Способ формирования отвала

 

Изобретение относится к горной промышленности. Целью изобретения является обеспечение безопасных условий отсыпки высоких отвалов с большой вместимостью в условиях сильно пересеченной и горной местности. Большая вместимость достигается за счет отсыпки отвала одним ярусом или последовательным объединением нескольких ярусов в один отвал с углом погашения 36-38^o . Устойчивость отвала обеспечивается за счет активного управления гранулометрическим составом складируемых пород с учетом эффекта сегрегации и выбора направления фронта отсыпки, учитывающих наклон основания и его шероховатость. 1 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, а конкретно к открытым горным работам. Оно может быть использовано при отсыпке отвалов, складов сыпучих материалов и высоких насыпей, отсыпаемых на наклонное основание.

Известен способ формирования отвала, при котором отсыпка отвала на наклонное основание ведется ярусами малой высоты с длительным интервалом времени между отсыпкой каждого из них, необходимым для консолидации грунтов [1] Недостатком данного способа является то, что результирующий угол откоса отвала мал и, как следствие, емкость отвала, состоящая из суммы емкостей всех ярусов, небольшая из-за угрозы скольжения отвала по контакту с основанием за счет качения по слою крупных глыб. В качестве средства борьбы с этой угрозой рекомендуется отсыпка предотвала, что особенно в условиях гористой местности требует строительства дорогостоящих дорог.

Известен способ формирования отвала на наклонное основание, заключающийся в отсыпке отвала, в котором устойчивость отвала обеспечивается за счет ограничения их высоты, с террасированием склона или без него, при этом частота и ширина террас подбирается опытным путем. Предельно допустимая высота отвала рассчитывается без учета возможности скольжения отвала по контакту с основанием [2] Недостатком известного способа является то, что ограничение высоты отвала резко снижает его вместимость, а террасирование склона существенно повышает себестоимость шага между террасами, а ошибки в определении размера шага неизбежно создают аварийную ситуацию, определение предельно допустимой высоты отвала предлагаемым путем не обеспечивает достаточной точности расчетов, из-за чего коэффициент запаса устойчивости оказывается завышенным.

Целью изобретения является повышение емкости отвала на единицу занимаемой площади за счет увеличения его высоты и угла наклона при одновременной гарантии устойчивости как отдельных ярусов, так и всего отвала.

Достигается это тем, что в способе формирования отвала, заключающемся в отсыпке отвала на высоту, определяемую из условия устойчивости отвала, оценку устойчивости производят с учетом гранулометрического состава складируемой горной массы и изменения гранулометрического состава породы в процессе движения по склону яруса, а также угла наклона основания отвала и шероховатости поверхности.

На чертеже представлена схема к построению поверхности скольжения отвала по наклонному основанию.

Управление устойчивостью отвала обеспечивается за счет подбора соответствующей горной массы и способа ее складирования или за счет изменения направления отсыпки. Это стало возможным за счет обобщения результатов многолетних исследований сегрегации горной массы и ее механических характеристик при отсыпке отвалов на склоны в условиях Ковдорского, Азербайджанского, Коршуновского и Оленежского ГОКов и ряда рудников Урала.

Результаты этих обобщений позволили получить ряд эмпирических уравнений, обеспечивающий возможность расчета изменения гранулометрического состава горной массы по высоте отвального яруса, характеризуемого средним размером обломков и их коэффициентом неоднородности, а также угла внутреннего трения горной массы в отвале коэффициента трения качения крупных глыб по контакту с основанием.

Предлагается порядок расчета устойчивости отвалов, учитывающий опасность его смещения по склону за счет качения слоя крупных глыб по поверхности склона.

Коэффициент неоднородности (Kⁱ_н) и средний размер обломков (dⁱ₅₀) горной массы, слагающей отвальный ярус на глубине h_i от его верхней площадки, определяются по формулам: где K^m_нⁱⁿ минимальный коэффициент неоднородности крупнообломочного материала, равный отношению максимального и минимального размеров крупных глыб; K^m_н^ax коэффициент неоднородности исходной складируемой в отвал горной массы; d^o₆₀ и d^o_i размер обломков исходной горной массы, соответствующий накопленной частости 60 и i процентов (определяются по кумулятивной кривой гранулометрического состава); Н высота отвального яруса; hi расстояние по вертикали от верхней площадки яруса до расчетного слоя;
h_o высота начала сегрегации (для бульдозерных отвалов h_o 4-5 м);
i относительная глубина расчетного слоя,

Угол внутреннего трения горной массы в пределах расчетного слоя (ϕ_n) с учетом нормативного коэффициента запаса 1,20 равен

где b коэффициент, учитывающий прочность обломков;
d_o размер обломков стандартной смеси (d_o= 0,035м);
σ_o стандартная уплотняющая нагрузка (σ_o 0,1 МПа);
σ_i нормальное напряжение по поверхности скольжения в i-том слое;
ϕ_o угол трения стандартной смрси.

Угол трения качения крупных глыб на контакте склоном () с учетом нормативного коэффициента запаса равен

где линейный коэффициент трения качения склона;
R_max максимальный радиус обломков на контакте со склоном;

d^ma₅₀^x максимальный размер глыб горной массы, слагающих слой на контакте со склоном.

Расчет устойчивости отвала осуществляется по методу многоугольника сил, при этом местоположение наиболее слабой поверхности скольжения и ее построение производится в следующем порядке (см.чертеж): строится поперечный разрез яруса высотой 9 и углом откоса 10; находится местоположение точки пересечения криволинейной поверхности скольжения 5 со склоном 2 (точка D находится в середине интервала ВС, при этом местоположение точки В определяется вертикальной проекцией верхней бровки на основание, а точки С лучом АС, проводимым от верхней бровки яруса под углом наклона β:
β = 0,5(45°+0,5ϕ_n+Θ+δ), (7)
где δ угол наклона основания (склона) 6; q угол перелома поверхности скольжения 4:

Из точки D под углом наклона к горизонту проводится хорда, стягивающая дугу скольжения 1; из точки Е проводится касательная к дуге скольжения под углом
ω₁= 45°+0,5ϕ_n (9)
и вторая касательная под углом
ω₂= δ+Θ (10)
затем определяется местоположение центра дуги скольжения как точки пересечения перпендикуляров к касательным в точках Е и D и проводится сама дуга ЕD; определяется местоположение грани DF, являющейся границей между призмой активного давления 7 и призмой упора 8, при этом EDF равен ϕ_n определяются площади призм EDFA и DFO с учетом масштаба чертежа и вес ограниченного ими объема горной массы (для плоской задачи); производится построение многоугольника сил по известной методике и оценивается устойчивость отвала.

Пример расчета произведен для отвала N 3 Приморского производственного объединения "Бор", отсыпка которого имеет следующие особенности: участок отсыпки представляет собой межгорную долину с крутизной склонов до 35^o и более. Разность отметок между автодорогой, соединяющей карьер с участком отсыпки отвала более 200 м. Из-за высокой крутизны склонов с целью обеспечения устойчивости отвала проектом предусмотрена проходка полутраншей по обеим бортам долины с которых и должна производиться отсыпка отвала. При этом фронт отсыпки будет продвигаться вниз по склону. В верхней части долины склоны сложены скальными породами, а в нижней более пологой крупнообломочными образованиями, смещающимися в сторону ручья.

Учитывая, что при высоте яруса более 30 м в его основании будут скапливаться обломки максимального размера (согласно R_max 0,40 м), а неровности склона, определяющие сопротивление качению крупных глыб в среднем не превышают 0,12 м, предельный угол наклона склона, при котором отвал будет сохранять устойчивость при с учетом нормативного коэффициента запаса 1,20 не должен превышать 14^o, т.е. отсыпка отвала по проектной схеме невозможна из-за опасности его обрушения. По экономическим соображениям было бы более целесообразно производить отсыпку отвала одним ярусом непосредственно от места выхода карьерной автодороги на границу участка отвалообразования с продвиганием фронта отсыпки вниз по тальвегу ручья. Высота яруса при этом может достичь 250-300 м, что возможно только при достаточно высокой устойчивости отвала.

Исходная горная масса, складируемая в отвал N 3, имеет следующие характеристики: d¹_o⁰ 0,05 м; d²_o⁰0,11м; d³_o⁰ 0,16 м; d⁵_o⁰ 0,33 м; d⁶_o⁰ 0,42 м; d⁷_o⁰0,50 м; d⁹_o⁵ 1,00 м; d_max 1,5 м; K^m_н^ax 8,4; K^m_нⁱⁿ 1,6. Расчет значений dⁱ_o и Kⁱ_н а также угла сопротивления сдвигу ϕ_n для каждого слоя яруса производился по формулам (1)-(6). При этом было установлено, что угол сопротивления сдвигу горной массы в теле отвала ϕ_n колеблется в пределах 55-57^o а угол откоса яруса α_o даже в его верхней части не превышает 38^o и в среднем будет равен 32-33^o. В этом случае фактический коэффициент запаса устойчивости отвала может быть определен как отношение tgϕ_n к tgα,, т.е. n_ф 2,3.

Обрушение отвала по контакту со склоном также невозможно, поскольку угол наклона долины по тальвегу ручья "Длинный" не превышает 8^o в то время как угол трения качения по склону согласно (9) для рассматриваемых условий (R_max 0,53 м; 0,13 м) равен 14^o т.е. и в этом случае фактический коэффициент запаса выше нормативного (n_ф 1,75).

Переход на отсыпку по предлагаемой схеме не только обеспечит устойчивость отвала на любой стадии его развития, но и позволяет отказаться от проходки полутраншей по склону и обеспечит резкое сокращение дальности транспортировки горной массы.

Формула изобретения

Способ формирования отвала, заключающийся в отсыпке отвала на высоту, определяемую из условий устойчивости, отличающийся тем, что оценку устойчивости отвала производят с учетом угла трения качения крупных обломков по основанию и угла внутреннего трения горной массы (ϕ_н ), которые определяют с учетом сегрегации в процессе движения горной массы по формулам

где K^*_c линейный коэффициент трения качения;
R_max максимальный радиус обломков в слое;

где b коэффициент, учитывающий прочность обломков;
dⁱ₅₅ средний размер обломков в слое;
d_o размер обломков стандартной смеси;
σ_o стандартная уплотняющая нагрузка при сдвиге;
σ_i нормальное напряжение на поверхности скольжения;
ϕ_o угол сопротивления сдвигу стандартной смеси,
затем определяют положение поверхности скольжения и предельно допустимую высоту отвала, после чего производят отсыпку отвала.

РИСУНКИ

Рисунок 1