Содержание к диссертации
Введение
1.Состояние изученности вопроса и задачи исследовании
1.1. Анализ условий применения бестранспортной системы разработки 8
1.2. Анализ методов оценки устойчивости откосов 16
1.3. Анализ мер борьбы с деформациями отвалов 20
1.4. Цель, задачи и методы исследований 27
1.5. Горногеологическая характеристика месторождений Кузбасса 33
2. Натурные наблюдения за устойчивостью внутренних отвалов на разрезах кузбасса
2.1. Тип, характер и причины деформаций отвалов 42
2.2. Закономерности деформаций внутренних отвалов 54
2.3. Влияние основных факторов на устойчивость внутренних отвалов 71
2.4. Физико-механические свойства пород отвалов и оснований 83
2.5. Типы оснований внутренних отвалов 91
3. Обоснование способов повышения устойчивости внутренних отвалов на слабом наклонном основании
3.1. Аналитический способ расчета устойчивости отвала на наклонном слоистом основании 103
3.2. Условия целесообразного применения противооползневых мер ИЗ
3.3. Закладка выработанного пространства вскрышными породами 120
3.4. Выемка слабого слоя из основания отвалов 128
3.5. Разворот фронта горных работ 132
3.6. Террасирование и взрывное рыхление основания 138
3.7. Проверка теоретических положений на моделях 144
4. Область применения и эффективность способов повышения устойчивости внутренних отвалов
4-.1. Параметры и область применения внутреннего отвалообразования без противооползневых мер 152
4-.2. Параметры и область применения различных способов повышения устойчивости отвалов 160
4.3. Технологические особенности ведения горных работ при использовании противооползневых мер 167
4-.4. Экономическая эффективность противооползневых мер 187
4-.5. Практическое использование результатов исследования 198
Выводы 202
Список литературы 205
Приложения 215
- Анализ методов оценки устойчивости откосов
- Закономерности деформаций внутренних отвалов
- Закладка выработанного пространства вскрышными породами
- Параметры и область применения различных способов повышения устойчивости отвалов
Анализ методов оценки устойчивости откосов
Определение устойчивости откоса производится.эмпирическили теоретически. Эмпирические методы, являясь обобщением езультатов лабораторных экспериментов или натурных наблюде ний в конкретной горногеологической обстановке, редко могут быть использованы в иных условиях[Х9] . Моделирование, как один из эмпирических методов, применяется преимущественно для решения частных задач устойчивости откосов: изучения закономерностей деформационных процессов, распределения напряжений в откосе, выявления роли различных факторов. Оно осуществляется с помощью оптически активных материалов, эквивалентных материалов и центрифуг [21,50,69,79] ...
Менее распространены статистические методы исследования, которые позволяют определить параметры устойчивых откосов, размеры возможных деформаций; эти ...способы требуют обширных фактических материалов, получить которые не всегда представляется возможным, а результаты обычно применимы в конкретных горногеологических условиях р9] . Теоретические методы оценки устой -чивости откосов наиболее широко используются в инженерной практике. Нехано-математической основой их является в большинстве случаев теория предельного равновесия грунтовых масс. Іри этом инженерный расчет устойчивости откоса должен включать [33, 79] : установление формы., и положения наиболее напряженной аоверхности в теле откоса; определение напряжений или сил, действующих по этой поверхности; сравнение действующих напряжений с допустимыми, определяемыми прочностью пород.
Для разрезов Кузбасса наиболее характерна отсыпка внутренних отвалов на наклонное слоистое основание, которое является и поверхностью ослабления с низкими прочностными свойствами юрод на границе отвал - основание или между слоями почвы їластов. Для расчета устойчивости откоса с залегающими в их ШССИЕЄ поверхностями ослабления наиболее распространены графические и графоаналитические способы, в основе которых лежит рассмотрение действия сил и реакции. К ним относят метод многоугольника сил, предложенный Г.М.Шахунянцеы [90] и развитый далее с учетом теории напряженного состояния Г.Л. Фисенко [8l], методы "оползневого давления" А.П.Ясюнас [94] , "наклонных сил" P.P.Чугаева [88] и др. Среди этой группы наиболее обоснованными и точными являются методы Г.М.Шахунянц, P.P.Чугаева, Г.Л.Фисенко, что отмечается рядом акторов ГІ, ХЗ, 33, 24 . В их работах показано, что если границы между блоками, на которые разбивается призма возможного обрушения, проведены как линии скольжения второго семейства по методу В.В.Соколовского [72] и реакции на, этих границах отклоняются от нормали к ним на угол внутреннего трения, ошибка графического расчета не превышает 1-1%. йо при высокой точности метод многоугольника сил в графическом виде требует многократных построений и расчетов для отыскания наиболее напряженной поверхности,и исключает возможность применения ЭВМ. Поэтому многими исследователями предложены аналитические способы определения устойчивости откосов. Точность расчета зависит от положения и формы вероятной поверхности скольжения, границ между блоками, направления реакций и полноты учета показателей сопротивления сдвигу пород этвалов и оснований [зз, 79].
Аналитические и графо-аналитичесше решения устойчивости эткосов отвалов на наклонном основании, которое ЯЕЛЯЄТСЯ поверхностью ослабления, приведены в работах Ц. X. Абегяна [і], ії.Н.Бернацкого [5], А.И.Васильева [8], В.В.Камшилова [зх] , О.Н.Малюшицкого [42], Т.К.Пустовойтовой и А.В.Пашкевича[65],;[..Шуберта [іOl] и других авторов [32,95,98,99].
Не вдаваясь в подробный разбор каждого из упомянутыхспособов, укажем лишь общие предпосылки, снижающие их точность. 1. Для упрощения аналитических выражений криволинейные поверхности в массиве откоса заменяются плоскими.2. Не отыскивается положение наиболее напряженной поверхности скольжения, по которой коэффициент запаса устойчивости наименьший, а принимается без обоснования для расчета поверхность, проходящая через верхнюю бровку откоса [і, 34, 79] .
Решение задачи.Ю.Н.Малюшицкиы, выполненное на.основе уравнения предельного равновесия откоса Л.Н.Бернацкого, в принципе позволяет определить положение наиболее опасной поверхности скольжения путем.дифференцирования уравнения или повторных многократных расчетов. Приведенное в его работе [42] , уравнение предельного равновесия для дифференцирования сложно и оно звтором не проводится.
Графо-аналитическими способами, предложенными Ц.Х. Абегя-ноы [і], Л.Н.Бернацким. [э], положение наиболее напряженной юверхности находится путем повторных расчетов. В таком виде . іредлокеннне.решения теряют основные преимущества перед графическим способом.3. Границы между "клином активного давления" и пассивной призмой упора" принимаются обычно вертикальными, а реакции зежду призмами - горизонтальными [34, 79J. .4.-В рассмотренных аналитических способах расчета устой-[ивости откосов угол встречи поверхности-скольжения в теле твала со слабым контактом в основании принимается различным: )т. нуля в, методе А.И.Васильева до(45+- J в решениях В.В.Кам-шлова, Ю.Н.Малюшицкого, .Т.К.Пустовойтовой и др. Величина это-ю угла наиболее обоснована в работе Г.Л.Фисенко [79] и определяется на основе положений теории предельно- напряженного зостояния с учетом прочностных свойств пород отвала и основания.
Закономерности деформаций внутренних отвалов
На основе анализа фактических случаев нарушений устойчивости ОТЕЭЛОВ установлено, что в Кузбассе характерны деформации трех типов: оплывины отвалов на нерабочем борту и оседание пород внутренних отвалов (тип А, классы соответственно П и і); оползни внутренних отвалов и отвалов совместно с бортом,обусловленные наличием поверхностей ослабления в основании откосов (тип Б, класс ХУ); оползни отвалов, не связанные с поверхностями ослабления в откосе (тип В, класс 7).
На рис.2.5 в виде гистограмм показано распределение деформаций по частным группировкам, причем, в каждой группе за 100% принимается число случаев, в которых зарегистрирован данный признак. Из гистограмм 1,2 следует, что в Кузбассе преобладают оползни типа Б-ІУ, составляя более 62% общего числа деформаций. При этом слабые контакты (поверхности ослабления) залегают на границе отвал - основание (подкласс "б" - 35, 5#), либо на некоторой глубине в подстилающих породах (подкласс "в" - 26,7%). Следует оговориться, что при разделении деформаций по классам не учитывалось оседание (класс A-I), поскольку оно свойственно всем отвалам пород нарушенного Словения . и при существующей технологии почти не оказывает влияния на устойчивость откосов.
Объектом проявления деформаций являются преимущественно внутренние отвалы, на которых зафиксировано более 60% всех нарушений устойчивости ( см.гистограмму з), а в 40случаев оползнями охвачены отвалы на борту траншей или совместно отвал-борт. Нарушение устойчивости внутренних ОТЕЭЛОВ характеризуется изменением линейных и угловых параметров откосов,показанных на рис.2.6. Под высотой отвала часто исследователи понимают различные величины. По нашему мнению, наиболее правильно определять высотные параметры отвала на наклонном основании по А.М.Демину [l9]: высота отвала - расстояние между верхней бровкой откоса и наклонным основанием по вертикали ( Н ), высота откоса ( /-/ ) разность высотных отметок низшей и верхней его бровок. В некоторых расчетах удобно использовать мощность отвальной насыпи (М0). Эти величины связаны между собой зависимостями:где S - угол падения основания отвала.
Линейные параметры нарушенной части откоса изменяются в весьма широком диапазоне как в пределах одного типа деформаций,так и в разных (табл.2.і).деформации типа 5-7 отличаются меньшими размерами и меньшей степенью нарушенности откоса,под которой понимается отношение параметров откоса после оползня и до него. Длина нарушенного участка по фронту при зтом типе деформаций не превышает 80 и, а параметры откоса уменьшаются лишь на 6%. Здесь деформированной оказывается только приоткосная часть.
Наиболее крупные по объему деформации характерны для ти -пов Б-ІУ и А-П (он. гистограмму 4 на рис. 2.5). Их объем достигает 480-630 тыс.м3 при длине по фронту 220-450 м и ширине захвата до 120-І40 м. Оползнями оказываются затронутыми как приоткосная часть,так и почти весь массив отвала по ширине. Они отличаются и большей нарушенностыо откосов: отношение параметров откоса после деформаций к первоначальным составляет 0,59-0,77. Б 95$ случаев деформации откосов связаны с наклонным основанием. С ростом углов падения подстилающих пород общее количество нарушений увеличивается," как например, для типа Б-ІУ, показанных на гистограмме 5 рис. 2.5.
Подстилающими породами отвалов,в которых формируется часть поверхности скольжения при оползнях контактного типа,обычно являются слои аргиллитов и алевролитов, разделенных тонкими прослоями углистых глин, углистых аргиллитов и пачек угля, часто имеющих зеркала, скольжения. Их распространенность показана на гистограмме б рис.2.5. Деформациям отвалов способствуют, также суглинки верхних вскрышных горизонтов, перемещенные в нижнюю часть отвалов,и слабые породы кровли и прослоев пласта, оставляемые на почве после зачистки и селективной выемки залежи.
По литологическому составу отвалы, для которых характерны деформации типа оплывин, состоят преимущественно из песчано-гли-нистых пород ( до 100%). Собственно внутренние отвалы в 52-67$ случаев сложены.полускальными породами междупластий (песчаниками и алевролитами , в меньшей степени (33-48$) представлены сыесью пеочано-глинистых и.полускальных пород.
Отличительной особенностью деформаций типа Л-П является отсутствие видимой поверхности скольжения (см.рис.2.1 г).0ПОЛ2г, ням этого типа сопутствуют "языки" в нижней части откоса, простирающиеся по склону на 100-150 м. Скорость перемещения оползающих пород достигает 3,5-5,0 м/сутки.
Для деформаций типа Б-ІУ характерны четко выраженные поверхности скольжения в.верхней части откоса ( см..рис. 2.3 б). Видимая часть этой поверхности в рыхлых отвальных породах верхних ярусов наклонена к горизонту под углом 57-7 2. В более плотных породах, например, на предотвале, верхняя часть которых уплотнена статическими и динамическими нагрузками работающих экскаваторов, поверхность скольжения выходит на поверхность под углом 90, образуя откос высотой от 1,5 до 5,5 м. В нижней части смещение
Закладка выработанного пространства вскрышными породами
Наш выделяются два вида задач, решаемых с помощью закладки ыработанного пространства вскрышными или отвальными породами: по-ышение. устойчивости.отвального, массива и остановка действующего ползня. Нами предложена [S3] методика расчета основных параметров акладки и области, рационального ее применения. Первая задача ре-ается путем отсыпки в выработанном пространстве за добычным экска-атором породных полос.от .откоса отвала до вскрышного борта. При том предполагается, что по всему фронту горных работ длиной Loна его. концах вслед за добычным экскаватором между.вскрышным и твальным откосами сооружается S полос . средней длинойЪ1 и рассто-нием между ними 1? (рис.3.4 а). Очевидно, что Lcp s3 +LS"1)f. бщая длина фронта уложенных пород в выработанном пространстве суммарная длина полос )/// 5- -/ , а относительная ее величина 2 равна отношению 1 = - = /Л . (3.39) Если отвальный откос неустойчив,то в теле отвала и закладки образуется поверхность скольжения, изображенная на рис.3.4.б ,кото-ая имеет сложную форму: криволинейную в теле отвала N 0, прямоли-ейную на контакте отвал-основание ОС,.криволинейную в теле закладні СД, для упрощения заменяемой прямой, выходящую на верхнюю поЕер-ность под углом #=45 - Р/2 [34,49j. При этом вероятная поверх-эсть скольжения ограничивает призму упора АВСЕ и призму.выпирания СД.-Силами и реакциями, действующими на единицу длины по фронту, вляются: J - разность сдвигающих и удерживающих сил, направленная со стороны неустойчивого отвального массива, "a. " Направление реакций определяется .углом внутреннего трения к нормали к соответствующей границе.. Для нахождения условия .предельного равновесия системы отвал- закладка необходимо определить величины реакций, для чего все силы проектируются на оси X и У. Условие равновесия вероятной,призмы сползания запишется в виде уравнений статики 2 Х=0, 17=0, в которые затеи подставляются величины сил і реакций с учетом геометрических параметров откоса и закладки. Для призмы упора ABGE эти условия выразятся как Из приведенных уравнений определяются величины реакций условие равновесия системы отвал-закладка (на основании третье о закона Ньютона считается, что ) = R3 ) учетом геометрических параметров закладки и отвала это условие апишется в виде: ной длины по фронту, & /и= тп1—г - длина поверхности скольжения в теле закладки, buiu У - объемная маоса пород отвала, ті - мощность уложенных пород, X - расстояние от нижней бровки откоса до вероятной поверхности скольжения в закладке. Анализ уравнения равновесия (3.41) показывает, что наихуд шие уоловия устойчивости системы отвал-закладка создаются при X = 0. Поверхность окольжения в закладке в этом олучае проходит через нижнюю бровку откоса (ВМ на рис.3.46), а уравнение (3.41) Z учетом наибольшей величины силы давления неустойчивого отвала їтах определенной уравнением (3.17), выражение (3.42) запишем в виде: де М0 _ оптимальная мощность отвальной насыпи, действенность закладки выработанного пространства как.средства ювышения устойчивости отвала, можно оценить геомеханическим критерием, для чего по графикам на рис. 2Д8 следует определить угол грения пород основания, эквивалентный мощности отвальной насыпи iQp. Это необходимо.для сравнения эффективности различных противооползневых мер. Если слабый контакт залегает на глубине т от по-3.0ШВЫ отвала, тоІз формул, (3.45-3.47) следует, что высота закладки зависит от. зысотных размеров отвала, прочностных свойств отвальных пород,сла-5ого контакта, его.мощности и угла его падения,относительной длины рронта уложенных пород., В табл. 3.2 приведены,.. как пример, расчи -ганные параметры закладки выработанного пространства для П типа основания при результирующем, угле откоса 31 и различной высоте. Зри этом считается, что слабым является непосредственный контакт отвал-основание, а высота устойчивых отвалоЕ изменяется в пределах 20-61 м при углах падения 8-180.
Из табл.3.2 следует, что с увеличением.высоты отвалов и уг-:ОБ падения основания возрастают высота и.длина фронта закладки, оверхность уложенных в .выработанном пространстве вскрышных или твальных пород при обычных схемах бестранспортной сие теш разра-отки должна использоваться как транспортный горизонт при вывозке. тля. По технологическим соображениям относительная высота заклад-и. не может превышать величины 0,1-0,3. Поэтому область применения акладки как. способа.повышения устойчивости при обычных технологи-еских схемах ограничена, о чем будет сказано ниже. .При частичной акладке выработанного пространства важным параметром является рас-:тояние между полосами . По данным натурных наблюдений ибъеыного моделирования (см. раздел З.б) оно - не должно превышать еличины!? 2 Ц - Ширина полос в зажісимосжг от их количества . определяется, из выражения (3.39), а общий объем улог.енных ород Vri при ширине заходки А3 по формуле:
Другая задача - остановка действующего оползня - решается пу ем пригрузки.основания и деформированного откоса отвальными илискрытными породами с целью воспрепятствовать механическому переме ениа оползневых масс.- На рис. 3.5 а показан откос отвала, затронутый оползнем кон актного типа длиной по Фронту La и пригруненный породами на лине Ln . Параметры пригрузки (длина, ширина, высота) определятся, как и ранее, методом многоугольника сил. Уравнение равновесия ригрупенного откоса имеет формуде -к - давление оползневых масс на улоненные в выработанном пространстве породы на единице длины по фронту.
Обозначив относительную длину пригрузки 2,= у , найдемуравнении (3.-48) давление оползневых масс определяется построе-ием многоугольника сил по фактическим данным или принимается рав-ым -іо тах согласно, вырзлению (З.І7). В последнем случае относи-ельная
Параметры и область применения различных способов повышения устойчивости отвалов
Область применения различных способов повышения устойчивости . ггвалов также .может быть охарактеризована,углами падения основания, іри которых их использование технически возможно и экономически шравдано..Она находится по формулам (3.46, 3.53, 3.65, 3.68), зешенным относительно углов падения основания, при экономически целесообразных параметрах внутренних отвалов, указанных в табл.4.3. 1а рис.4.5, 4.6, 4.7 показана область возможного использования ипараметры различных способов повышения устойчивости внутренних отвалов, позволяющих распространить бестранспортную систему разработки на более крутые пласты. Ниже приводится их краткая характеристика.
Возможности расширения области применения бестранспортнойсистемы разработки при использовании закладки выработанного пространства вскрышными породами ограничены. Ее применение целесообразно для предупреждения оползней типа Б при. глубоком залегании в почве пластов слабых контактов, когда применение других способов невозможно. При относительной мощности закладки 0,1-0,4 и І- П типах основание ее использование возможно при углах падения пластов от 2-8 до 8-14 ( см.рис.4.5 а). Этот способ повышения устойчивости отвалов наиболее приемлем для борьбы с потенциальными оползнями типа А, В, когда отвальный массив представлен слабыми породами. В виде пригрузки нижней части откоса этот способ может применяться для борьбы с действующими оползнями, вызванными наличием ела -бых пород как в основании, так и в теле отвала.
Наиболее радикальным и эффективным с технической точки зрения средством борьбы с оползнями типа Б являются взрывное рыхление и террасирование основания. Сооружение террас в основании отвалов рационально при углах падения.почвы пластов более 5-12 и глубине залегания слабых контактов менее 5-7 м,. как это следует из данных рис. 4.5 б и 4.6. Буровзрывное рыхление основания применимо во всем диапазоне углов падения, если слабые контакты залегают среди прочных пород на глубине до І0-І5 ы. Подготовку основания рыхлением и террасированием следует осуществлять на 20-80 площади полей разрезов в зависимости от углов падения и типа оснований ( см.рис.4.6 и 4.7 б). Сооружение террас в основании и изменение направления фронта горных работ совершенно не эффективны при горизонтальном и пологом (0-5) залегании пластов.
Результаты, приведенные на рис.4.7 в свидетельствуют, что изменение направления фронта горных работ как средство повышения устойчивости откосов, становится эффективный при углах падения основания более 5, достаточно прочных породах основания (П-Ш типа) и углах разворота 45-90. В целой изменение направления фронта отсыпки отвалов перспективно для снижения отрицательного влияния углов наклона основания (более 15-20) и крутых углов-откосов па устойчивость внешних и внутренних отвалов при вероятных оползнях типов А, Б. Удаление слабых пород из основания отвалов являетюя надежным средством.повышения устойчивости отвалов и их параметров во всем диапазоне углов падения пластов (0-20),. если новое основание представлено прочными породами (П-У типа). .
Выемка слабых пород из почвы пластов может производиться на 20-80/6 площади заходки в зависимости от углов падения. В конкретных условиях доля площади, на которой следует удалять слабые породы, определяется типом и. углами падения основания,и находится по . графику на рис.4.7а. Область применения этого.способа предупреждения деформации контактного типа ограничивается мощностью слабых пород в основании , которая по экономическим соображениям в условиях Ленинского района Кузбасса не должна превышать. 9-І4 м при фактически достигнутых, показателях себестоимости вскрыши.
Улучшение устойчивости откоса в результате применения противооползневых мер равноценно.увеличению прочности пород основания. Поэтому критерием..объективного сравнения и выбора наиболее подходящего из, них может служить .понятие., технической эффективности S под которой здесь понимается отношение коэффициентов трения ..пород контактов основания, достигнутых за счет применения противооползневых мер taJ M к необходимому для обеспечения устойчивости отвала оптимальных параметров Шрн
Приведенные на рис.4.8а зависимости технической эффективности от углов падения основания подтверждают вышеизложенные выводы об области применения различных способов повышения устойчивости отвалов. Графики расчитаны для П типа оснований при углах откоса отвала 31, ведении вскрышных и отвальных работ экскаваторами ЭШ-15/90, ЭШ-Ю/70, когда противооползневые меры применяются на 80$ площади поля разреза.
Далее рассмотрим технологические особенности применения противооползневых мер.Необходимость повышения устойчивости отвалов на наклонном слоистом основании требует проведения дополнительных работ по зпециальной подготовке почвы пластов и других защитных мер прорив оползней, которые и вызывают некоторые особенности технологических схем бестранспортной системы разработки.
Радикальным и технически целесообразным средством улучшения зтабильности отвалов во всем диапазоне углов залегания пластов івляется удаление слабых пород из почвы. При этом выемку слабой ючвы в зависимости от ее мощности целесообразно осуществлять:до ),5 м - бульдозером, 0,5-2,0 м - попутно добычным экскаватором, 1,0-6,0 - колесным погрузчиком во временный внутренний или сред-ітвами автотранспорта на внешний отвалы, более 5,0-6,0 м - мехло-іатой с вывозкой пород средствами транспорта во внешний отвал.
На рис.Ц.9а показана схема уборки пород слабого слоя экскаватором ЭКГ-4,6, который обычно применяется для добычи угля на всех действующих разрезах Кузбасса. По предложенной схеме после выемки угля на некоторой длине по фронту экскаватор по скользящему съезду возвращается в забой по слабому слою и за 1 2 прохода перемещает породы почвы во временный отвал у вскрышного борта (1-2 на рис.Л.9а). При разработке пород вскрыши следующей заходки объем 2, равный 60-70 м3 на І м длины по фронту, перемещается вскрышным экскаватором во внутренний отвал. Часть пород I объемом 35-40 м3 либо оставляется в приоткосной зоне, либо также экскавируется во внутренний отвал, если производится подрезка его нижнего яруса (положение откоса 3 ), либо средствами транспорта вывозится на внешний отвал. Таким образом, внутренний отвал на 0,8-1,0 ширины заходки складируется на прочное основание.
Для удаления пород слабого слоя почвы пластов мощностью до 5-6 м целесообразно использовать колесные погрузчики типа ПК-10 [WJ , которые по своей производительности соответствуют объемам работ на действующих участках разрезов Кузбасса и обеспечивают в данных условиях равные скорости подвигания вскрышных и добычных забоев.
Как и в ранее рассмотренной схеме, погрузчиками производится экскавация слоя почвы и формирование в выработанном пространстве временного отвала (рис.4.96), породы которого впоследствии частично или полностью перемещаются вскрышным драглайном в основной отвал.
Выемка слабой почвы позволяет возводить в выработанном пространстве 2-3 ярусные отвалы оптимальной высоты и общим углом откоса 31-34 на основании с падением до 12-18. Применение крупных моделей экскаваторов обеспечивает разработку по бестранспортной
