур, приводящих к снижению устойчивости отвала в целом, так и необходимость увеличения крутизны откосов нижнего яруса.

Процесс деформирования верхней части отвала в большинстве случаев начинается с образования на верхней его площадке или площадках отвальных уступов трещин, появляющихся на различных расстояниях от верхней бровки. Причем трещины могут образоваться и в процессе деформирования отвала при состояниях устойчивости, далеких от предельного. Это связано с различием в плотности пород, складируемых в отвал, так и вследствие различной степени уплотнения поверхностного слоя горно-транспортным оборудованием - автосамосвалами и бульдозерами. Таким образом, в верхней части отвала создаются зоны с разной степенью уплотнения и соответственно с разными физико-механическими свойствами. При осадке отвала менее уплотненная зона, а следовательно, с более низкими характеристиками деформируемости и прочности получает и более значительную деформацию. Это ведет к разрыву сплошности и образованию трещин оседания, особенно при работе в этих зонах горно-транспортного оборудования. В этой связи ставится задача выравнивания и снижения деформаций двух разноуплотненных зон верхней части отвала путем увеличения в этих зонах сопротивления сдвигу и деформациям сжатия отвальных пород, а следовательно, и повышения несущей способности отвальных уступов и верхней площадки.

Процесс повышения устойчивости отвалов можно объяснить следующим образом. При размещении в нижней части отвала, например приоткосной зоне, объемных армирующих структур происходит переориентация поля деформаций, вызванных наличием неблагоприятных с точки зрения сопротивляемости сдвиговым деформациям, более слабых слоев с низкой несущей способностью. Другими словами, деформации пород отвала воспримут и перераспределят как отдельные элементы объемных армирующих структур, так и сама структура в целом в зависимости от характера расположения в теле отвала ослабленных слоев и прослоев. Препятствием на пути деформирующейся в горизонтальном направлении отвальной породы служит один из элементов объемной армирующей структуры - например, три вертикально расположенные и связанные между собой автопокрышки. Силовые воздействия отвальной породы на рассматриваемый элемент, передаются в четырех точках с помощью тросов на другой элемент объемной армирующей структуры - анкерную систему из горизонтально расположенных в виде свода и связанных между собой автопокрышек, причем для придания жесткости системе крайние автопокрышки соединены между собой жесткой затяжкой. Направление, в котором выгнут образующийся свод из автопокрышек, совпадает с направлением давления отвальных пород, которое противодействует смещению анкерной системы. Конструктивное оформление анкерной системы в виде свода с затяжкой позволяет обеспечить ей необходимую жесткость и достаточную площадь контакта с отвальными породами в направлении их деформации. Дополнительно, для увеличения сцепления с отвальными породами по длине тросов размещаются и жестко закрепляются к ним автопокрышки.

При размещении в отвальных слоях, предшествующих устройству берм, уступов и верхней площадки объемных армирующих структур, состоящих из горизонтально расположенных автопокрышек, происходит уменьшение и выравнивание неравномерных деформаций разноуплотненных зон в приоткосной части. Это становится возможным потому что обе зоны надежно связываются между собой по предлагаемой схеме армирования. При этом зона с более низкими механическими характеристиками отвальных пород приобретает повышенную сопротивляемость к деформациям сдвига и сжатия, так как указанные деформации будут частично восприниматься и перераспределяться элементами армирующих структур. Причем конструкция рассматриваемых структур должна обладать достаточной связностью с отвальными породами обеих зон, а также иметь такую форму, которая бы обеспечивала с ним совместную деформацию и передачу усилий на анкерную систему. Конструкция этой системы аналогична конструкции анкерной системы в нижней части отвала, но соединение с ней осуществляется в двух точках тросами, с прикрепленными на них автопокрышками.

На фиг. 1 показана объемная армирующая структура, состоящая из вертикально расположенных автопокрышек 1, тросов с автопокрышками 2, анкерной системы 3, затяжки 4. На фиг.2 показана объемная армирующая структура состоящая из горизонтально расположенных автопокрышек 5, тросов с автопокрышками 2, анкерной системы 3, затяжки 4. На фиг.3 слева показана схема армирования объемными армирующими структурами, справа - взаимное расположение армирующих структур на поверхности откоса; а, в, с, d, e - конструктивные размеры схем армирования.

Реализация способа осуществляется в следующей последовательности:
- в основании нижнего яруса отвала устанавливают вертикально, с определенным шагом группы связанных между собой автопокрышек 1;
- автопокрышки 1 в четырех точках соединяются тросовой связью 2 с анкерной системой 3, состоящей из группы автопокрышек, связанных между собой и горизонтально расположенных в виде свода, причем крайние автопокрышки соединяются между собой при помощи жесткой затяжки 4. По длине тросов 2 размещают и прикрепляют к ним автопокрышки. Последующие объемные армирующие структуры первого ряда формируют по аналогичной схеме;
- отсыпается первый, считая от основания, слой нижнего яруса отвала;
- на поверхности этого слоя монтируется второй ряд объемных армирующих структур, причем со смещением их относительно структур первого ряда;
- последующие слои нижнего яруса отвала армируются по аналогичной схеме;
- в приоткосных зонах верхних слоев отвала, предшествующих устройству берм, отвальных уступов и верхней площадки устанавливают горизонтально, с определенным шагом группы связанных между собой автопокрышек 5;
- автопокрышки 5 в двух точках соединяются тросовой связью 2 с анкерной системой 3, состоящей из группы автопокрышек, связанных между собой и горизонтально расположенных в виде свода, причем крайние автопокрышки соединяются между собой жесткой затяжкой 4. По длине тросов 2 размещают и прикрепляют к ним автопокрышки. Последующие объемные армирующие структуры первого ряда формируют по аналогичной схеме;
- производится отсыпка слоя, где производилась установка армирующих структур;
- на поверхности этого слоя монтируется второй ряд объемных армирующих структур, причем со смещением их относительно структур первого ряда;
- последующие слои верхней части отвала армируются по такой же схеме.

Работа предлагаемого способа повышения устойчивости отвалов заключается в следующем: при введении в тело отвала армирующих структур происходит изменение напряженно-деформированного состояния массива отвальных пород, а именно переориентация полей напряжений и деформаций, существовавших до введения армирующих структур. Причем характер деформирования верхней и нижней частей отвала с учетом работы горно-транспортного оборудования различен, особенно в приоткосных зонах. Эта и предопределило применение разных схем армирования нижней и верхней частей отвалов. Общим для них является:
- восприятие деформаций отвальных пород во взаимодействии с анкерными системами, препятствующими перемещению армирующих структур;
- существование внутри каждой армирующей структуры замкнутого объема отвальных пород, имеющего ограниченную, по сравнению с окружающим массивом, возможность деформирования.

Таким образом внутри отвала появляются армирующие структуры, которые пересекают возможные поверхности скольжения, эффективно противостоят различного рода деформациям и уменьшают вероятность перехода массива отвальных пород из равновесного состояния в неравновесное.

Различие в конструктивном оформлении объемных армирующих структур нижней и верхней частей отвала предопределено характером решаемых задач и соответственно условиями работы этих структур. Так, при введении в нижнюю часть отвала объемных армирующих структур дополнительно ставится задача увеличения угла его откоса. Для этого группы связанных между собой и с анкерными системами автопокрышек 1 устанавливают вертикально в виде подпорного сооружения ограниченных размеров. Тросовые связи 2 (см. фиг.1) с укрепленными на них автопокрышками, помимо основной функции - соединения с анкерной системой, служат и для частичного восприятия деформаций отвальных пород и снижения их активного давления.

Для объемных армирующих структур, вводимых в верхнюю часть отвала, основной задачей является уменьшение и выравнивание деформаций разноуплотненных зон приоткосной зоны, особенно при работе горно-транспортного оборудования. Эта задача решается посредством горизонтально установленных и связанных между собой и анкерной системой автопокрышек 5 (см. фиг.2). Дополнительно деформации разноуплотненных зон воспринимают тросовые связи 2 с укрепленными на них автопокрышками. Таким образом, частичное гашение и выравнивание деформаций разноуплотненных зон происходит за счет совместной работы армирующей структуры и анкерной системы. При этом рассматриваемые объемные армирующие структуры пересекают потенциально возможные поверхности скольжения, повышая устойчивость массива пород приоткосной зоны.

Наиболее оптимальное решение, касающееся конструктивных размеров схем армирования а, b, с, d, e (см. фиг.3) определяется в зависимости от конкретных условий отвалообразования на основании расчетов и технико-экономического сравнения вариантов.

Преимуществами описываемого способа являются:
- высокая надежность и эффективность работы предлагаемых схем армирования с применением анкерной системы;
- повышение устойчивости отвала ввиду наличия в его теле различно армированных зон, учитывающих особенности его возведения и эксплуатации;
увеличение углов откоса отвальных насыпей;
- низкая стоимость реализации способа вследствие применения прерывистой системы армирования отвала, где в качестве основного компонента армирующих структур предлагаются использованные автопокрышки и тросы от горно-транспортного оборудования;
- возможность решения проблем экологии, а именно - утилизации старых автопокрышек.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для повышения устойчивости насыпей горных пород, внешних и внутренних отвалов. Способ включает послойное укладывание в шахматном порядке в тело отвала армирующих элементов, в качестве которых используют объемные структуры из автопокрышек, соединенных между собой, с последующей отсыпкой грунта. Новым является то, что объемные структуры из автопокрышек соединяют между собой гибкими тягами и жесткими затяжками, причем в нижней части отвала каждую объемную структуру выполняют в виде вертикально и горизонтально расположенных автопокрышек, связанных между собой гибкими тягами. Технический результат изобретения состоит в повышении устойчивости и емкости отвалов за счет увеличения угла откоса. 3 ил.

Способ повышения устойчивости отвала, включающий послойное укладывание в шахматном порядке в тело отвала армирующих элементов, в качестве которых используют объемные структуры из автопокрышек, соединенных между собой, с последующей отсыпкой грунта, отличающийся тем, что объемные структуры из автопокрышек соединяют между собой гибкими тягами и жесткими затяжками, причем в нижней части отвала каждую объемную структуру выполняют в виде вертикально и горизонтально расположенных автопокрышек, связанных между собой гибкими тягами, причем часть структуры, расположенная ближе к центру отвала, включает в себя горизонтально расположенные автопокрышки, связанные между собой жесткой затяжкой, а в верхней части отвала каждую объемную структуру выполняют в виде горизонтально расположенных автопокрышек, связанных между собой гибкими тягами, причем часть структуры, расположенная ближе к центру отвала, включает в себя горизонтально расположенные автопокрышки, связанные между собой жесткой затяжкой.