Scientific journal

International Journal of Experimental Education

ISSN 2618–7159

ИФ РИНЦ = 0,425

Внешние породные отвалы являются источниками экологической опасности, так как при их эксплуатации в атмосферу выбрасывается большой объем породной пыли, а наличие во вскрыше углесодержащих пород приводит к образованию эндогенных пожаров и, как следствие, выбросу в атмосферу окиси углерода и азота. Единственной альтернативой сложившейся ситуации является формирование внутренних породных отвалов, которое позволяет исключить целый ряд негативных явлений. Так исключается изъятие земель под внешние породные отвалы; за счет расположения ниже уровня земной поверхности значительно снижаются выбросы пыли в атмосферу при эксплуатации внутренних отвалов; меньшая, по сравнению с внешними отвалами, площадь открытых поверхностей при одинаковых объемах складирования, позволяет значительно уменьшить вероятность эндогенных пожаров. При этом существенно снижается себестоимость добываемой продукции за счет сокращения пути транспортирования вскрышных пород и улучшается экологическая ситуация в районе разрабатываемых месторождений, а технологический процесс отвалообразования фактически совмещается с этапом технической рекультивации.

Проектом «Реконструкция разреза «Северный» с увеличением мощности с 10 до 18 млн тонн в год», разработанным ТОО «Карагандагипрошахт и К» [1], было предусмотрено начиная с 2013 года формирование постоянного внутреннего отвала в северной замковой части разреза на границе участков 1 и 4. В случае наклонного залегания пласта (а в замковой части разреза «Северный» на верхних горизонтах углы падения пласта достигают 30–35 °) возникает проблема обеспечения устойчивости внутренних отвалов, которые формируются на слабом наклонном основании – почве отработанного угольного пласта.

Устойчивость внутренних отвалов представляет собой достаточно новое и малоизученное направление геомеханики открытых горных работ. Основная проблема здесь заключается в неопределенности прочностных параметров формируемого при отсыпке вскрыши техногенного контакта «стационарный борт – отвал», который имеет следующие особенности:

1. Основание отвала представляет собой почву отработанного угольного пласта, представленного выветрелыми и окисленными углесодержащими породами, мощностью от 3–5 до 15–20 метров.

2. Сопротивление сдвигу по контакту существенным образом зависит от влажности. В период увеличения влажности (сезон дождей, таяние снегов) общее сопротивление сдвигу по контакту может снижаться в 2–3 раза. Поэтому при расчетах и проектировании необходимо учитывать сезонную обводненность основания.

3. Высокая прочность наклонных участков борта (основания) может служить негативным фактором, отрицательно влияющим на устойчивость формируемого отвала, так как она не позволяет сформировать структурные связи между основанием и отвальным массивом.

4. При анализе устойчивости проектных контуров следует учитывать, что расчетная прочность контакта не может превысить собственную прочность отвального массива.

5. Прочность углесодержащих пород в результате процессов окисления существенно снижается во времени, что требует проведения дополнительных исследований.

Расчеты устойчивости отвалов на наклонном основании должны производиться с введением коэффициентов запаса, учитывающих сейсмические воздействия от ведения в карьере БВР.

Ввиду мульдообразного залегания пласта наиболее сложными участками являются верхние горизонты в районе выходов пластов под наносы, где резко увеличивается угол падения пласта (до 30–35 °). Обеспечение устойчивости формируемого внутреннего отвала на верхних горизонтах невозможно без создания призмы упора на нижележащих горизонтах.

Средние прочностные характеристики пород в отвалах и по контакту угольного пласта 3 были определены Казахским филиалом ВНИМИ [2, 3] и имеют следующие значения:

1) в отвале: объемный вес g = 1,66 тн/м3; угол внутреннего трения r = 31 °;

сцепление k = 35,0 кПа при естественной влажности W = 14,8 %.

2) по почве угольного пласта 3: объемный вес g = 2,09 тн/м3;

– при естественной влажности r = 18º; k = 20,0 кПа;

– при повышенной влажности r = 12º; k = 10,0 кПа;

Нормативные прочностные характеристики пород:

– отвала g = 1,66 тн/м3; k = 3,5 тн/м2, r = 31 °, tgρ = 0,601;

– основания: g’ = 2,09 тн/м3, r’ = 18 °, tgρ’ = 0,325; k’ = 2,0 тн/м2 (естественная влажность); r’ = 12 °, tgρ’ = 0,213; k’ = 1,0 тн/м2 (повышенная влажность).

С учетом длительного срока службы отвалов, в соответствии с «Правилами обеспечения устойчивости бортов на угольных разрезах» [4], в нормативные характеристики вводим коэффициент запаса nз = 1,3.

Тогда расчетные прочностные характеристики пород:

Отвала ρр = 24,8 °; tgρр = 0,462; kр = 2,7 тн/м2;

основания ; ; k’ = 1,54 тн/м2;

– увлажненного основания ; ; k’ = 0,77 тн/м2.

По данным исследований, выполненных на месторождениях Казахстана [5], сцепление полускальных пород в теле отвала изменяется в достаточно широких пределах: от 10–12 до 35–40 кПа.

Выполним расчеты предельной высоты откоса на слабом наклонном основании [6] при переменных углах наклона контакта от 0 ° до 12 °, результаты которых, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Расчеты предельной высоты яруса

Зависимость предельной высоты устойчивого яруса от угла наклона слабого контакта в интервале от 0 ° до 12 ° показана на рис. 1.

Предельная высота откоса при промежуточных значениях влажности может быть определена линейной интерполяцией. При углах наклона слабого обводненного основания до 12 ° высоту устойчивого яруса можно принимать равной 10–12 м, а при сухом основании и складировании в нижний ярус более прочных пород глубоких горизонтов, высота устойчивого яруса может быть увеличена до 25 м. Для вышележащих ярусов, основанием которых будут служить устоявшиеся породы нижнего яруса, высота устойчивого яруса, слагаемого достаточно прочными породами, должна приниматься с учетом технологических соображений равной 15–20 м; в любом случае при складировании в ярус отвала глинистых пород его высота не должна превышать 10 м.

Оценка устойчивости проектного контура внутреннего отвала. Главной проблемой при формировании внутренних отвалов на разрезе является наличие слабого наклонного основания – почвы угольного пласта, на который производится отсыпка вскрышных пород. Ввиду мульдообразного залегания пласта в замковой части разреза «Северный» резко увеличивается его угол падения. Анализ проектного контура стационарного борта разреза в замковой части показывает достаточно крутые углы наклона.

От земной поверхности до горизонта + 80 м углы наклона стационарного борта на всем протяжении замковой части составляют 30–35 °. Формирование внутреннего отвала на верхних горизонтах невозможно. Ниже гор. + 80 м до гор. 0 м по оси складки (профильная линия VIII) борт выполаживается до 14 °.

По краям складки на участках I и IV на горизонтах + 80÷0 м сохраняются углы наклона порядка 30–35 °. С учетом низких прочностных параметров углистых пород в почве пласта обеспечение устойчивости проектируемого внутреннего отвала на указанных горизонтах является весьма сложной задачей.

Породы, слагающие стационарный борт по прочности относятся к группе пород средней крепости. Внутренний отвал по характеристикам складируемых пород может быть отнесен к отвалам пород средней прочности на наклонном основании.

Первые ярусы внутреннего отвала предполагается отсыпать в 2014 г с гор. 0 м высотой яруса 20 м и с гор. + 40 м высотой яруса 40 м (рис. 2).

Результаты оценки устойчивости проектируемых уступов представлены в табл. 2.

Уступ высотой 40 м не может быть сформирован на наклонном основании, так как предельная высота откоса при наклоне основания 7,5 ° составляет 25 м. Уступ высотой 20 м соответствует предельному состоянию откоса (график на рис. 1) при сухом основании. Малейшее увлажнение основания приведет к снижению его несущей способности и обрушению откоса.

Рис. 2. Проектный профиль уступа внутреннего отвала (гор. 0)

Таблица 2

Расчет устойчивости проектных контуров уступов

Предельное значение генерального угла откоса, отстроенного с гор. – 100 м составляет αпред = 16 °, а с гор. – 200 м αпред = 15 °.

Учитывая большую неопределенность прочностных параметров основания и возможность их существенного уменьшения при попадании влаги, вероятность обрушения составляет порядка 50 %.

Также необходимо учитывать сдвигающие нагрузки от объемов, расположенных на участках I и IV, которые имеют более крутые углы наклона стационарного борта до 30–35 ° (табл. 1). Например, профильная линия 4 участка I, горизонты + 170÷0, угол откоса борта равен 30 °. Расчеты показывают, что при отсыпке отвала на такое основание под углом естественного откоса 35 °, сдвигающие силы, отнесенные к единице объема, почти в 2 раза превышают максимально возможные удерживающие силы. Естественно, что сдвигающие нагрузки от действия данных призм приведут к обрушению отвала.

По результатам выполненных расчетов и анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы.

1. Устойчивость внутреннего отвала будет зависеть главным образом от сопротивления сдвигу по техногенному контакту «борт-отвал», который обладает следующими особенностями:

– основание отвала представляет собой почву отработанного угольного пласта, представленного углесодержащими породами, мощностью от 3–5 до 15–20 метров;

– сопротивление сдвигу по контакту существенно зависит от влажности. В период дождей и таяние снегов общее сопротивление сдвигу по контакту может снижаться в 2–3 раза. Кроме этого, прочность углесодержащих пород в результате процессов окисления существенно снижается во времени;

– высокая прочность наклонных участков борта (основания отвала) не обеспечивает прочности контакта, а, напротив, может служить негативным фактором, отрицательно влияющим на устойчивость формируемого отвала, так как не позволяет сформировать структурные связи между основанием и отвальным массивом;

– расчетная прочность техногенного контакта не может превысить собственную прочность отвального массива, поэтому подготовка основания при помощи поперечных канав и траншей неэффективна.

Таблица 3

Расчет предельных контуров внутреннего отвала по п.л. VIII

2. Предельная высота яруса отвала на наклонном основании изменяется в широких пределах и зависит от угла наклона основания и прочности контакта «борт-отвал». При обводненном основании высоту устойчивого яруса можно принимать равной 10–15 м, а при сухом основании и складировании в нижний ярус более прочных пород глубоких горизонтов, высота устойчивого яруса может быть увеличена до 25–30 м.

3. На основании выполненных расчетов предельной высоты устойчивого многоярусного отвала для значений генеральных углов откоса от 15 ° до 30 ° и углов наклона основания от 0 ° до 10 °. Установлено предельное значение генерального угла откоса при достижении отвалом проектной высоты, которое не должно превышать 15 °.

4. Выполнено построение предельных контуров отвала по профильной линии VIII. Расчетами определена невозможность формирования внутреннего отвала в замковой части разреза «Северный» в связи с высоким риском его обрушения.