Обеспечение устойчивости отвала при наращивании его высоты

В ходе ведения открытых горных работ возникает необходимость увеличения высоты отвалов. В то же время с увеличением высоты отвала в отвальных породах могут возникать напряжения, приводящие к появлению недопустимых деформаций и потере устойчивости откоса. Предварительная оценка состояния отвалов и управление устойчивостью откосов являются актуальными проблемами горного производства.

Анализ современного уровня и тенденций развития технологии отвалообразования позволяет сделать вывод о зависимости решения проблемы от разработки комплекса технических мероприятий, направленных на обеспечение устойчивого состояния отвальных насыпей. При этом особое внимание должно быть уделено методам оценки и сопоставления связанных с этим затрат. Мероприятия по формированию отвалов наибольшей высоты являются целесообразными и с точки зрения сохранения существующих экосистем в связи с уменьшением площади изымаемых под отвалы земель.

В Читинском государственном техническом университете проведены исследования, направленные на увеличение высоты отвалов на разрезе «Уртуйский» в Забайкалье. На основании результатов исследований предложены требуемые конструктивные и технологические меры. Наращивание высоты отвала слоями потребовало проверки его устойчивости аналитическим методом при известных физико-механических характеристиках слагающих эти слои пород. Выполнена прогнозная оценка эффективности введения тросовых тяжей в массив отвала и управляемой отсыпки отвала породами с заданными свойствами на отдельных участках.

Осуществлена проверка устойчивости откосов при реализации этих мероприятий.

Рассматривается откос внешнего автомобильного (бульдозерного) отвала. Высота отвала варьируется в пределах 5-30 м. В результате вычислений методом конечных элементов была определена высота предельного откоса, при которой обеспечивается его устойчивое состояние, исключается значительное деформирование.

При оценке эффективности армирования откоса тросовыми тяжами в расчетах использованы физико-механические характеристики отсыпаемых в отвал пород, определенные ранее для разреза «Уртуйский». Породы в отвал отсыпались на разных стадиях и в различных соотношениях литологических разностей, которые определить или прогнозировать достаточно сложно или даже невозможно. Для расчетов выбраны наиболее слабые с точки зрения устойчивости откоса отвальные смеси с преобладанием глинистого материала. Их характеристики для основной части отвала: модуль деформации Е = 8000 кПа; угол внутреннего трения φ = 18°; коэффициент Пуассона v = 0,3; удельный вес γ = 20 кН/м³; удельное сцепление с = 60 кПа. Для ослабленной зоны у его края приняты характеристики: Е = 3000 кПа; φ = 18°; v = 0,3; γ = 20 кН/м³; с = 40 кПа.

При высоте Н = 20 м отвал с приводимыми характеристиками теряет устойчивость и деформируется. Поэтому варианты вычислений ограничивались в дальнейшем высотой. В расчетную модель включен слой основания под отвалом. Горизонтальными линиями выделены этапы формирования слоев до высоты отвала 5; 10; 15 и 20 м. Штриховкой обозначена ослабленная зона отвала откоса шириной 4,7 м с отличными от остального отвального массива характеристиками пород.

Расчет устойчивости отвала выполнялся методом конечных элементов при разбивке части основания и слоев отвала на треугольные конечные элементы. Применено упругопластическое решение задачи с использованием модели Кулона-Прандтля.

На первом этапе вычислений производился расчет отвала без усиления с перечисленными выше физико-механическими характеристиками и размерами. При высоте 5; 10 и 15 м отвал находился в устойчивом состоянии, хотя несколько элементов перешли в пластическое состояние. При расчете отвала высотой 20 м отмечалось значительное деформирование откоса.

Для обеспечения устойчивости отвала высотой 20 м предложено использовать армирование его массива гибкими тросовыми тяжами. Авторами разработаны и предложены разные схемы армирования отвала с применением использованных автопокрышек использованных тросов от горно-транспортного оборудования как основных элементов плоских и объемных армирующих структур. Общим для этих схем является то, что одновременно с послойной отсыпкой в теле отвальной насыпи устанавливаются армирующие структуры, которые пересекают возможные поверхности скольжения, эффективно противостоят деформациям и уменьшают вероятность перехода массива отвальных пород из равновесного состояния в неравновесное.

В схеме армирования яруса отвала тросовые тяжи соединены с несколькими анкерующими элементами, в виде автомобильных покрышек. Линиями здесь обозначены тросовые тяжи, кружками - точки их анкерования. Из технологических и конструктивных соображений принимается вариант укладки тросов в горизонтальной плоскости, хотя чаще тяжи и анкеры предлагается устанавливать под острым углом к направлению смещения сдвигаемой части массива. Как показали вычисления, устойчивость отвала высотой 20 м обеспечивается укладкой двойных горизонтальных тросовых тяжей диаметром 38 мм суммарной площадью сечения А = 2 х 0,000505 = 0,00101 м² при шаге укладки в плане 4 м. Длина каждого троса составляет 40 м. Через каждые 10 м по длине выполняется анкерование тросовых тяжей шинами.

Армированный таким способом отвал высотой 20 м сохраняет свою первоначальную форму. Обширные деформации и перемещение отвальных пород по склону отсутствуют. В то же время в отвальном массиве наблюдаются отдельные незначительные пластические зоны и трещины на расстоянии 11 м от бровки, а также в правой части отвала на глубине 5-20 м от поверхности в зоне, не охваченной тросовыми тяжами. Выполненные расчеты позволяют проследить за изменением полей напряжений в отвале с увеличением высоты и включением в него армирующих элементов. Вертикальные напряжения σ_у в основном определяются весом вышележащей породы. По этой причине в отвале высотой 15 м и менее напряжения σ_у практически не изменяются с появлением в массиве армирующих стержней.

Распределение горизонтальных напряжений σ_х в отвале высотой 15 м показывает, что наличие тросовых тяжей разгружает нижнюю часть откоса, в которой и отмечаются наибольшие по величине напряжения, создающие угрозу потери устойчивости. С увеличением высоты отвала от 15 до 20 м горизонтальные напряжения σ_х увеличиваются примерно в 1,5-2 раза. В отвалах высотой 15 и 20 м наибольшие напряжения σ_у возникают у их основания правее бровки. Наибольшие напряжения ох при этом отмечаются у нижней точки откоса и достигают 220 кПа.

Контролировалась также величина продольных усилий в армирующих тяжах. Наибольшей величины эти усилия достигают в отвале высотой 20 м в тросах, расположенных в самом нижнем ряду. Все тросовые тяжи испытывают деформации растяжения.

Таким образом, схема усиления отвала тросовыми тяжами при его высоте 20 м обеспечивает устойчивое состояние насыпи с соответствующим напряженно-деформированным состоянием массива. Характерной особенностью такого состояния является сокращение до минимума зон пластических деформаций.

Исследовано влияние изменения параметров пород отвала с и φ в пределах 10% на максимальную продольную силу в армирующих стержнях-тросах (см. таблицу).

 

 

Продольные силы в стержнях при изменении с и φ

Номер стержня	Удельное сцепление с, кПа			Угол внутреннего трения φ, градус
	54	60	66	16,2	18	19,8
1.	375/6	352/5	334	375/6	352/6	331
2.	670/10	604/5	571	678/11	604/7	562
3.	379/10	665/6	626	756/12	665/8	615
4.	925/12	815/10	736	980/17	815/12	720
Примечание. Над чертой - абсолютные значения показателя, Под чертой - расхождение, %.

 

Анализ результатов показывает, что влияние обоих параметров возрастает для нижних наиболее напряженных стержней. С уменьшением параметров с и φ продольные силы изменяются в значительно большей степени, чем при таком же возрастании этих величин. Степень влияния угла внутреннего трения на величину продольной силы в армирующих тяжах более значительна.

Управление укладкой пород с заданными свойствами предусматривает отсыпку наклонного слоя породы с лучшими механическими характеристиками со стороны откоса (зона, ограниченная пунктирной линией). Известно, что высоту отвала, отсыпаемого из разнопрочных пород, можно значительно увеличить, если отсыпать приоткосную часть отвала из пород высшей категории прочности.

Практический интерес представляет анализ влияния отдельных параметров прочности отвальных пород на такой способ формирования отвала. В качестве примера может быть рассмотрено уменьшение сцепления у пород, укладываемых во внутреннюю часть отвала. Такая ситуация возможна при неуправляемой валовой отсыпке вскрышных пород, когда основная часть отвала формируется из пород преимущественно песчаного состава с минимальным сцеплением и достаточно высоким углом внутреннего трения.

Для рассматриваемой схемы формирования отвала были проведены расчеты. Основание отвала и приоткосный слой толщиной 10м состояли из породы с преобладанием глинистого материала γ = 21,4 кН/м³; φ = 16°; с = 90 кПа). Основная часть отвального массива характеризовалась параметрами γ = 20 кН/м³; φ = 37°; с - 10 кПа.

Сформированные таким образом отвалы высотой 5; 10; 15 и 20 м сохраняли устойчивое состояние, хотя песчаная порода основной части отвала высотой 20 м находилась в пластическом состоянии, и наблюдались разрывы в небольшой зоне у основания откоса и правой верхней части расчетной модели. Для сравнения были рассчитаны отвалы аналогичных размеров, полностью сформированные из более слабых пород; откос такого отвала теряет устойчивость при его высоте 20 м и изменяет при этом свою форму.

Выполнено сравнение напряжений в устойчивом отвале высотой 15 м из пород преимущественно песчаного состава и с отсыпкой защитного слоя из пород с преобладанием суглинка, уложенного у откоса. Наибольшие значения напряжений в обоих случаях наблюдались в нижней части приоткосной зоны.

Горизонтальные напряжения ах в удаленной от края откоса части отвала остаются одинаковыми. Ближе к откосу в отвале, защищенном слоем суглинка, горизонтальные напряжения больше, чем в таком же отвале из песчаной породы, на 5-15%. Часть нагрузки воспринимается слоем суглинка. В основании отвала с защитным слоем из суглинка отмечается рост максимальных горизонтальных напряжений, достигающих в отдельных точках 50%.

Аналитические прогнозы состояния откосов можно считать достоверными лишь в тех случаях, когда физико-механические свойства массива определяются непосредственно в карьере с использованием методик, критерием надежности которых является возможно более полный учет действительного напряженного состояния массива в месте отбора образца.

 

Порядок производства работ

1. Производится подготовка площадок бульдозером Т-500 (Т-170) под армирование опытного отвала размером 20 * 40 м и рядом - не армированного. Общий размер площади под отвалы составит 50 * 60 м.

Подсыпка площадок и последующее формирование отвалов осуществляется автосамосвалами БелАЗ-7523. Планировка отсыпаемой породы выполняется бульдозерами типа Т-500 (Т-170) по мере необходимости.

2. Армирование слоев и основания осуществляется из старых, бывших в употреблении покрышек от автосамосвалов БелАЗ-7522, 7523. Покрышки с помощью автокрана грузятся в автосамосвалы и разгружаются на подготовленную площадку. Укладка автопокрышек в основании ярусов отвала по схеме производится с использованием трактора К-701 наталкиванием.

3. Первый слой армирования выполняется в основании отвала, остальные три слоя - на ярусах.

Покрышки скрепляются между собой стальными тросами. Трос продевается через уложенные в определенном порядке шины с помощью трактора К-701. По краям покрышки крепятся с помощью «жимков», остальные покрышки крепятся узлами и петлями.

Общая схема армирования отвала и его элементов представлены на рис. 1 и 2.

. Формирование промежуточных ярусов

После укладки первого слоя армирования на гор. 588м, производится отсыпка 1-го яруса высотой н1 = 3,2 м. Отсыпка начинается от заезда на внутренний отвал в западном направлении и производится с понижением так, чтобы в районе армируемой площади высота яруса получилась равной 3,2 м, а нижняя бровка яруса находилась в 17-ти метрах от последнего ряда армировки.

4.2 После укладки 2-го слоя армирования на гор. 591, 2м производится отсыпка 2-го яруса в том же направлении на высоту н2 = 3,2 м в районе армировки и до совмещения нижней бровки с верхней бровкой 1-го яруса.

Производится монтаж третьего слоя армирования и отсыпка 3-го яруса, которая осуществляется от действующего внутреннего отвала в западном направлении с подъемом яруса до высоты 3,2 м в районе армирования и до совмещения нижней бровки с верхней 2-го яруса.

После укладки четвертого слоя армирования на гор. 598 м производится отсыпка 4-го яруса. Отсыпка осуществляется от существующего внутреннего отвала до доведения общей высоты ярусов, равной 20-24 м. Торцевая часть отвала должна составлять общий откос под углом естественного наклона в 35 градусов (см. схему армирования).

 

Техника безопасности

 

1. Все рабочие, занятые на данных работах должны быть ознакомлены под роспись с настоящим ПОРом и проинструктированы по безопасным методам работы.

2. Работать исправным инструментом, испытанными стропами.

3. При перемещении и погрузке покрышек работать в соответствии с установленными сигналами.

4. Отсыпку ярусов, как с площадками армирования так и без армирования, производить вскрышными породами согласно типового паспорта ведения горных работ на бульдозерных отвалах с учетом возможной призмы обрушения.

5. При появлении признаков деформирования отвалов, все работы по их формированию прекратить.

6. Армирование производить бригадой в составе не менее 2-х человек, которая занимается укладкой покрышек в соответствии со схемой и креплением покрышек к стальному тросу.

6. Рабочие, занятые армированием, должны быть обеспечены средствами индивидуальной защиты (рукавицами, касками).

7. Погрузочно-разгрузочные работы с использованием грузоподъемных механизмов должны осуществлять аттестованные стропальщики.

8. Работы по армированию производятся в светлое время суток.