Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ КРУТЫХ ОТКОСОВ

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке глубоких горизонтов кимберлитовых трубок в условиях криолитозоны Севера.

Известен способ укрепления откосов на карьерах при помощи канатов, пропускаемых через скважины, которые забуриваются с подуступа развала, сформированного из взорванной породы, по меньшей мере, двумя рядами, параллельными простиранию уступа, при этом канаты каждого ряда соединяют друг с другом, натягивают и фиксируют (см. RU 825956, кл. E21C 41/00, 1981).

Недостатками известного способа являются повышенная опасность проведения работ на развале взорванных пород и высокая трудоемкость ввиду значительной доли ручного труда.

Известен способ укрепления уступов на карьерах при помощи канатов, пропущенных через скважины до их выхода на поверхность уступа, которые бурят из штолен, пройденных со стороны откосов уступов (см. RU 840360, кл. E21C 41/00, 1981).

Недостатком известного способа является низкая эффективность крепления сильно трещиноватых и слоистых массивов.

Известен способ укрепления уступов при помощи цементации тросовых анкеров, вводимых в многозабойные наклонно направленные скважины с расширением участков скважин в забое (см. RU 1092246, кл. E02D 17/20, 21C 41/00, 1981).

К недостаткам известного способа можно отнести технически сложное осуществление забуривания и расширение указанных скважин с обеспечением требуемого заданного направления скважин.

По известному способу укрепление горного массива производится из предварительно пройденных подземных горных выработок по периметру карьера в массиве его уступа за пределами зоны сдвижения горных пород в прибортовой части карьера (см. Михайлов Ю.В. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых: Подземная разработка рудных месторождений в сложных горно-геологических условиях: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений - М.: «Академия», 2008. - С.139-143). Способ используется при креплении трещиноватого горного массива. Крепление осуществляется с помощью анкеров, в качестве которых используются металлические тросы. Для усиления устойчивости горного массива стальные тросы устанавливают в скважины с последующей цементацией по веерам скважин. При этом достигают дополнительное усиление естественного свода горной породы. В горной промышленности полностью зацементированные тросовые анкера используются преимущественно для усиления массива трещиноватых горных пород.

Однако этот способ характеризуется отсутствием рекомендаций по размещению как самих скважин в веере, так и рядов вееров скважин в трещиноватом массиве, а также невозможностью регулирования из подземных выработок сохранения внешней части массива (на его откосе) от возможных обрушений, вывалов либо осыпаний.

Известен также способ предотвращения осыпания и удержания вывалов пород с откоса уступов на транспортные съезды с использованием тросово-сетчатых завес (см. Александров И.Н., Шмырко А.Н., Шубин Г.В., Кирюшин Д.И. Создание безопасных условий отработки сверхглубоких карьеров Якутии: (на примере доработки карьера трубки «Удачная»). - Новосибирск: Наука, 2005. - С.21-22) Основными элементами конструкции тросово-сетчатой завесы являются несущие анкера, комплект тросов различного диаметра, металлическая сетка «рабица», элементы соединения. Механизм работы тросово-сетчатой завесы основан на удержании и погашении кинетической энергии падающих кусков породы при осыпаниях или вывалах с откосов уступов борта.

Основным недостатком прототипа является невозможность глубинного укрепления трещиноватого массива, когда велика вероятность вывала значительных объемов пород из массива с разрушением тросово-сетчатой завесы. Кроме того, данный способ отличают высокие требования к несущей способности анкеров, а следовательно, значительные трудозатраты на забуривание скважин под металлические анкера и их установку в стесненных условиях рабочей зоны.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в повышении эффективности и надежности укрепления локальных участков трещиноватого породного массива.

Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в комплексном укреплении трещиноватого массива, как изнутри массива при помощи тросовых анкеров, введенных в веера скважин, обуренных из предварительно пройденной кольцевой буровой выработки, размещенной по периметру карьера в нижней его части, так и с его внешней стороны при помощи тросово-сетчатой завесы, размещенной на локальных участках откосов крутых уступов с использованием ее элементов, размещенных в предварительно созданных сквозных вертикальных скважинах.

Для решения поставленной задачи способ укрепления крутых откосов, включающий проходку подземной выработки по периметру карьера за пределами зоны сдвижения горных пород в прибортовой части карьера, обуривание вееров скважин в вертикальной плоскости с размещением в скважинах тросовых анкеров и цементирование их, отличается тем, что крайнюю в веере вертикальную скважину делают сквозной для размещения элементов тросово-сетчатой завесы, расстояние между концами скважин в веере а и горизонтальное расстояние между веерами b принимают не менее среднего размера структурного блока породы l_{стр. б} и устанавливают по соотношению а≤l_{стр. б}, b≤l_{стр. б}, но не более длины, определенной по несущей способности крепежных канатов при навеске завесы и ее продольных параметров. Кроме того, у основания сквозной вертикальной скважины устанавливают металлический анкерный замок диаметром 3-5 диаметра скважины, причем крайние веера скважин размещают по границам локальных участков трещиноватого массива.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

В предлагаемом способе новыми признаками являются:

- использование нового принципа укрепления локальных участков трещиноватого массива как со стороны внутренней, так и внешней его частей;

- применение новой технологической схемы комплексного использования каждой из скважин вееров, пробуренных из подземной выработки, для размещения отдельных элементов анкерного крепления как из внутренней, так из внешней частей массива;

- использование новой схемы размещения скважин в веере и рядов вееров скважин в зависимости от параметров трещиноватости укрепляемого локального участка массива.

Все указанные новые признаки исключают недостатки существующих способов крепления локальных участков трещиноватых массивов с крутыми откосами и обеспечивают следующие положительные свойства:

- длительную сохранность наиболее неустойчивой части трещиноватого массива;

- более надежное крепление замков анкеров при использовании всей длины сквозной подземной вертикальной скважины с использованием запорной плиты для крепления тросового анкера у ее основания;

- снижение стоимости и трудоемкости работ за счет использования подземных вертикальных скважин веера для размещения в них тросовых элементов тросово-сетчатой завесы вместо значительного числа скважин, забуриваемых с поверхности бермы;

- высокая степень механизации при производстве укрепительных работ.

Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема забуривания рядов вееров скважин из подземных буровых выработок и размещение тросово-сетчатой завесы, на фиг.2 схематически показан ее разрез по линии А-А, фиг.3 - разрез по линии Б-Б, фиг.4 - схема расположения сквозной вертикальной скважины в буровом штреке (узел 1), на фиг.5 показана схема расположения сквозной вертикальной скважины с крепежным замком в виде башмака у ее основания, фиг.6 - схема размещения тросового анкера в вертикальной сквозной скважине выходящего на поверхность откоса на всю длину закрепляемого участка тросово-сетчатой завесы, фиг.7 - общий вид укрепленных локальных участков по контуру карьера, фиг.8 - схема для расчета на примере отработки малой кимберлитовой трубки.

Способ укрепления локальных участков трещиноватого массива при постановке высоких уступов с крутыми углами откосов (вплоть до вертикальных) осуществляется следующим образом (см. фиг.1-7).

Из предварительно пройденных по периметру карьера кольцевых подземных выработок 1 осуществляют забуривание вееров скважин 2 для последующего ввода в них тросовых анкеров 3 и цементации скважин 4. Пробуренная в веере сквозная вертикальная скважина 5 (до выхода на горизонтальную поверхность верхней площадки 6 бермы крутого откоса уступа) предназначена для пропуска через нее крепежных канатов 7 для навески на них элементов тросово-сетчатой завесы 8 на крутом откосе уступа 9. Для обеспечения устойчивого закрепления крепежных канатов в вертикальной скважине ее основание оснащается металлическим башмаком (замком) 10, который при натяжении крепежных канатов при навеске тросово-сетчатой завесы плотно прилегает к поверхности свода подземной горной выработки в основании сквозной вертикальной скважины, выполняя функции замка анкера. Для закрепления начала тросового анкера диаметр башмака составляет 3-5 диаметра скважины (d_скв). Крайние веера сквозных скважин размещают по границам локальных участков трещиноватого массива.

Проведение подземных горных выработок ведется традиционными способами с использованием буровзрывных работ на проходке либо с использованием комбайнового способа с помощью проходческих комбайнов. Кольцевая подземная горная выработка проходится за границей зоны сдвижения пород борта карьера 11.

Бурение вееров скважин осуществляется из буровой выработки при помощи буровой установки, например, Cabolt фирмы Tamrock. Она позволяет проводить крепление трещиноватого массива тросовыми анкерами длиной от 1,0 до 25,0-40,0 м. Установка Cabolt - это полностью механизированная электрогидравлическая буровая установка, которая ведет бурение, манипулирует штангами, подает цемент и тросы. При этом это полностью автономный и механизированный агрегат, управляемый одним человеком. Высокая степень механизации означает улучшенные условия работы и большую безопасность для оператора. Ходовое шасси специально разработано для использования в подземных условиях, его центрально-шарнирное соединение способствует дополнительной маневренности. При этом смешивание раствора происходит в растворосмесителе, расположенном на буровой установке. Место хранения мешков с цементом находится на задней части установки. В процессе работы установка Cabolt занимает устойчивое положение с помощью гидравлических домкратов. Рабочая платформа опускается на необходимый уровень для приема мешков с цементом. Цементный раствор подается в конец скважины через жесткий нейлоновый шланг. Установка имеет собственную систему подачи воды под высоким давлением, которая облегчает оператору процесс очистки смесителя и рабочего устройства. Для размещения тросовых анкеров используются буровые штанги диаметром 32 мм. Управление штангами полностью механизировано и осуществляется дистанционно. На барабане находится 900 м троса. В качестве тросовых анкеров используются стальные тросы с диаметром 15,2 мм с разрывным усилием 250 кН. В скважине трос цементируют цементным раствором. Наилучшие результаты достигаются при водоцементном отношении, равном 0,3. Низкое количество воды обеспечивает хороший предел прочности затвердевшего цемента и прочную связь между цементом и тросом. При необходимости увеличение разрывного усилия установка Cabolt позволяет разместить в скважине два троса, т.е. обеспечить разрывное усилие до 500 кН.

Для тросов бурят скважины диаметром 51 мм. После того как скважина пробурена на необходимую глубину, штанги убирают. Для подачи цементного раствора шланг вводится в забой скважины. По мере накачивания цементного раствора в скважину шланг убирается. При этом скважина перегружается раствором примерно на 20%, чтобы исключить образование воздушных карманов.

Подача и обрезка тросов полностью механизирована. Для наилучшего сцепления между цементным раствором и тросом последний должен быть чистым, поэтому он находится в нейлоновом шланге на всем расстоянии от задней буровой каретки до пробуренной скважины. За длиной троса можно наблюдать по цифровому глубиномеру. Когда трос установлен, его отрезает гидравлический резак. В случае установки троса в вертикальные скважины он может быть автоматически согнут во избежание выскальзывания.

Для достижения необходимого качества укрепления внутренней части трещиноватого массива расстояние между концами скважин a (тросовых анкеров) в веере и расстояние между веерами по горизонтали b принимают не более среднего размера структурного блока породы l_{стр. б}, то есть a≤l_{стр. б}; b≤l_{стр. б}.

Расстояния между рядами вееров скважин b (фиг.3, 7), где устанавливаются крепежные канаты 7 в вертикальные скважины 5, определяется длиной локального участка нарушений, но не более 5 метров исходя из несущей способности крепежных канатов. Для повышения надежности крепления крепежных канатов в сквозной вертикальной скважине у ее основания располагают металлический башмак (анкерный замок). В нем закрепляется основание крепежного каната, диаметр башмака не менее 3-5 диаметров скважины (см. фиг.4-6).

Для установки тросово-сетчатых завес на локальных участках поверхности бермы выполняется следующий перечень работ:

- планировка предохранительной бермы 6, на которой предусматривается расположение крепежных канатов и отдельных коротких поверхностных анкеров под тросово-сетчатую завесу;

- тщательная оборка откосов уступов на участках размещения тросово-сетчатой завесы;

- бурение сквозных вертикальных скважин 5 из подземных выработок 1 и бурение отдельных коротких скважин 11 с поверхности под короткие анкера для закрепления траверсы;

- установка анкеров с использованием средств механизации;

- сооружение и установка траверсы с использованием бульдозеров, располагающихся на горизонте заложения анкеров и горизонте подъема завесы;

- формирование участков завесы из металлической сетки «рабица», их обвязка;

- соединение траверсой, подъем траверсы с сеткой на необходимую высоту.

Техническая сущность и преимущество нового технического решения раскрыты на примере отработки малой кимберлитовой трубки.

Исходные данные для расчетов (см. фиг.8):

- Глубина карьера, Н_к=300 м;

- Угол откоса борта карьера, γ=50°;

- Диаметр кимберлитовой трубки, d=100 м.

Расчеты выполнены в следующей последовательности.

1. Определяем объем удаляемой горной массы из всего карьера - V_г.м. (по формуле усеченного конуса):

;

где Д_п, Д_д - диаметр карьера по дневной поверхности и по дну, соответственно, м.

Диаметр карьера по дну Д_д равен диаметру кимберлитовой трубки на данной глубине, т.е. Д_д=d=100 м. При этом диаметр карьера по дневной поверхности составит:

Д_п=Д_д+2·H_к·ctgγ=100+2*300*0,8391=600 м

и объем удаляемой горной массы -

При использовании обычного способа планируемая глубина разработки составит 340 м. В этом случае

Д_п=Д_д+2·H_к·ctgγ=100+2*340*0,8391=670 м

и объем удаляемой горной массы -

При этом выход горной массы составит:

V₂=46,788-33,755=13,033 млн.м³

При использовании заявляемого способа:

V₁=πR²H=3,14*50²*40=0,314 млн.м³

В данном случае достигается уменьшение выхода горной массы на:

V₃=13,033-0,314=12,719 млн.м³

Расчет прочности канатов устанавливают из условия, что стальные канаты работают на растяжение и изгиб. При расчете канатов в данном случае влияние изгиба принято не учитывать. Таким образом, канаты рассчитываются только по разрывному усилию на растяжение по следующей формуле:

S=R/k,

где S - допустимое усилие на канат в кг; R - разрывное усилие каната в кг, полученное по справочным сведениям, из технической характеристики или опытным путем в лаборатории; k - коэффициент запаса прочности каната.

Длительный опыт применения металлических канатов для сооружения тросово-сетчатых завес на глубоких карьерах в условиях Севера позволяет принимать с достаточным запасом прочности металлические канаты максимальным диаметром 32-37 мм с разрывным усилием не менее 139 кг/мм.