3.5. Конструкции и устойчивость бортов карьеров
Практически возможен случай открытой разработки небольших по размерам в плане и круглых по форме залежей полезного ископаемого с вертикальными (или близкими к ним) откосами бортов карьера. При этом используют известный из практики строительства глубоких фундаментов метод «опускного колодца» , когда выемка пустых пород и полезного ископаемого производится открытым способом, а удержание вертикальных откосов осуществляется мощной бетонной и железобетонной крепью, опускаемой под давлением в толщу породного массива по мере углубления горных работ. Освоенные при таком способе глубины составляют 40—60 м, а диаметры «опускного колодца»— 20—60 м. Расчеты показывают возможность увеличения глубин до 150—200 м (при ступенчатых колодцах) и диаметров до 100—150 м. Эффективность такого способа доказывается расчетами применительно к конкретным условиям.
Типичным для открытых горных работ является выполаживание («разнос») бортов при удалении вскрышных пород до углов, обеспечивающих устойчивость и безопасность открытых горных работ. Угол откоса нерабочего борта γН (градус) по глубине карьера зависит от конструкции борта (чередования и ширины берм различного назначения), от угла откоса и высоты уступов:
где bТ и bП — ширина соответственно транспортных и предохранительных берм, м; Ну — высота уступа, м; а —угол откоса уступа, градус.
Аналогичным выражением характеризуется угол заложения (градус) рабочего борта карьера:
где ШР.П. —ширина рабочей площадки уступа, м.
При одинаковых величинах ШР.П, Ну и а по глубине карьера угол γР приближенно определяется параметрами одного рабочего уступа.
Угол откоса нерабочего борта карьера возрастает с увеличением высоты уступов и уменьшается при размещении на борту транспортных берм и съездов, а также при разработке в сложных инженерно-геологических условиях, когда уменьшаются углы откосов нерабочих уступов и увеличивается ширина предохранительных берм. Уменьшение общего угла откоса борта глубоких карьеров на 3—5° приводит к увеличению объема вскрышных работ на десятки миллионов кубических метров. Так, например, при глубине карьера 500 м и уменьшении угла откоса борта с 45 до 40° объем породы в карьере увеличивается на 24 млн.м3 на каждые 1000 м длины борта.
Углы откосов нерабочего борта по условиям устойчивости зависят от прочности пород, состояния и структуры породного массива.
Необходимо не только определять устойчивые углы наклона бортов карьеров, но и научиться управлять состоянием массива горных пород для получения высоких экономических показателей и лучшего использования недр и земельных ресурсов.
Под управлением состояния массива горных пород понимается комплекс научных и технических мероприятий, направленных на достижение оптимальных параметров карьерных откосов, при которых обеспечивается безопасность ведения горных работ и их максимальная экономическая эффективность. Комплекс этих мероприятий определяется природными и горно-техническими условиями разработки месторождений.
Критериями оптимальности при этом могут служить минимизация приведенных затрат или максимизация прибыли, подсчитанные с учетом всех возможных в данных условиях вариантов формирования равноустойчивых бортов карьера с различными углами наклона и при различных способах их искусственного укрепления.
Исходные принципы управления состоянием массива горных пород.
1. Принимаемые углы откосов бортов карьеров должны обеспечивать безопасное (для людей и оборудования) ведение горных работ и наибольшую экономичность разработки месторождения.
2. Коэффициент запаса устойчивости бортов карьеров следует устанавливать по стадиям:
при проектировании (на основании разведочных данных);
при строительстве карьера и в первый период его эксплуатации (на основании данных горно-строительных и эксплуатационных работ) для обеспечения устойчивости рабочих и промежуточных бортов карьеров;
при подходе горных работ к предельному контуру (на основании данных длительной эксплуатации) для определения предельных контуров карьеров.
3. В сложных условиях, особенно в глубоких карьерах, необходимы специальные меры по управлению состоянием пород в бортах карьеров и специальные службы по наблюдению за устойчивостью бортов и контролю проводимых инженерных мероприятий.
Комплексная методика технологического управления состоянием пород в бортах карьеров включает методики:
выбора оптимального направления развития горных работ с учетом условий устойчивости бортов карьеров;
управления состоянием пород в бортах путем изменения их конструктивных параметров;
постановки бортов в предельное положение.