CC BY
28
© Е.А. Федорова, 2002
УДК 622.271.333
Е.А. Федорова
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОТВАЛООБРАЗОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ УРТУЙСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ФЛЮОРИТОВ
В
соответствии с принятыми в последние годы законами о недрах, при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом стало больше внимания уделяться вопросам рационального природопользования. В том числе и вопросу оптимального размещения пород вскрыши. В рамках решения этого вопроса на стадии проектирования новых карьеров и в ходе расширения действующих по технико-экономическим показателям сравниваются варианты расположения отвальных площадок и способов отвалообразования.
В условиях широкого
использования транспортных схем
разработки на глубоких карьерах и крупных разрезах предпочтение не редко отдается внешним многоярусным автомобильным отвалам. При формировании таких массивов наиболее эффективным в экономическом отношении является способ
отвалообразования,
предусматривающий разгрузку
автосамосвалов под откос.
Емкость многоярусного отвала зависит от числа ярусов, высоты уступов, ширины берм и уклона отвального поля. Основные
геометрические параметры схем отвалообразования принимаются по результатам расчетов на устойчивость, точностью и надежностью которых определяются условия работы автомобильного транспорта на отвальных
массивах.
Аварийные ситуации и дополнительные затраты, связанные с ликвидацией последствий деформаций уступов и оснований
отвалов на горных предприятиях, чаще всего обусловлены превышением допустимых нагрузок и геометрических параметров отвальных массивов.
Описанные выше решения по
технологии отвалообразования использованы в проекте
производства работ на Уртуйском месторождении флюоритов. На стадии его проектирования задача оптимизации технологических схем отвалообразования была решена методом математического
моделирования напряженно-
деформированного состояния массивов в условиях последовательного изменения параметров, оказывающих влияние на их устойчивость.
Напряженно-деформирован-ное состояние многоярусных
автомобильных отвалов на всех стадиях его развития (вплоть до разрушения массивов) оценивалось по решениям упругопластической задачи,
полученным методом конечных
элементов с использованием программного комплекса
«Геомеханика», разработанного под руководством профессора А.Б. Фадеева [1].
К основным достоинствам выбранного математического аппарата можно отнести то, что он позволяет:
• анализировать состояние
массивов сколь угодно сложного очертания;
• выделять в их пределах зоны,
отличающиеся по физико-
механическим свойствам;
• вводить в узлы расчетной области дополнительные силы и перемещения, имитирующие разного рода внешние и внутренние воздействия;
• в качестве расчетных характеристик использовать обычный набор показателей физикомеханического состояния пород, определяемых в полевых или лабораторных условиях по стандартным методикам.
Оптимальные геометрические параметры автомобильных отвалов на Уртуйском месторождении были определены по результатам анализа напряженно-деформиро-ванного состояния массивов, расчетные схемы которых представлены на рис. 1 и 2а. Расчетная схема, показанная на рис. 2б, использовалась при решении вопроса о
Таблица 1
№ Наименование породы Физико-механические характеристики:
п\п 2 н ф, град. р, т/м3 Е, т/м2 V, д.е.
1 Отвальная масса 1.7 35 2.0 15000 0.2
2 Делювиальные суглинки 2.6 20 1.8 2200 0.3
3 Делювиальные глины 4.3 16 1.8 2000 0.3
4 Делювиальные дресвяные суглинки 3.1 21 1.9 2500 0.3
5 Элювиальные дресвянощебенистые грунты 0.2 35 2.0 5000 0.2
6 Коренные породы 25.0 23 2.7 770000 0.3
Рис. 1. Варианты укрупненных расчетных схем для случаев отсыпки отвалов: а) - в один ярус; б) - в два яруса; в) - в три яруса
Рис. 2. К расчету устойчивости отвалов, расположенных:
а) - в верхней части пади Уртуйский куб; б) - в нижней ее части
возможности расширения одного из отвальных полей.
Введенные в расчетные схемы усилия Р1 и Р2 представляют собой погонные нагрузки, передающиеся соответственно через заднюю и переднюю оси автомобиля при его разгрузке на верхнем ярусе отвала. Во всех вариантах расчетных схем: угол откоса был принят, равным 37°; ширина бермы назначена из условия двух полосного движения автомобильного транспорта;
планировкой предусмотрен контр уклон, обеспечивающий сток поверхностных вод, и зуб, фиксирующий положение самосвала при его разгрузке под откос.
При переходе от одного варианта расчетной схемы к другому было предусмотрено последовательное
изменение следующих параметров:
- числа ярусов;
- высоты яруса (Ну);
- уклона площадки отвального поля
(О-
Кроме этого расчетные схемы корректировались с учетом
геологического строения основания отвалов.
В соответствии с рекомендациями, содержащимися в работах [2 и 3], расчетные значения характеристик прочности пород (сцепление - с и угол внутреннего трения -ц>) были определены с учетом
коэффициента запаса
равного 1, 2. В --------------------
качестве входных данных были использованы так же средние значения плотности - р; модуля деформации - Е и коэффициента поперечной деформации
- V
Характеристики отвальной массы и пород, залегающих в основании отвалов приведены в табл. 1.
По схеме предполагаемого размещения внешних отвалов, выполненной на топографической основе, были рассчитаны уклоны для
пяти площадок и дополнительного участка, примыкающего к площадке отвала №5 Оказалось, что максимальным значением уклона (' = 11,3°) характеризуются площадки №3 и №4.
Таблица 2
№ Наименование породы, залегающей Уклон пло- Число Высота Положение (омы пластических Сстоя-
вариа в основании отвала щадки в яру- яруса в деформаций ние
нта градусах сов метрах массива
1 2 3 4 5 6 7
1 1 -суглинки дресвяные, 2-дресвяно-щебёнистый грунт, 3-скальное основание 3,3 1 20 Формирование зон пластических деформаций в верхней и нижней части откоса. Устойчивое состояние откоса *
2 1-суглинки дресвяные, 2-дресвяно-щебёнистый грунт, 3-скальное основание 6,2 1 20 Формирование зон пластических деформаций в верхней и нижней части откоса. Устойчивое состояние откоса *
3 1 -суглинки дресвяные, 2-дресвяно-щебёнистый грунт, 3-скальное основание 11,3 1 20 Формирование зон пластических деформаций в верхней и нижней части откоса. Устойчивое состояние откоса *
4 1 -суглинки дресвяные, 2-дресвяно-щебёнистый грунт, 3-скальное основание 3.3 1 30 Зона пластических деформаций захватывает большую часть расчётной области. Нарушение устойчивости отвального массива.
5 1 -дресвяно-щебёнистый грунт, 2-скальное основание 6,2 1 30 Формирование зон пластических деформаций в верхней и нижней части откоса. Устойчивое состояние откоса *
6 1 -дресвяно-щебёнистый грунт, 2-скальное основание 11,3 1 30 Зона пластических деформаций включает в себя большую часть элементов верхнего и нижнего ярусов. Нарушение устойчивости отвального массива
7 1 скальное основание 11.3 1 30 Формирование зон пластических деформаций в верхней и нижней части откоса. Устойчивое состояние откоса *
8 1-скальное основание 11,3 2 20 Формирование зон пластических деформаций в верхней и нижней части откоса. Устойчивое состояние отвального массива *
9 1 скальное основание 6,2 2 30 Зона пластических деформаций включает в себя большую часть элементов верхнего и нижнего ярусов. Нарушение устойчивости отвального массива
10 1 -дресвяно-щебёнистый грунт, 2-скальное основание 6,2 2 Нижний ярус -30 Верхний-20 Формирование зон пластических деформаций в нижней части массива и по откосам уступов. Нарушение устойчивости откоса верхнего яруса при передаче на него нагрузки от автомобиля.
11 1 -дресвяно-щебёнистый грунт, 2-скальное основание 3,3 2 30 Зона пластических деформаций включает в себя большую часть элементов верхнего и нижнего ярусов. Нарушение устойчивости отвального массива
12 1 -дресвяно-щебёнистый грунт, 2-скальное основание 3,3 2 Нижний ярус-30 Верхний- 20 Формирование зон пластических деформаций в нижней части массива и по откосам уступов. Нарушение устойчивости откоса верхнего яруса при передаче на него нагрузки от автомобиля.
13 1 - скальное основание 3,3 2 30 Формирование зон пластических деформаций в нижней части массива и по откосам уступов. Нарушение устойчивости откоса верхнего яруса при передаче на него нагрузки от автомобиля.
14 1 скальное основание 3,3 2 Нижний ярус-30 Верхний- 20 Зона пластических деформаций включает в себя большую часть элементов верхнего и нижнего ярусов. Нарушение устойчивости отвального массива
15 1 -суглинки дресвяные, 2-дресвяно-щебёнистый грунт, 3-скальное основание 3,3 3 20 Формирование зон пластических деформаций в нижней части массива и в элементах откосов. Устойчивое состояние отвального массива *
1 2 3 4 5 6 7
16 1 -суглинки дресвяные, 2-дресвяно-щебёнистый грунт, 3-скальное основание 6,2 3 20 Формирование зон пластических деформаций в нижней части массива и в элементах откосов. Устойчивое состояние отвального массива *
17 1 -суглинки дресвяные, 2-дресвяно-щебёнистый грунт, 3-скальное основание 11,3 3 20 Формирование зон пластических деформаций в нижней части массива и в элементах откосов. Устойчивое состояние отвального массива *
18 1 -глины, 2 суглинки дресвяные, 3-дресвяно-щебёнистый грунт, 4-скальное основание 3 1 20 Зона пластических деформаций захватывает большую часть расчётной области. Нарушение устойчивости отвального массива.
19 1 -суглинки, 2 суглинки дресвяные, 3-дресвяно-щебёнистый грунт, 4-скальное основание 3 1 20 Зона пластических деформаций захватывает большую часть расчётной области. Нарушение устойчивости отвального массива.
20 1 -глины 2 суглинки дресвяные, 3-дресвяно-щебёнистый грунт, 4-скальное основание 1 1 20 Формирование зон пластических деформаций в верхней и нижней части массива и в пределах откоса отвала. Нарушение устойчивости откоса при передаче на него дополнительной нагрузки.
21 1 -суглинки, 2 суглинки дресвяные, 3-дресвяно-щебёнистый грунт, 4-скальное основание 1 1 20 Формирование зон пластических деформаций в верхней и нижней части массива и в пределах откоса отвала. Нарушение устойчивости откоса при передаче на него дополнительной нагрузки.
Примечания. Символ "*" соответствует устойчивому состоянию отвального массива; символ "- "соответствует его неустойчивому состоянию
Уклон площадки №5 равен 6,2°. На площадках №1 и №2 уклон достигает 3,3°. В пределах дополнительного участка были выделены две зоны (первая с ' = 3° и вторая с ' = 1°), верхние и нижние части которых существенно отличаются по составу и мощности покровных отложений. Последовательность изменения
параметров расчетных схем и характер состояния отвальных массивов и их оснований отражает табл. 2.
Полученные результаты позволили сделать следующие выводы.
Выводы
1. Отвал тридцатиметровой
высоты, отсыпанный в один ярус на скальное основание, сохраняет устойчивость при максимальном угле наклона поверхности основания (' = 11,3°). При отсыпке такого отвала на более слабое, пылевато-глинистое
основание возможно выдавливание слабого слоя и нарушение устойчивости отвального массива. В связи с чем, рекомендуется предварительно готовить площадки под отвалы, т.е. убирать покровные отложения бульдозером или формировать откосы меньшей высоты. Тридцатиметровый отвал сохраняет устойчивость на площадках с уклоном 3,3° и 6,2°, если скальное основание перекрыто только слоем дресвянощебенистого грунта. На скальных
основаниях, перекрытых слоями
дресвяно-щебёнистого грунта и суглинка дресвяного твердой консистенции, сохраняют устойчивость двадцатиметровые отвалы.
Двух ярусные и трех ярусные отвалы при высоте яруса 20 м сохраняют устойчивость при отсыпке на скальные основания, перекрытые слоями
дресвяно-щебёнистого грунта и
дресвяного суглинка твердой консистенции.
3. Не рекомендуется отсыпать двух ярусные отвалы с нижним ярусом, высотой 30 м и верхним, высотой 20 м так, как оползень, развивающийся на откосе верхнего уступа при передаче на него дополнительной нагрузки, не позволяет автомобилям разгружаться под откос.
4. При отсыпке пород вскрыши на дополнительный участок в зоне, имеющей уклон 3°, двадцатиметровый отвал теряет устойчивость в результате развития оползня выдавливания. В зоне с уклоном 1 ° теряет устойчивость откос отвала, воспринимающий нагрузку от автомобиля. Во второй зоне допускается формирование двадцатиметрового отвала при перемещении отвальной массы под откос бульдозером.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - 3. Методические указания по определению углов наклона
М.: Недра, 1987. бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых
2. Мельников Н.В. Краткий справочник по открытым горным карьеров. - Л.: ВНИМИ, 1972.
работам. - М.: Недра, 1982.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Федорова Е.А. — кандидат технических наук, доцент, докторант Читинского государственного технического университета.
