Устойчивый угол откоса уступа это

Высота и устойчивость уступов

Уступ является одним из важнейших элементов открытой разработки. Рациональной является такая высота уступа, при которой в данных условиях обеспечиваются: безопасность горных работ, высокая производительность оборудования, минимальные объемы вспомогательных работ, установленные годовые объемы добычных и вскрышных работ и минимальные затраты на них.

Высота уступа непосредственно влияет на ряд общекарьерных показателей: качество добываемого полезного ископаемого; скорость подвигания фронта; темп углубления горных работ и, следовательно, производственную мощность карьера; срок строительства карьера; объем горно-капитальных работ; общую протяженность фронта работ, внутрикарьерных путей и дорог; угол откоса рабочих и нерабочих бортов.

Рациональная высота уступов не может быть установлена по какому-либо одному фактору; она должна выбираться на основе определения совокупного влияния всех перечисленных выше факторов в конкретных природных условиях и с обязательным учетом возможностей вскрытия рабочих горизонтов. Аналитические методы определения высоты уступа не могут учитывать всей совокупности этих факторов. Безопасность ведения горных работ является основным требованием.

При разработке горизонтальных и пологих залежей мощность залежей и покрывающих пород обычно предопределяет высоту и число уступов. При чередовании горизонтальных и пологих пластов высоту уступа определяют в зависимости от мощности отдельных пластов и залегающих между ними слоев пустых пород с учетом обеспечения необходимого качества полезного ископаемого.

Устойчивость откосов в мягких породах имеет решающее значение. В таких породах, согласно Правилам безопасности, высота уступа не должна превышать максимальной высоты черпания экскаватора; в противном случае в верхней части уступа остаются «козырьки», «нависи» и возможно обрушение пород.

При разработке наклонных и крутопадающих залежей, представленных преимущественно скальными и полускальными породами, высота уступа определяется в основном показателями технологических процессов, потерь и разубоживания полезного ископаемого, требуемой производственной мощностью карьера и условиями вскрытия рабочих горизонтов. Затраты на подготовку скальных пород к выемке и на транспортирование взорванных пород снижаются с увеличением высоты уступа. Минималыше затраты на экскавацию взорванных пород соответствуют высоте уступа 15-20 м.

В то же время, согласно Правилам технической эксплуатации (ПТЭ), высота уступа в скальных и полускальных породах не должна превышать максимальной высоты черпания экскаватора более чем в 1,5 раза (табл. 6) при условии, что высота развала не будет превышать: при одно- и двухрядном взрывании – максимальной высоты черпания экскаватора, а при многорядном взрывании — полуторной максимальной высоты черпания. При экскавации взорванных пород из таких развалов должны приниматься дополнительные меры по предотвращению образования «козырьков» и «нависей». Лишь в породах I и II категорий трещиноватости при нормальном и увеличенном расходе ВВ и наклонном бурении скважин, когда взорванные породы будут находиться в сыпучем состоянии, с разрешения органов Госгортехнадзора СССР допускается высота уступа Н_У>1,5·Н_Ч.MAX.

В тех случаях, когда выемка производится экскаваторами с удлиненным рабочим оборудованием с верхней погрузкой, высота уступа должна соответствовать параметрам проходческого оборудования (табл. 7).

При разработке сложных месторождений потери и разубоживание полезного ископаемого практически прямо пропорциональны высоте добычного уступа. Поэтому целесообразно по экономическим условиям при раздельной выемке полезного ископаемого, особенно при пологих залежах, принимать высоту добычных уступов не более 10-12 м и применять экскаваторы карьерного типа с емкостью ковша 3-5 м 3 .

Скорость проведения траншей примерно обратно пропорцио­нальна высоте уступа. От этой скорости зависит темп углубления горных работ. Чем больше высота уступа, тем меньше возможная производственная мощность карьера по полезному ископаемому. Это положение особенно важно в первый период работы карьера.

Максимальная высота уступов в скальных и полускальных породах при выемке мехлопатами карьерного типа

Экскаватор	Максимальная высота черпания экскаватора, м	Максимальная высота уступа
ЭКГ-2	8,5	12,5
ЭКГ-3,2	14,5
ЭКГ-5	16,5
ЭКГ-8	12,5
ЭКГ-12,5	15,6	23,5
ЭКГ-20

Максимальная высота уступа при выемке мехлопатами с удлиненным рабочим оборудованием с верхней погрузкой

Экскаватор	Высота уступа (м) в породах
мягких *	полускальных **	скальных ***
ЭКГ-2у
ЭКГ-3,2у	5,5
ЭКГ-4у
ЭКГ-3,6у

* — угол устойчивости откоса 34 0

Вместе с тем необходимые объемы вскрышных работ уменьшаются с увеличением высоты уступа в результате сокращения числа рабочих уступов и увеличения угла откоса рабочего борта карьера. При этом уменьшаются также требуемая скорость подвигания и длина добычного фронта. Поэтому при раз­работке залежей простого строения в средней зоне карьера (по глубине) иногда целесообразно увеличение высоты уступа.

Из опыта ведения открытых работ при разработке наклонных и крутых залежей простого строения установлено, что оптимальная высота уступа при использовании экскаваторов с Е= 3-5 м 3 составляет 12-15 м и 17-20 м для экскаваторов с Е=8-12,5 м 3 . При многорядном взрывании вертикальных скважинных зарядов в породах III-V категорий трещиноватости часто по условиям безопасности Н_У=Н_Ч max+h (h = 1-3 м).

При открытой разработке месторождений полезных ископаемых очень важно обеспечить устойчивость уступов и не допускать их деформаций в течение всего периода строительства и эксплуатации карьера.

Из многих факторов, от которых зависит устойчивость откосов, определяющей является группа геологических факторов (состав, состояние, строение и свойства горных пород). Они определяют условия деформации массива и выбор расчетных схем устойчивости откосов, характер противодеформационных мероприятий и величины расчетных показателей.

Из группы гидрогеологических факторов основным является влияние подземных вод, изменяющих свойства массива (вследствие выщелачивания трещиноватых карбонатных пород, набухания глинистых пород и др.) и его напряженное состояние; под действием гидростатических и гидродинамических сил может происходить фильтрационное разрушение откосов (оплывание и суффозия). Обводненность контактных зон и структурных нарушений приводит к деформациям откосов (в результате снижения прочности пород па контактах) и внезапному прорыву вод.

Третью группу составляют технологические факторы.

Необходимо учитывать, что параметры вскрывающих выра­боток, положение их относительно контура карьера и срок службы определяют интенсивность развития в массиве реоло­гических процессов и выветривания пород, развитие в массиве деформационных процессов (подрезка контактов слоев или на­рушений и др.). При высокой скорости подвигаиия фронта горных работ в массиве не успевают развиваться деформацион­ные и реологические процессы, что позволяет придавать откосам рабочих уступов более крутые углы наклона. Размещение отвалов в выработанном пространстве увеличивает сопротивление сдвигающим усилиям прибортового массива пород.

Борта карьеров могут иметь участки вогнутой, выпуклой и прямолинейной формы в плане. Установлено, что, при прочих равных условиях, откосы, имеющие в плане вогнутую форму, более устойчивы, чем плоские.

Взрывные работы обусловливают сейсмический эффект, образование и развитие в приоткосном массиве уступа трещиноватости и зон пониженной прочности, а также неустойчивой поверхности самого откоса уступа. Для снижения вредного воздействия взрывов при постановке уступов в конечное положение необходимо: изменять параметры буровзрывных работ; применять (с учетом конкретной обстановки) короткозамедленное взрывание скважинных зарядов необходимого диаметра и контурное взрывание, заряды с инертными сердечниками; располагать ряды скважин под углом 60-90° к контуру борта; применять экранирующие врубы; использовать искусственное укрепление уступов; вводить в расчеты повышенный коэффициент запаса устойчивости.

Различают краткосрочную и долгосрочную устойчивость откосов, которыми должны обладать соответственно рабочие и нерабочие уступы. Коэффициент запаса устойчивости рабочих уступов η_у=1,15-1,2, а нерабочих в глинистых и трещиноватых скальных и полускальных породах η_у =1,5-2.

При предварительном выборе углов откосов рабочих и нерабочих уступов целесообразно пользоваться данными, приведенными в табл. 8. Для уточнения значений углов, особенно при неустойчивых породах или неблагоприятном залегании поверхностей ослабления, необходимо проводить натурные исследования и расчеты устойчивости откосов.

Ширина призмы (м) возможного обрушения уступа при отсутствии поверхностей ослабления может быть определена в зависимости от угла откоса и прочности пород по формуле

где а -угол откоса уступа, градус; ρ — угол внутреннего трения.

Устойчивость подработанных бортов и уступов карьеров

В настоящее время для оценки устойчивости откосов бортов (или уступов) карьеров наибольшее применение находит подход, в соответствии с которым предполагается, что в массивах пород уступов и бортов образуется так называемая призма обрушения (призма сползания). Со стороны массива призма обрушения ограничена потенциальной поверхностью разрушения (скольжения), т.е. поверхностью, вдоль которой напряжения, достигнув предельной величины, приведут к разрушению.

Существуют строгие методы решения задачи устойчивости откосов, но они связаны с довольно значительными техническими трудностями и не являются универсальными для инженерных расчетов. Поэтому в практике горного дела получили распространение приближенные методы, в которых форма поверхности скольжения принимается априорно и вдоль нее рассчитывают соотношение сдвигающих и удерживающих сил.

В этом случае условие устойчивости откоса записывается в виде:

где ΣS_i — сумма удерживающих сил по наиболее слабой поверхности; ΣT_i — сумма сдвигающих сил по той же поверхности.

Их отношение n = ΣS_i / ΣT_i носит название коэффициента запаса устойчивости. Соответственно, поверхность, по которой n = 1, называют предельной, или поверхностью скольжения.

Cопротивление сдвигу горных пород в общем случае зависит от нормальных напряжений, действующих на площадке сдвига, и прочностных свойств пород:

где τ — сцепление горных пород; σ_n — нормальное напряжение к площадке сдвига; τ — касательное напряжение, действующее вдоль площадки сдвига; φ — угол внутреннего трения.

Тогда, в условиях плоской задачи, с учетом зависимости (10.1) получим:

где ΣT_i и ΣN_i — суммы сдвигающих и нормальных (удерживающих) сил по поверхности скольжения; f_ср = tgφ_ср и τ_ср — средние значения коэффициента трения и сцепления по всей поверхности скольжения; L— длина поверхности (линии в плоской задаче) скольжения.

С использованием изложенных принципов расчет устойчивости откоса производят следующим образом:

Участок массива пород, ограниченный откосом АВС и круглоцилиндрической поверхностью скольжения АС₁ и высотой СС₁ предельно устойчивого вертикального обнажения пород, делят на ряд одинаковых по ширине а вертикальных полос (рис. 10.2). В качестве точек приложения массы полос Q условно выбирают точку средней их высоты. Разлагая массу полос Q на касательные и нормальные составляющие к поверхностям скольжения, получают Т_i и N_i.

Просуммировав раздельно вектора касательных и нормальных компонент (с учетом масштаба) и определив длину линии скольжения L, получают отмеченное выше соотношение запаса устойчивости откоса:

Рис. 10.2. Схема к расчету устойчивости откоса при кругло-цилиндрической поверхности скольжения

В верхней части откоса выделяется вертикальный отрезок СС₁ линии скольжения. Эта поверхность (линия) отрыва при поверхностной части откоса формируется в результате воздействия напряжений растяжения (разрыва). Величину ее, обозначенную h_π/2, Г.Л. Фисенко рекомендует определять по зависимости:

Однако, при расчетах устойчивости откосов по изложенной методике сложности возникают при определении местоположения круглоцилиндрической поверхности скольжения. Делают это методом последовательных приближений или с помощью соответствующих графиков и таблиц.

Проведение подземных горных работ в зоне влияния карьера (под дном и в бортах) вызывает перераспределение напряжений в подработанном массиве и существенно изменяет условия устойчивости откосов.

Изменение напряженного состояния массива горных пород вызывает, в свою очередь, перераспределение величин и направлений действия (и соотношения) сдвигающих и удерживающих сил. Уменьшение устойчивости подработанных откосов происходит в большинстве случаев за счет снижения удерживающих сил, которые могут уменьшаться врезультате:

♦ снижения прочностных характеристик массива пород в борту;

♦ изменения геометрических параметров откоса борта (увеличение высоты, изменение формы массива борта, увеличение угла наклона откоса и т.д.);

♦ изменения направления действия удерживающих (часто и сдвигающих) усилий.

Степень снижения прочностных характеристик (разупрочнения пород) в результате подработки может быть различной и зависит от конкретных условий месторождения:

интенсивности структурной раздробленности массива;

ориентировки плоскостей ослабления относительно подземных очистных выработок и элементов карьера;

начальной прочности массива;

стадии развития зоны сдвижения;

степени подработки массива;

скорости подработки и др.

Массивы скальных, достаточно упругих, средней трещиноватости пород могут снижать прочность при подработке (в зоне сдвижения) в 1,5—2 раза.

С.Т. Колбенков и Н.И. Митичкина отмечают, что на Ткварчельском угольном месторождении наблюдалось несколько случаев оползней склонов гор, подработанных очистными выработками. Установлено, что оползню предшествует значительное снижение прочностных свойств пород. Нарушение структуры массива в этом случае привело к уменьшению углов внутреннего трения в среднем на 18—20%, а величины сцепления — на 45%.

Можно предположить, что в пластичных, хорошо деформирующихся породах степень разупрочнения массива при подработке несколько ниже. Однако, несомненно, что во всех случаях подработка существенно снижает прочность массива, приводит к его разуплотнению. Учет ослабляющего действия на устойчивость откосов бортов и уступов в результате изменения структуры и прочности массива не вызывает особых трудностей и заключается в определении структурных, прочностных и других характеристик массива общеизвестными полевыми и лабораторными методами.

Более опасны и сложны для учета и прогнозирования два других фактора, определяющих ослабление откосов карьера. Эти факторы проявляются совместно, так как изменение геометрии борта карьера неизбежно вызывает перераспределение действующих в нем напряжений, в частности, изменение величин, направлений действующих напряжений и в соответствии с этим деформаций массива пород борта. Нагляден в этом отношении механизм деформирования откосов и массивов борта, представленный С.Г. Авершиным. Он указывает, что здесь, при прочих равных условиях, решающее значение имеют соотношения горизонтальных составляющих векторов деформации (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Сдвижение пород при подработке откосов (по С.Г. Авершину).

Штриховой линией показано положение, к которому будет стремиться подрабатываемый откос. МОН – эпюра напряжений в откосе.

При сдвижении горных пород подработанный откос будет стремиться к положению, показанному штриховой линией, вызывая растягивающие напряжения на участке АО и сжимающие — на участке ВО. И то, и другое в общем случае приводит к снижению устойчивости откоса в целом. Возможно такое взаимное положение откоса и выработки, когда последняя практически не снизит устойчивость откоса.

С.Г. Авершин рекомендует во всех случаях осуществлять подработку откосов в направлении от массива. Эта схема предпочтительна, но она не гарантирует от деформации и обрушения подрабатываемого откоса. Следовательно, во всех случаях необходимо оценивать устойчивость подработанных откосов расчетными методами. Тем не менее, в практике совместной разработки рудных месторождений имеются убедительные подтверждения справедливости приведенной рекомендации С.Г. Авершина.

Опыт совместной разработки месторождения «Норильск-1» карьером «Угольный ручей» и подземным рудником «Заполярный» детально рассмотрен Б.П. Юматовым. Горные работы карьера и рудника движутся навстречу друг другу. Наблюдения за сдвижением массива горных пород и уступов карьера показали, что как в процессе развития зоны обрушения в массиве, так и после выхода ее на поверхность существенных деформаций откосов борта и уступов карьера не отмечалось. Результирующий угол наклона откоса борта составлял 20 — 22° при 35 — 40° по предельному контуру.

При расчетах устойчивости подработанных откосов используются те же методы, что и для оценки неподработанных откосов. Однако при этом следует учитывать указанные ранее факторы, ухудшающие устойчивость откоса.

При определении потенциальной поверхности скольжения откоса в условиях подработки прежде всего необходимо рассмотреть поверхности, проходящие через характерные зоны и точки мульды сдвижения пород, образуемые на поверхности от проведения подземных очистных работ (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Формы сдвижения горных пород при подработке склонов (по Г.Л. Фисенко):

а — при выемке пологих пластов, залегающих в прочных породах; б — то же, в слабых и средней прочности породах; в — то же, под склонами, покрытыми мощным чехлом слабых (или рыхлых глинистых) пород

Г.Л. Фисенко считает, что характер деформирования подрабатываемых откосов зависит также от соотношения геометрических и прочностных параметров участвующих в сдвижении массивов пород. Если массив борта сложен прочными породами, то это соответствует условию

наблюдается другая схема сдвижения (см. рис. 10.4 б), обусловленная возникновением площадок скольжения в зонах опорного давления очистной выработки и недостаточным сопротивлением сдвигу по подошве призмы в нижней части откоса. Характерно, что целики, оставленные в выработанном пространстве, в этом случае будут разрушаться от сжатия со сдвигом. Несущая способность целиков в данном случае предполагается значительно ниже, чем при одной вертикальной нагрузке сжатия.

Возможна и третья схема, отмечает Г.Л. Фисенко, которая характеризуется наличием мощной толщи рыхлых пород (наносов) на откосе (склоне). В этом случае подработанная толща пород с наносами прогибается, вследствие чего уменьшается боковой распор в рыхлых породах и нарушается их равновесие.

Способ заоткоски и отстройки нерабочего борта карьера

Владельцы патента RU 2246621:

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке наклонных и крутопадающих месторождений. Техническим результатом является создание равноустойчивого крутого борта по глубине карьера при снижении объемов вскрыши на всех этапах его заоткоски и отстройки. Для этого способ включает нарезку уступов с изменяющимися углами. Причем дифференцированные по глубине карьера углы откосов сдвоенных уступов образуют с учетом снижения параметров нарушений с глубиной месторождения, при естественной блочности верхних горизонтов и влияния массовых взрывов и выветривания пород с постепенным увеличением их крутизны до оформления вертикальных откосов сдвоенных уступов при доработке карьера, причем углы откосов уступов и участков борта на верхних горизонтах в скальных сильнотрещиноватых породах составляют 50-55°, среднетрещиноватых и трещиноватых — 70-60° и в малотрещиноватых породах могут составлять 80-85°, а участки борта высотой 60-90 м в глубокой части карьера с вертикальными сдвоенными уступами и предохранительными бермами 10 м имеют угол откоса 80-85°. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке наклонных и крутопадающих месторождений.

Известен способ заоткоски борта при отработке крутопадающих рудных тел, заключающийся в последовательной погоризонтной выемке вскрышных пород и полезного ископаемого и заоткоске уступов с глубиной под одинаковым углом, образуя плоский борт карьера (М.В.Васильев, К.М.Штукатуров, А.Ф.Ткачев. Железорудные карьеры. М.: Недра, 1982. — 262 с.).

Недостатком данного способа является то, что принимается одно значение угла откоса борта независимо от того, что геологоразведкой устанавливаются обычно две-три зоны по глубине месторождения, отличающиеся различной нарушенностью и трещиноватостью пород, как правило, снижающиеся с глубиной отработки месторождения. Завышение углов откоса борта в его верхней части приводит к преждевременному оползанию и обрушению участков борта, а занижение угла откоса в глубокой зоне малотрещиноватых и малонарушенных пород приводит к снижению глубины карьера. Кроме того, это приводит к автоматическому снижению ширины рабочей зоны карьера до минимальных значений, а в дне карьера до 15-30 м.

Известен способ отстройки борта при доработке кимберлитогого месторождения, заключающийся в том, что борт первоначально отстраивают промежуточной глубины с параметрами, допустимыми по устойчивости, а затем осуществляют погашение борта ниже промежуточного дна на этапе доработки массива полезного ископаемого в прибортовых целиках и заканчивают отстройку борта на этом участке сверхвысокими крутыми уступами под предельным углом погашения (А.С. №2180041 С2 Е 21 С 41/26 А.Н.Акишев, В.А.Бахтин, Н.К.Звонарев, Е.В.Бондаренко, М.В.Ганченко, опубл. 27.02.2002 Бюлл. №6).

Недостатком способа является то, что заоткоска и отстройка большей части борта осуществляются с параметрами, обеспечивающими их устойчивость, а при заоткоске нижней части борта под крутыми углами происходит подрезка борта, поскольку общий коэффициент запаса устойчивости меньше 1.3 (проект). Кроме того, накануне перед доработкой запасов коэффициент запаса может быть ниже значений в предельном состоянии и не исключены подвижки борта.

Помимо этого при сверхвысоких и крутых откосах уступов не гарантируется безопасность производства добычных работ при доработке карьера с небольшими запасами в целиках.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату является способ заоткоски и отстройки борта, включающий отстройку борта с откосом его, близко соответствующим профилю борта В.В.Соколовского (А.М.Демин, А.М.Иоффе, В.А.Зенкин Рациональный профиль борта карьера. Горн. инф. — аналит. бюлл — №1, 2002 г. — С.141-145). При этом профиле борта участки откоса в его верхней положе (до 20-25°), а затем следует постепенное их увеличение и в нижней на последнем участке их угол составляет 90°. Такой борт соответствует по форме “капле”, находящейся на потенциальной (наклонной) поверхности отрыва и связанной с ней сцеплением.

По методике ВНИМИ высота борта делится на 3 части, и в верхней части заоткоски участка борта осуществляется под углом 30-35° и более с крутыми углами в средней и нижней частях откоса борта.

Недостатком способов является то, что пологие углы откосов верхних участков бортов не соответствуют реальным условиям их устойчивости в скальных массивах. Такие откосы соответствуют откосам насыпных пород и близки к откосам отвалов.

Кроме того, пологие углы откосов в верхних участках борта приводят к большому ущербу при разработке месторождений открытым способом, поскольку параметры бортов карьеров на поверхности могут достигать 4-6 км и более и на этих участках предстоит разрабатывать большой объем дополнительной вскрыши.

Целью изобретения является создание равноустойчивого крутого борта по глубине карьера при снижении объемов вскрыши на всех этапах его заоткоски и отстройки.

Поставленная цель достигается тем, что способ заоткоски и отстройки борта карьера включает нарезку уступов с изменяющимися углами. Причем дифференцированные по глубине карьера углы откосов сдвоенных уступов образуют с учетом снижения параметров нарушений с глубиной месторождения, при естественной блочности верхних горизонтов и влияния массовых взрывов и выветривания пород с постепенным увеличением их крутизны до оформления вертикальных откосов сдвоенных уступов при доработке карьера, причем углы откосов уступов и участков борта на верхних горизонтах в скальных сильнотрещиноватых породах составляют 50-55°, среднетрещиноватых и трещиноватых — 70-60° и в малотрещиноватых породах могут составлять 80-85°, а участки борта высотой 60-90 м в глубокой части карьера с вертикальными сдвоенными уступами и предохранительными бермами 10 м имеют угол откоса 80-85°.

Особенностью создания устойчивых бортов в карьерах, особенно глубоких, является то, что отстройка верхних уступов и участков борта опережает формирование уступов в глубоких зонах на 20-30 лет и более.

В известных методах определения параметров бортов карьеров (метод ВНИМИ и др.) в расчет принимается ослабленная поверхность скольжения, по которой со временем при доработке карьера борт переходит в равновесное (предельное) состояние. Расчетные характеристики пород на сдвиг при этом редко превышают с учетом коэффициента запаса n₃=1.3: угол внутреннего трения (ϕ=30-32°, а сцепление С=0,2-0,4 МПа. Определенные по ним параметры бортов карьеров глубиной Н=300-500 м (угол откоса борта α_б), как правило, не превышают 42-45°.

Между тем по генезису образования (магматические) и структуре скальных пород особенно наклонные и крутопадающие рудные тела, работающие в откосе борта на срез (без выявленных крутоподсекающих бортов тектонических разрывов), месторождения могут быть разделены на типы: скальные малотрещиноватые, близкие к монолитным, скальные средне- и трещиноватые, сильнотрещиноватые. Сцепление пород в них отличается на порядок и более: от 0,3-0,5 МПа (при смещении блоков относительно друг друга) до 7-10 МПа (при работе пачек на срез).

Равноустойчивый оптимальный угол наклона уступов и борта карьера с глубиной месторождения необходимо определять с учетом:

— снижения трещиноватости и нарушенности пород с глубиной месторождения;

— влияния массовых взрывов в карьерах на разрушение (трещинообразование) приоткосного массива (на величину 100-140 диаметров заряда и более);

— влияния выветривания и гидрогеологии на устойчивость откосов уступов и приоткосного массива борта;

— влияние разгрузки массива;

— учет периода доработки карьера, когда горные работы под последними заоткошенными уступами не ведутся.

Снижение трещиноватости пород массивов с глубиной месторождения может быть

описано выражением вида

где А — постоянная;

Н — глубина карьера;

х — показатель степени.

Значения величин как постоянных А, так и х для месторождений, различны и подлежат определению.

Влияние массовых взрывов в карьере на нарушение приоткосных массивов определяется с учетом взрыва ВВ за весь срок эксплуатации карьера (в приоткосной зоне).

В общем виде клин сдвига в приоткосном массиве от взрыва ВВ условно может быть оформлен наклоном прямой к горизонтали под углом α₁. Глубина распространения нарушений на поверхности от количества ВВ изменяется от 10-15 м (малотрещиноватый массив) до 100-120 м (сильнотрещиноватый массив), а от бровки откоса вблизи дна от 3-5 до 5-10 м.

Ширина зоны выветривания, которая должна приниматься в расчет при заоткоске уступов и участков борта, может изменяться от 1-2 м (малотрещиноватые, близкие к монолитным) до 8-10 м (сильнотрещиноватые массивы) за 20-25 лет их стояния.

Влияние разгрузки массива проявляется в большей степени в блочном трещиноватом массиве, особенно в период формирования клина сдвига.

Учет периода доработки карьера необходимо для того, чтобы произвести заоткоску уступов под максимально возможным углом вплоть до 90°, поскольку ведение работ под такими откосами непродолжительны и сдвижения откоса на таких участках бортов при минимальной нарушенности скальных пород невозможны.

Одновременный учет влияющих факторов предопределяет плавное изменение углов заоткоски уступов и участков борта с глубиной месторождения, а профиль откоса борта близок к выпуклому с постепенно изменяющейся геометрией и крутизной до вертикального участка вблизи дна карьера.

Крутизна отдельных участков борта может изменяться от 50-55° (верхние одинарные уступы в сильнотрещиноватых массивах), 70-60° — в трещиноватых массивах на средних горизонтах и до 80-85° в малотрещиноватых массивах на глубоких горизонтах при доработке карьера.

В таблице приведена классификация массивов пород по нарушенности и трещиноватости в соответствии с коэффициентами трещиноватости.

Таблица Классификация породных массивов по трещиноватости и сцеплению пород
Показатели	Единицы измерения	Типы массивов
малотрещиноватые	трещиноватые	интенсивно трещиноватые
Коэффициент трещиноватости	Число трещин на 1 м керна	до 3-5	15-25	свыше 25-30
Сцепление	МПа	7-70	2-3	0,5-1

На фиг.1 приведен разрез месторождения с дифференцированными по глубине карьера углами откоса уступов борта.

На фиг.2а, 2б, 2в, 2 г, 2д приведены графики изменения величины сцепления и угла внутреннего трения породного материала по мере уменьшения его крупности d. При блоках размером 1 м более сцепление пород достигает 7-10 МПа, а угол внутреннего трения 45° и более.

Пример конкретного исполнения

Для Ньоркпахского месторождения апатито-нефелиновых руд, отрабатываемого одноименным карьером рудника “Восточный” ОАО “Апатит” на основе учета всех влияющих факторов, таких как большая нарушенность пород на верхних горизонтах (крупная блочность пород), влияние массовых взрывов в карьере, снижающих сцепление между блоками до минимальных значений и зоной распространения до 50-100 м, выветриванием пород на верхних горизонтах на ширину до 20-30 м за 20 лет работы карьера определены параметры устойчивых откосов уступов и участков борта до конца отработки месторождения карьером.

На средних и особенно нижних горизонтах ширина зоны нарушений постоянно снижается и составляет 5-10 м при отработке последнего горизонта.

Коэффициенты А и х, определяющие закономерность снижения коэффициента трещиноватости массива с глубиной, составили соответственно А=116, х=0,43. В соответствии с установленной зоной нарушений по глубине карьера (Нк=260-390 м) определены устойчивые углы откосов уступов и участков борта. Они составили на верхнем горизонте 50-55°, на последующих с увеличением до 60-70° (средние горизонты) и до 80-85° — на нижних, причем два последних сдвоенных уступа (участок борта Ну=60 м) имеют угол 90° (вертикальные сдвоенные уступы) с бермой 5-10 м для безопасности выполнения работ. Угол откоса борта на этом участке составит 78-80°.

По проекту угол откоса борта (плоский) 46-47°. По предлагаемому способу крутизна борта 56-57°, что обеспечивает снижение объема пород в бортах от разноса по сравнению с проектом до 35-38 млн.м 3 .

Для глубокого Коашвинского карьера рудника Восточный ОАО “Апатит” (Нк=600-800 м) участок борта в глубокой части карьера с минимальным нарушением законтурного массива определены три сдвоенных вертикальных уступа по 30 м с бермами шириной 5-10 м (участок борта Ну=90 м), угол откоса участка борта — 78-80°. На карьерах высота уступов h=15 м, щелеобразование производится бурением скважин диаметром 100-120 мм.

Способ заоткоски и отстройки борта карьера, включающий нарезку уступов с изменяющимися углами, отличающийся тем, что дифференцированные по глубине карьера углы откосов сдвоенных уступов образуют с учетом снижения параметров нарушений с глубиной месторождения при естественной блочности верхних горизонтов и влияния массовых взрывов и выветривания пород с постепенным увеличением их крутизны до оформления вертикальных откосов сдвоенных уступов при доработке карьера, причем углы откосов уступов и участков борта на верхних горизонтах в скальных сильнотрещиноватых породах составляют 50-55°, среднетрещиноватых и трещиноватых — 70-60° и в малотрещиноватых породах могут составлять 80-85°, а участки борта высотой 60-90 м в глубокой части карьера с вертикальными сдвоенными уступами и предохранительными бермами 10 м имеют угол откоса 80-85°.