CC BY
10
Tow 103
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1959 г.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ ВЫСОТЫ ШАХТНЫХ
КОНИЧЕСКИХ ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ (ТЕРРИ КОН И КОВ) ДЛЯ УСЛОВИИ КУЗБАССА
П. А. ЛЕОНОВ
Вопрос определения безопасной высоты шахтных породных отвалов до настоящего времени мало изучен и слабо разработан. Правильный расчет высоты породного отвала имеет большое значение для эксплуатации и безопасности работ. Отвалы небольшой высоты требуют значительных площадей, эксплуатация их обходится гораздо дороже, чем отвалов большой высоты. С другой стороны, высокие конические отвалы, как показывает практика, являются более опасными, чем низкие отвалы.
Оптимальной высотой породного отвала следует считать такую, при которой обеспечиваются безопасность работ, наименьшие капитальные затраты и минимальные эксплуатационные расходы по отва-лообразованию.
За последнее время на породных отвалах шахт Кузбасса произошло несколько крупных аварий, анализ их дает основание утверждать, что при определении высоты отвала решающим фактором должен быть вопрос безопасности. С точки зрения размеров капитальных затрат к эксплуатационных расходов наиболее экономичными будут конические отвалы большой высоты. Но на таких отвалах нередко пару шаются условия равновесия насыпанных пород и происходят большие деформации. Они являются главными причинами аварий и несчастных случаев.
Таким образом можно сказать, что определение безопасной высоты отвала должно быть тесно увязано с установлением условий равновесия пород в отвале.
Для исследования указанных условий взят отвал конической формы (рис. 1). Он состоит из трех зон: нижней (I), сложенной крупнокусковым материалом, средней (II), где преобладает порода средней крупности и мелочь, и верхней (III) из кусков породы разной величины. Границы зон показаны точечными линиями. ОВС—поперечный контур воронкообразной впадины при деформации склона отвала.
Общее уравнение равновесия массы породы, отрывающейся от откоса, предложенное Бернацким [1], состоит из трех частей: I/ произведения количества веса призмы «упора» на тангенс разности угла трения между опорными поверхностями этой призмы и угла наклона этой поверхности к горизонту минус; 2) произведение веса призмы активного давления на тангенс разности угла 45° и половины угла внутреннего трения породы плюс; 3) удвоенное произведение величин поверхно-
с.тн обрушения в пределах призмы «активного давления» и силы сцепления породы на единицу площади. Равновесие не нарушается, если указанное уравнение равно или больше нуля. Опасная поверхность обрушения проходит под утлом 45° минус половина угла внутреннего трения. Наиболее тяжелые условия равновесия имеют место при прохождении граничном плоскости между призмами через точку «В», где-
Рис. 1. Разрез породного отвала по продольной осн.
ОВС — воронка деформации; ОВА — призма «упора»;
ABC — призма «активного давления»; ВС----поверхность обрушения;
3 ■— угол наклона поверхности опирания к горизонту
поверхность обрушения меняет наклон, встречая опорную поверхность призмы «упора». В натуре у точки «В» получается цилиндрическая поверхность обрушения. Боковые грани призм сначала почти вертикальны, затем вследствие обрушения породы они становятся наклонными и впадина, занимаемая призмами переместившейся массы породы, приобретает вид воронки.
Степень устойчивости откоса отвала находится в прямой зависимости от величин углов внутреннего трения, трения между поверхностями опирания «призмы упора», силы сцепления, веса призмы «упора» и обратной от значения веса призмы «активного давления» и угла наклона поверхности опирания к горизонту, а при связных породах п от высоты отвала.
Указанные величины могут изменяться под влиянием влажности, внешней нагрузки, гидростатического и гидродинамического давления и обжига пород. Повышение влажности, обжиг их на горящих отвалах понижает величину углов внутреннего трения, трения между поверхностями опирания «призмы упора» и силы сцепления.
На шахтных породных отвалах наблюдаются следующие деформации: выбросы, оползни, обрушения и ряд других. Изучение их показало, что 1) отвал внизу имеет крупнокусковой материал, в середине— средний и мелочь, на вершине—несортированную массу пород; 2) интенсивное горение наблюдается в средней зоне отвала; 3) внизу кусковой материал под действием высокой температуры и давления спекается и уплотняется; 4) наиболее рыхлый материал после обжига получается в средней зоне; здесь изменяется величина угла внутреннего трения и силы сцепления, происходят обрушения и комбинированные деформации; 5) наблюдения за углами естественного откоса на моде-
71т
лях установили для горелых пород уменьшение этих углов на 2—2,5°,: 6) крупные деформации на отвалах в ясную погоду происходят вследствие изменения угла внутреннего трения и силы сцепления в результате обжига и давления; 7) деформации на отвалах во время ливней и сильных дождей представляют собою выбросы или комбинации выброса, оползня и обрушения; 8) вода при этом увеличивает влажность пород, уменьшает их связность и 9) пар, образующийся при попадании воды на раскаленные породы, оказывает такое же действие.
Для расчета высоты отвала имеется много различных способов: Терцаги, Фаллекуса, Маслова, Жаки и других. Попов [2], сравнивая расчеты по этим способам, пришел к выводу, что отклонения, получаемые по указанным методам, незначительны (+15%). Попов [2] и Ми-люшицкин [3] для расчета высоты отвалов рекомендуют применять способ Жаки, как наиболее простой.
Формула Жаки представляет собою дробь, где числитель есть произведение коэффициента 4, величины силы сцепления породы и множителя, зависящего от угла откоса, внутреннего трения и силы сцен ления, а знаменатель — величину объемного веса породы. Указанный множитель определяется по специально составленным графикам [2].
Ниже приводятся результаты определения высоты отвала по указанной формуле для следующих конкретных условий: отвал сложен скальными породами с 5—10% глинистых частиц, угол откоса — 40\ угол внутреннего трения — 30°, объемный вес—1,6 г/ж3, сила сцепления— 0,5; 0,8 и I,î т/м2 и множит ель—20. Величина высоты но расчетам получается 25, 40 и 55 му средняя 40 м. Как видно из результатов вычислений, изменение силы сцепления сильно влияет на высоту отвала.
Сложная структура тела шахтных отвалов, наличие в них самых разнообразных по свойствам горных пород не дают возможности пользоваться для расчетов оптимальной высоты формулами, принятыми для проектирования отвалов открытых разработок и земляных работ железнодорожного строительства. Указанные формулы следует считать пригодными только для ориентировочных расчетов. Предельная высота плоских отвалов скальных пород с внешней нагрузкой на карьерах и разрезах Мельниковым [4], Шешко [5], Зурковым [6] и др. рекомендуется порядка 25—30 м. Правила технической эксплуатации [7] эту величину определяют в 30—40 м. По тем же источникам высота отвалов, образованных применением транспортно-отвальных мостов, не должна превышать 40—60 м.
Таким образом, можно считать, что ориентировочные расчеты и практика открытых работ определяют максимальную высоту конических отвалов пустых пород в 40 м (с учетом внешней нагрузки в виде подъемной скиповой установки).
Необходимо проверить эту высоту по фактору безопасности. Дл*; указанной цели взяты результаты исследования по 129 породным отвалам шахт Кузбасса. Данные их следующие: 1) оползней, оползней — обрушений на отвалах высотою 30 м не было; 2) на террикониках, где высота 31—40 м, наблюдалось три выброса п оползня без несчастных случаев, два обрушения в ясную погоду (деформация в виде уступа в один метр); 3) на отвалах -высотою 41—80 м зафиксировано десять крупных деформаций «в разную погоду с объемом перемещенной породы от 500 до 8000 м3 и несчастными случаями и Две в ясную погоду; 4) раскат кусков породы при указанных деформациях у отвалов высотою 40 ж составлял 20 м, у отвалов в 70—80 м доходил до 60 м; 5) дальность разлета пыли и мелочи соответственно была 60 и 200 м,,
Анализ ¡приведенных фактических данных показывает, что на сч-валах высотою до 40 м крупных деформаций не бывает, несчастные случаи отсутствуют. Отвалы же большой высоты, особенно в 70—80 л/, имеют благоприятные условия для возникновения крупных аварий, они часто являются причинами тяжелых и смертельных несчастных случаев.
Отвалы высотою до 30 м не дают значительных деформаций как от внехпней нагрузки, так и из-за горения пород и других причин. Они приемлемы и с точки зрения безопасности. Существенным недостатком этих отвалов следует считать небольшой объем их и большую площадь земной поверхности под основанием (подошвой). Отвалы высотою до 40 ж имеют несколько большие деформации, чем терриконники высотою 30-«. По степени безопасности отвалы в 30—40 м следует считать одинаковыми.
Большим преимуществом отвалов в 40 м является более экономное использование площади земной поверхности и резкое увеличение объема их.
Проведенные исследования дают основание, исходя из требований безопасной эксплуатации конических породных отвалов, определить максимальную (безопасную) высоту этих отвалов в 40 м.
Выводы
1!. Деформации типа оползней, оползней—обрушений и комбинированные на горящих породных отвалах высотою 30—40 м происходят значительно реже, и по величине эти деформации меньше, чем на высоких отвалах 60—80 ж
2. Опасность деформаций на отвалах высотою 30—40 м очень незначительная, несчастных случаев там не было. На больших отвалах (высотою 60—80 м) некоторые деформации (оползни, комбинация выброса, оползня и обрушения) отличаются большим масштабом, очень опасны и являются причиной несчастных случаев.
3. Расчеты, данные практики открытых работ, исследования условий равновесия и безопасности работ дают основание определить максимальную высоту породных отвалов шахт в 40 м.
ЛИТЕРАТУРА
К Бернацкий Л. Н. Условия устойчивости земляных масс, 1925.
2. Попов С. И. К вопросу о расчете высоты отвального уступа. Научные труды Магнитогорского горнометаллургического института. Выпуск II, 1945.
3. Милюшицкий Ю. Н. К вопросу об устойчивости бортов карьеров. Угле-к'.хиздат, 1952.
4. Мельников Н. В. Справочник инженера и техника по открытым юрным работам. Углетехиздат, 1956.
5. Ш с ш к о Е. Ф. Открытая разработка месторождений полезных ископаемых, Н>51.
<■». 3 у р к о в П. Э. Разработка рудных месторождений открытым способом, Металлу ргиздат, 1953.
7. Правила технической эксплуатации при разработке угольных месторождений открытым способом. Углетехиздат, 1956.
