Способ повышения устойчивости отвалов вскрышных пород Российский патент 2023 года по МПК E01C3/04 E21C41/00 E02D17/18 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано в качестве мероприятий для повышения устойчивости внешних и внутренних отвалов вскрышных пород, также возможно его применение для укрепления основания дорожного полотна на открытых горных работах.

В настоящее время известно много способов укрепления грунтов. Например, использование вяжущих растворов для укрепления и уплотнения грунтов.

Известен способ укрепления грунтов (патент №2192517, заявка №2001103825, класс МПК Е02 D3/12, опубликован 10.11.2002). Известный способ предполагает обработку грунта водой и укрепляющей композицией, содержащей вяжущее и органическую добавку, с последующим уплотнением грунтовой смеси, в укрепляющую композицию дополнительно вводят цеолит и фермент-уплотнитель, в качестве вяжущего используют доломитовую известь, в качестве органической добавки - загрязнитель балласта, в качестве фермента-уплотнителя - поверхностно-активные вещества на основе протеинов и сахаров, обработку грунтов компонентами укрепляющей композиции и водой осуществляют одновременно в количестве 6-10% от массы грунта, причем обработку грунтов осуществляют укрепляющей композицией при следующем соотношении компонентов, маc. %: доломитовая известь (в пересчете на CaO+MgO) 40,0-50,0, цеолит (в пересчете на SiO₂) 25,0-40,0, загрязнитель балласта 20,0-24,0, фермент-уплотнитель 0,3-1,0, а в качестве фермента-уплотнителя используют сульфитно-спиртовую барду.

Недостатком известного способа является, сложный состав смеси, используемой для укрепления грунта, высокая стоимость, и не целесообразность использования способа для закрепления отвалов пустых и отработанных пород.

Известны способы укрепления грунтов при осуществлении гидроразрыва с нагнетанием цементного раствора. (патент №2439246, заявка 2010139075, опубликован 10.01.2012). Аналогичные способы используются, как правило, при проведении инженерной подготовки строительных площадок. Не рентабельны при укреплении отвалов пустых пород. И при их применении не возможна дальнейшая рекультивация земель.

Известен способ укрепления грунта (патент №2768348, заявка 2021119946, класс МПК Е02 D3/12, опубликован 23.03.2022).

Известный способ укрепления грунта включает смешивание грунта с гидролизным лигнином, с последующим введением акрилового или стирол-акрилового латексного полимера, предварительно смешанного с водой, при следующем содержании компонентов, мас.%: грунт 70, гидролизный лигнин 8-12, акриловый или стирол-акриловый латексный полимер 7-9, вода 11 или 13.

Недостатком известного способа является то, что для целей дорожного строительства способ может быть использован, но для укрепления отвалов пустой породы с последующей рекультивацией земель это способ использован быть не может.

Известен способ укрепления грунта и устройство для его осуществления (патент №2269625, заявка №2004113962, класс МПК E02 D17/20, опубликован 10.02.2006).

Известный способ укрепления грунта включает выполнение кладки из строительных элементов путем послойного их размещения с чередованием со слоями из ткани. В качестве строительных элементов используют необработанные камни, при этом осуществляют соединение слоев камней между собой с использованием ткани, пропитанной клеем, обеспечивающим эластичность соединения слоев камней. Устройство для укрепления грунта содержит кладку из слоев строительных элементов, чередующихся со слоями из ткани. В качестве строительных элементов использованы необработанные камни, при этом слои камней скреплены между собой посредством клеевого соединения с использованием ткани, пропитанной клеем, обеспечивающим эластичность соединения слоев камней. Способ используется при укреплении берегов рек.

Недостатком известного способа является то, что при укреплении отвалов пустых горных пород на больших площадях, известный способ не обеспечить надежной эффективности укрепления и устойчивости на длительный период отвала.

В настоящее время известны конструкции полимерных сеток (георешеток) (патенты RU2579090 RU2152479 CH652155 JP56016730).

На основании изучения известного уровня техники в данной области предлагается способ повышения устойчивости отвалов грунта с использованием полимерной сетки, например георешетки.

Техническим результатов предлагаемого изобретения является обеспечивание устойчивости грунта в отвале и исключение сползания его и деформации почвы.

Экскавация грунта при проведении горных работ влечет, как правило, серьезные нарушения природной среды. Вопрос экологичности, эстетичности нарушенных земель, а также вопрос возможности их рекультивации остается актуальным.

Предлагается способ повышения устойчивости отвалов вскрышных пород, включающий выравнивание и планировку площадки под отвал породы, разметку укладки полимерной сетки (например, георешетки).

Отличием является то, что каждый ярус формируют слоями породы на полимерных сетках уложенных рядами внахлест, скрепленными хомутами через каждый метр, первый слой порода мелкой фракции до 70мм с установленными в нем Y-образными якорями, второй слой порода средней фракции от 71 мм до 150 мм, третий слой порода фракцией более 150мм, высота первого слоя и второго слоев по 1,5 м, каждый слой равняют и утромбовывают, под первый ярус полимерные сетки укладывают в поперечном направлении, ярус формируют общей высотой 30 м, после чего укладывают полимерные сетки в продольном направлении опуская до уровня нижней полимерных сеток и закрепляют в стыке хомутами, следующий ярус формируют отступая от края не менее 5 м в той же последовательности, направление укладки породы в каждом слое от отвала к краю, угол яруса от 37° до 45°, каждый ярус закрепляют на стыке путем соединения полимерных сеток.

Якорь по п.1 способа повышения устойчивости отвалов грунта выполнен из металла. Якорь имеет Y-образную форму с высотой нижней части 10 см, конец нижней части выполнен заостренным, угол раскрытия верхней части 120°.

По другому пункту формулы способ повышения устойчивости отвалов вскрышных пород, включающий выравнивание и планировку площадки под отвал породы, разметку укладки полимерной сетки (например, георешетки), формирование ярусов породы.

Отличием является то, что каждый ярус формируют слоями породы на полимерных сетках, уложенных рядами внахлест, скрепленными хомутами через каждый метр, первый слой порода мелкой фракции до 70мм, второй слой порода средней фракции от 71 мм до 150 мм, третий слой порода фракцией более 150мм, высота первого слоя и второго слоев породы по 1,5 м, каждый слой равняют и утрамбовывают, под первый ярус полимерные сетки укладывают в поперечном направлении, ярус формируют общей высотой 30 м, после чего укладывают полимерные сетки в продольном направлении опуская до уровня нижней полимерных сеток и закрепляют в стыке хомутами, следующий ярус формируют отступая от края не менее 5 м в той же последовательности, направление укладки породы в каждом слое от отвала к краю, угол яруса от 37° до 45°, каждый ярус закрепляют на стыке путем соединения полимерных сеток.

При осуществлении способов предпочтительно использовать полимерную сетку (георешетку) Ультранит 50/50-40 СТО 46487778-002-2015, Геосетка СД 40, Георешетка Геостаб и др. Но при этом возможны варианты использования полимерной сетки.

Увеличение коэффициента сцепления породы в отвале достигается за счет нескольких этапов выполнения предлагаемого способа.

Осуществление предлагаемых способов начинается с подготовительных работ. Производится подготовка площади для укладки полимерной сетки (георешетки), подготавливаемую поверхность выравнивают бульдозерной техникой. Ровный слой площадки, на которую укладывают полимерную сетку является существенным признаком, сетка укладывается без прогибов ровно, что позволяет в дальнейшем качественно формировать послойную раскладку грунта. Первый слой полимерной сетки (георешетки) укладывают в поперечном направлении. На стыках полимерная сетка (георешетка) укладывается внахлест, для более надежного ее скрепления. Надежность крепления стыков является существенным признаком, который предотвращает расхождение стыков и нарушение устойчивости отвала.

Сущность предлагаемого способа показана на фиг.1 где показана уложенная полимерная сетка, зафиксированная хомутами, фиг.2 - где показан внешний вид применяемых хомутов, на фиг.3 сформированный отвал, на фиг.4 схематично показана укладка двух ярусов полимерной сетки, где полимерная сетка показан 1, слой слой порода мелкой фракции до 70мм 2, порода средней фракции от 71 мм до 150 мм показан 3, место стыка полимерной сетки показано 4, угол α - угол яруса от 37° до 45°, h показана высота яруса, которая может быть 30м.

Полимерные сетки накладываются внахлест и закрепляются хомутами. В качестве хомутов используются замки-стяжки. Хомут выполнен из пластика в виде ремешка размером 200 мм на 8 мм, один конец которого снабжен замочком. Общий вид предполагаемого хомута показан на фиг.2. Хомуты закрепляют через каждый 1 метр. При сползании грунта возникают силы напряжения на разрыв сцеплений, расположение хомутов более чем через 1 метр может значительно снизить ее эффективность и технический результат не будет достигнут. Может возникнуть эффект расползания сеток в месте стыков. Признаки «укладка полимерных сеток внахлест», закрепление стыков полимерных сеток хомутами, расположение при этом хомутов на расстоянии 1 м позволят сохранить надежное крепление стыков полимерных сеток и предотвратить нарушение отвала, сползание грунта.

Но в данном случае в качестве хомутов могут быть использованы и гвозди, дюбели, скобы, анкера Г-образные и др.

Для повышения коэффициента сцепления породы и полимерной сетки, исключения скатывания отдельных частей отвала в одном независимом пункте формулы изобретения используют Y-образные якоря, которые устанавливают в одном слое по периметру полимерной сетки, а в другом слое по диагонали. Такое расположение якорей позволяет распределять возникающие нагрузки и усилить коэффициент трения при удержании на определенной площади породы.

В каждом слое вначале насыпают породу мелкой фракции слоем 1,5 м, заполняя полимерную сетку и покрывая Y-образные якоря, которые за счет повышения коэффициента трения удерживают породу, затем насыпают породу более крупной фракции.

Высота каждого слоя формируется около 3 м, где 1,5 м породу мелкой фиксации, 1,5 м породу крупной фиксации. Породу мелкой фиксации не деформирует полимерную сетку во время разгрузки и разравнивания грунта бульдозером, затем насыпают породу крупной фракции. Подобная технология позволяет надежно утрамбовывать породу и качественно закрепить полимерную сетку не повредив ее и не сместив её, что в дальнейшем позволяет достигнуть заявленный технический результат обеспечить устойчивость породы в отвале и исключить сползания его. Вскрышная порода мелкой фракции от 0 мм до 70 мм, вскрышная порода крупной фракции от 70 мм до 1300 мм.

Высота одного яруса отвала 30 м является оптимальной так, как это обеспечивает устойчивость отвала согласно Проектной документации. При большей высоте снижается устойчивость породы в отвале, т.к. может быть его сползание, сход и т.д. После того, как сформировали ярус укладывают полимерную сетку в продольном направлении опуская до уровня нижнего слоя полимерной сетки и закрепляют в стыке хомутами. Получается ярус «обернут» полимерной сеткой, порода (грунт) удерживается и не осыпается. Такой способ формирования яруса отвала удерживает породу от сползания и осыпания. Угол нижнего яруса от 37° до 45°. При этом формируют определенную высоту отвала до 300 м. Угол менее 37° не позволяет выстроить отвал определенной высоты без расширения используемой под отвал площади, угол более 45° создает риск осыпания породы, так как возрастают нагрузки под силой тяжести породы и создается риск скатывания породы. Производят расчет устойчивости чтобы определить оптимальный устойчивый угол отвала.

Формируют следующий ярус, где Y-образные якоря располагают по-другому. Распределяются напряжения, создаваемые в породе. Высота нижней части якоря 10 см является достаточной для того, чтобы якорь закрепить до момента заполнения породой. Угол раскрытия верхней части 120° является оптимальным при заполнении породой полимерной сетки и создания сцепляемости с породой и полимерной сеткой. Угол раскрытия менее 120° может создавать сопротивления при загрузке породы, и якорь может быть поврежден, изогнут и т.д., таким образом будет снижен эффект использования якорей. Угол раскрытия более 120° приведет к тому, что якорь фактически сольется с поверхностью полимерной сетки и не выполнить заданной ему функции, усилить силу трения и усилить фиксацию породы в отвале. Использование Y-образных якорей способствует повышению устойчивости породы в отвале и удержании его от сползания.

При формировании следующих ярусов породы по технологии отступают от края не менее 5 метров. Указанное расстояние является существенным признаком. Сила тяжести грунта (породы) следующего яруса направлена не на край, а смещается к центру отвала. «Обернутый» по описанной выше технологии ярус укладывается без риска осыпания по краям. Признак является существенным и находится в причинно-следственной связи с заявленным техническим результатом.

Полимерная сетка (георешетка) способствует равномерному распределению напряжений, создаваемых в отвале горных пород, Y-образные якоря за счет коэффициента трения увеличивают коэффициент сцепления горной породы и полимерной сетки, расположение полимерных сеток внахлест и фиксация их хомутами увеличивает прочность их соединения между собой и исключает их расползание и сползание. Следовательно, признаки формулы изобретения обеспечивают заявленный технический результат и устойчивость отвала и исключение сползания грунта.

Использование таких признаков как расположение слоев полимерной сетки внахлест, использование Y-образных якорей, закрепление полимерной сетки заворотом и закреплении их краев, последовательная загрузка породы сначала мелкой фракции затем крупной фракции в совокупности создает внутренний усилия в отвале грунта, распределяет силы напряжения, усиливает трение внутри отвала и в породе и между породой и полимерной сеткой, что сдерживает породой от сползания. В совокупности признаки изобретения обеспечивают устойчивость самого отвала, исключается его сползание и осыпание.

Предлагается другой вариант способ повышения устойчивости отвалов вскрышных пород, включающий выравнивание и планировку площадки под отвал породы, разметку укладки полимерной сетки, формирование ярусов породы.

Отличием является то, что каждый ярус формируют слоями породы на полимерных сетках уложенных рядами внахлест, скрепленными хомутами через каждый метр, первый слой порода мелкой фракции до 70мм, второй слой порода средней фракции от 71 мм до 150 мм, третий слой порода фракцией более 150мм, высота первого слоя и второго слоев породы по 1,5 м, каждый слой равняют и утрамбовывают, под первый ярус полимерную сетку укладывают в поперечном направлении, ярус формируют общей высотой 30 м, после чего укладывают полимерную сетку в продольном направлении опуская до уровня нижней полимерной сетки и закрепляют в стыке хомутами, следующий ярус формируют отступая от края не менее 5 м в той же последовательности, направление укладки породы в каждом слое от отвала к краю, угол яруса от 37° до 45°, каждый ярус закрепляют на стыке путем соединения полимерных сеток.

Осуществление способа аналогично описанному выше, отличием является отсутствие якорей.

Оба способа позволяют достичь заявленный технический результат. При формировании отвала выбор способа зависит от состояния породы. При породе более мелкой используют, как правило, второй вариант осуществления способа без якорей. В случае если порода разной фракции и преобладает более крупная фракция грунта, используют способ с установкой якорей.

Еще один способ повышения устойчивости отвалов вскрышных пород, включающий выравнивание и планировку площадки под отвал породы, формирование ярусов породы.

Отличием является то, что под первый ярус укладывают стальные канаты через 1 метр друг о друга, закрепляют их анкерным креплением в грунт и между собой стальной проволокой, затем насыпают породу высотой до 30 метров, затем в перпендикулярном направлении укладывают следующий слой канатов, закрепляют между собой стальной проволокой, насыпают следующий ярус, затем повторяют меняя направление укладки канатов.

Использование стальных канатов позволяет увеличить сцепление породы за счет увеличения силы трения. Скрепленные между собой канаты образуют сетку, которая обеспечивание устойчивость грунта в отвале и исключает сползания его и деформацию почвы.

Для повышения устойчивости отвалов возможно применение отработанных канатов от экскаваторов. Канаты раскладываются перпендикулярно в основание будущего яруса, возможно их закрепление между собой стальной проволокой и почве основания анкерами. Таким образом канаты образуют поверхность с увеличенным сцеплением.

Отвал может быть также скреплен канатами и по бокам.

В данном случае используют анкерное крепление типа «анкерный болт с крюком».

Использование анкерного крепления в первом слое укладки канатов позволяет обеспечить устойчивость первого яруса при загрузке породы.

Предлагаемые способы (с якорями и без них) были использованы на ООО «Разрез Кийзасский» в укреплении основания призмы упора Северо-западного отвала. Для этого была выполнена планировка основания бульдозером. Далее вручную раскатана полимерная сетка на спланированную поверхность. Полимерная сетка была уложена в нахлест с перекрытием в 1 метр и скреплена между собой пластиковыми хомутами. Далее полимерная сетка засыпана породой мелкой фракцией слоем в 1,5 метра. После отсыпки слоя в 1,5 метра, будет сверху накрываться вскрышной породой. Далее формировались ярусы. Также подобная технология была применена на АО «Сибирский Антрацит». На фиг.1 и фиг.3 показаны съемки с уже сформированных таким образом отвалов. Промышленная применимость способов доказана при практическом их использовании.

Использован и способ повышения устойчивости отвалов с закладкой стальных канатов. Использовались канаты отработанные от экскаваторов. Кроме заявленного технического результата получена экономия, за счет использования подлежащих утилизации канатов.

Были использованы все независимые пункты изобретения. Как показала практика использование Y-образных якорей может позволить увеличить устойчивость отвала.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для повышения устойчивости внешних и внутренних отвалов вскрышных пород и для укрепления основания дорожного полотна на открытых горных работах. Технический результат - обеспечение устойчивости грунта. Способ повышения устойчивости отвалов вскрышных пород представлен в трех вариантах. Способ включает выравнивание и планировку площадки под отвал породы, разметку укладки полимерной сетки. Каждый ярус формируют слоями породы на полимерных сетках, уложенных рядами внахлест, скрепленных хомутами через каждый метр и с установленными Y-образными якорями. Сначала насыпают первый слой породы мелкой фракции до 70 мм, затем второй слой породы средней фракции от 71 до 150 мм, третий слой породы фракцией более 150 мм. Высота первого слоя и второго слоя составляет по 1,5 м, каждый слой равняют и утрамбовывают. Под первый ярус полимерную сетку укладывают в поперечном направлении, ярус формируют общей высотой 30 м. После чего укладывают полимерную сетку в продольном направлении, опуская до уровня нижней полимерной сетки, и закрепляют в стыке хомутами. Следующий ярус формируют, отступая от края не менее 5 м в той же последовательности, направление укладки породы в каждом слое от отвала к краю. Угол яруса составляет от 37° до 45°, каждый ярус закрепляют на стыке путем соединения полимерных сеток. Предложен вариант без использования якорей и вариант с использованием стальных канатов. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ повышения устойчивости отвалов вскрышных пород, включающий выравнивание и планировку площадки под отвал породы, разметку укладки полимерных сеток, формирование ярусов породы, отличающийся тем, что каждый ярус формируют слоями породы на полимерных сетках, уложенных рядами внахлест, скрепленными хомутами через каждый метр и с установленными Y-образными якорями, сначала насыпают первый слой породы мелкой фракции до 70 мм, затем второй слой породы средней фракции от 71 до 150 мм, третий слой порода фракцией более 150 мм, высоту первого слоя и второго слоя выполняют по 1,5 м, каждый слой равняют и утрамбовывают, под первый ярус полимерные сетки укладывают в поперечном направлении, ярус формируют общей высотой 30 м, после чего укладывают полимерные сетки в продольном направлении, опуская до уровня нижних полимерных сеток, и закрепляют в стыке хомутами, следующий ярус формируют, отступая от края не менее 5 м в той же последовательности, при этом направление укладки породы в каждом слое от отвала к краю, угол откоса каждого яруса составляет от 37° до 45°, каждый ярус закрепляют на стыке путем соединения полимерных сеток.

2. Способ повышения устойчивости отвалов вскрышных по п.1, отличающийся тем, что якорь имеет Y-образную форму с высотой нижней части 10 см, конец нижней части выполнен заостренным, угол раскрытия верхней части 120°.

3. Способ повышения устойчивости отвалов вскрышных пород, включающий выравнивание и планировку площадки под отвал породы, разметку укладки полимерных сеток, формирование ярусов породы, отличающийся тем, что каждый ярус формируют слоями породы на полимерных сетках, уложенных рядами внахлест, скрепленных хомутами через каждый метр, сначала насыпают первый слой породы мелкой фракции до 70 мм, затем второй слой породы средней фракции от 71 до 150 мм, третий слой породы фракцией более 150 мм, при этом высоту первого слоя и второго слоя породы по 1,5 м, каждый слой равняют и утрамбовывают, кроме того, под первый ярус полимерные сетки укладывают в поперечном направлении, ярус формируют общей высотой 30 м, после чего укладывают полимерные сетки в продольном направлении, опуская до уровня нижних полимерных сеток, и закрепляют в стыке хомутами, следующий ярус формируют, отступая от края на 5 м в той же последовательности, направление укладки породы в каждом слое от отвала к краю, угол откоса каждого яруса от 37° до 45°, каждый ярус закрепляют на стыке путем соединения полимерных сеток.

4. Способ повышения устойчивости отвалов вскрышных пород, включающий выравнивание и планировку площадки под отвал породы, формирование ярусов породы, отличающийся тем, что под первый ярус укладывают стальные канаты через 1 м друг от друга, закрепляют их анкерным креплением в грунт и между собой стальной проволокой, затем насыпают породу высотой до 30 м, затем в перпендикулярном направлении укладывают следующий слой канатов, закрепляют между собой стальной проволокой, насыпают следующий ярус, затем повторяют, меняя направление укладки канатов.