Технические науки/10.горное дело

Асп. Муромцев Д.Н., д.т.н. Головин К.А. , к.т.н. Белякова Е.В.,

асп. Кашковский Н.В..

Тульский Государственный Университет, Россия

СПОСОБЫ ЗАКРЕПЛЕНИЯ БОРТОВ КАРЬЕРОВ

УДК 622.288:622.236.52

Аннотация: При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом зачастую требуется укрепление бортов карьеров. Существует ряд традиционных методов закрепления, имеющих свои недостатки. Альтернативой им является метод гидроструйной цементации пород, имеющий ряд преимуществ, высокую прогнозируемость результатов закрепления, и широкую область применения.

Ключевые слова: hydro-jet cementation, rocks, rock con- crete, massif fixing, aqua-cement solution, drilling machine, drilling column, nozzle, dimension range of equipment.

При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом одним из актуальных вопросов является устойчивость бортов карьера. Борт карьера считается устойчивым в том случае, если до конца отработки сохраняются его проектные параметры. Однако во многих случаях проектные параметры бортов карьера нарушаются т.к. при расчетах невозможно предугадать все, в том числе климатические и сейсмические факторы. Трещины в горном массиве вызывают обрушение горных пород на транспортные бермы, оползни и осыпи подвергают опасности не только технику и оборудование, но работников предприятия. В ряде случаев деформации уступов вызывают остановку работы карьера, большие финансовые и физические затраты на устранение последствий. Поэтому совершенствование способов укрепления неустойчивых участков бортов карьера является актуальной научной задачей.

Практика применения искусственных способов закрепления неустойчивых горных пород показала, что их использование в разы сокращает расходы предприятия на вскрышные работы, и на работы, связанные с обрушения бортов. В настоящее время существует ряд способов искусственного укрепления неустойчивых бортов карьера.

Так, например, способ засоления используется для увеличения связности пород с целью повышения устойчивости бортов карьера. Сущность данного способа заключается в нагнетании через скважину соляного раствора, который в свою очередь вступает в химическую реакцию с горными породами. (Рис.1) [1]

Экспериментальные исследования укрепленного вскрышного комплекса показывают, что после засоления бортов их прочность увеличилась примерно на 26%.

Но данный способ применим только при небольших объемах горных пород подлежащих закреплению, поэтому в горном деле их применение ограничено.

Рис. 1 Способ засоления пород

Также широко известен способ укрепления оползнеопасных откосов с помощью подпорных стенок с породной пригрузкой (контрфорсом). На карьере «Аксай» с помощью вышеназванного способа проводили эксперимент по укреплению оползнеопасных участков, и выявили, что данный способ позволяет поддерживать оползнеопасные участки, а также дает возможность выкручивать угол откоса борта на 5-7°.[2]

Рис.2 Этапы укрепления откосов с помощью подпорных стенок

а- последовательность отсыпки контрфорса (1) автосамосвалом (3) в забое экскаватора (2);
б – временная пригрузка рабочего борта; в – пригрузка фильтрующим материалом обводненного уступа.

Недостатком данного способа является поверхностный характер воздействия. В следствие чего, он не эффективен для предотвращения деформаций и обрушений бортов карьеров, сложенных породами глинистого состава с нежестким сцеплением минеральных частиц между собой.

Зачастую на карьерах используется способ упрочнения откосов и стабилизации оползней с помощью железобетонных свай набивного типа. Сущность способа заключается в бурении скважин в массиве горных пород, установке в них металлической арматуры (гибкой, жесткой, стальных канатов и пр.), подготовку к бетонированию или цементированию, набивку скважины цементным раствором или бетоном. В качестве наполнителя скважины используется щебень размером ≤40мм.

При проведении работ по искусственному укреплению бортов карьеров сложенных песчаниками и алевролитами и подверженных оползневым явлениям, как правило, применяются сваи набивного типа диаметром 150—230 мм. Железобетонные сваи (арматура — рельсы Р-33) располагаются в один ряд с интервалом 3—4 м.

Недостатками данной технологии является сравнительно высокая цена и значительная динамические воздействия на массив.

Рис.3 схема укрепления участка с помощью железобетонных свай набивного типа

1 - железобетонные сваи; 2 - железобетонные штанги; 3 - расчетная поверхность скольжения

К общим недостаткам описанных способов укрепления неустойчивых бортов карьера следует отнести значительные материальные затраты и повышенные требования к обслуживающему персоналу, вызванные сложностью обслуживаемого оборудования и опасными условиями работы.

Альтернативой традиционным методам закрепления является технология гидроструйной цементации

Технология гидроструйной цементации (далее по тексту - ГСЦ) горных пород появилась практически одновременно в трех странах - Японии, Италии, Англии. Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в течение последних двух десятилетий технология ГСЦ мгновенно распространилась по всему миру, позволяя не только более эффективно решать традиционные задачи, но и найти новые решения иных сложных проблем в области подземного строительства.

В настоящее время, как в нашей стране, так и во всем мире ГСЦ горных пород (Jеt grouting) является наиболее прогрессивной технологией закрепления слабых и неустойчивых пород для последующей проходки горных выработок или строительства подземных сооружений; возведения противофильтрационных завес; укрепления откосов, стенок котлованов и т.д.

Сущность технологии ГСЦ горных пород заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной водноцементной струи, направляемой на разрушение и перемешивание горной породы в массиве без создания в нем избыточного давления. [3]

Технология закрепления массива ГСЦ осуществляется в два этапа (рис. 4): в первом этапе специальной оборудованной установкой для ГСЦ бурят скважину на расчетную глубину с одновременной промывкой скважины цементным раствором под небольшим давлением (5 МПа), который подается в породоразрущающий элемент. Во втором этапе производят подъем колонны с одновременным вращением (до 25 об/мин) и повышают давление подаваемого цементного раствора до 50МПа создавая струю с высокой кинетической энергией. В результате цементный раствор разрушает окружающий массив, перемешивается с ним в режиме «mix-in-place» (перемешивание на месте) и образуется породный массив диаметром до 2.5м из совершенно нового материала – породобетона с высокими несущими и противофильтрационными показателями.

а) б) в)

Рис. 4. Технологическая последовательность получения закрепленного массива способом ГСЦ:

а - бурение пилотной скважины; б – разрушение и перемешивание горной породы водоцементной суспензионной струей; в - извлечение буровой колонны из закрепленного массива

К преимуществам данной технологии по сравнению с другими способами искусственного укрепления неустойчивых горных пород следует отнести: высокую скорость работы, возможность работы в стесненных условиях, экономичность, простоту конструкции отсутствие негативных динамических воздействий.

По сравнению с традиционными технологиями инъекционного закрепления гидроструйная цементация позволяет закреплять практически весь диапазон пород — от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов, улучшая прочностные и деформационные свойства любых сжимаемых горных пород как природного, так и техногенного происхождения. Еще одним важным преимуществом ГСЦ является высокая предсказуемость результатов закрепления.[4]

Таким образом мы видим явные преимущество метода ГСЦ перед другими способами искусственного укрепления бортов карьера. Широкое применение этого метода в промышленном, гражданском и дорожном строительстве, подземных разработках говорит о его эффективности применения. Однако, отсутствие опыта применения ГСЦ в открытых горных разработках и делает актуальной поставленную научную задачу – выбор и обоснование параметров способа укрепления бортов карьера с помощью ГСЦ.

Литература:

1. Певзнер М.Е. Борьба с деформациями горных пород на карьерах. М.: Недра, 1978. - 255 с.

2. Беляев В.Ф., Пястолов Л.П. Механические и физические способы укрепления горных пород. М.: Недра, 1967. - 115 с.

3. Бреннер В.А., Головин К.А., Пушкарев А.Е. Разработка оборудования для закрепления неустойчивых горных пород методом ГСЦ Изд-во ТулГУ, 2007. 206с. Ил.

4. Головин К.А., Ковалев Р.А., Пушкарев А.Е. О применении метода гидроструйной цементации пород в горном деле. Горный журнал, №6, 2008