книги из ГПНТБ / Фисенко, Г. Л. Укрепление откосов в карьерах
.pdfОсобый интерес как укрепляющие растворы представляют раз личные виды с и н те т и ч е с к и х с мо л ( с м о л и з а ц и я ) .
Работы по изысканию способов укрепления горных пород с по мощью синтетических смол широко ведутся как за рубежом, так
ив Советском Союзе. Испытываются эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные, карбамидные, мочевино-формальдегидные
имеламино-мочевино-формальдегидные смолы.
Вусловиях открытых горных работ наиболее целесообразно применение эпоксидных и карбамидных смол. Это сравнительно недорогие и недефицитные материалы, обладающие при затверде вании высокими физико-механическими характеристиками.
Применение способа смолизации для укрепления мелкотрещи новатых скальных, полускальных и песчаных пород позволяет улуч шить их физико-механические свойства. Предел прочности укреп ленных пород на сжатие повышается до 50 кгс/см2 в зависимости от концентрации смолы, отвердителей и их объемного соотноше ния в растворе, пылеватые породы становятся водонепроницае мыми. Укрепление возможно в сложных гидрогеологических усло виях, в которых другие способы неприменимы или дают неудовле творительные результаты.
Основным преимуществом укрепляющих растворов является их повышенная проникающая способность. Растворы на основе акрил амида обладают вязкостью, мало отличающейся от вязкости воды.
Вгорной промышленности США широко применяется тампонаж ный материал АМ9, а в Японии разработан подобный же мате риал сумисойл. В отечественной практике для укрепления песча ных оснований в промышленном строительстве используется кар бамидная смола крепитель М. Разработано несколько рецептов
растворов на основе мочевино-формальдегидных смол типа МФ-17 и др.
Синтетические смолы упрочняют тонкозернистые обводненные пески и мелкотрещиноватые горные породы, а также возводят непроницаемые противофильтрационные завесы. Исследователь ские работы в этой области ведутся в ИГД им. А. А. Скочинского. Наряду с опытами по упрочнению пород при проходке горных выработок, был укреплен участок песчаного уступа на буроуголь ном разрезе Александрийского комбината.
Т е р м и ч е с к и й с п о с о б укрепления |
горных пород приме |
няется для: а) укрепления просадочных |
глинистых и лёссовых |
пород оснований при строительстве промышленных и гражданских зданий и сооружений; б) ликвидации аварийного состояния зданий и сооружений в результате неравномерных осадок; в) борьбы с оползневыми явлениями при строительстве каналов, дорог, гидро станций, карьеров и т. д.
Институтом ЮжНИИ разработано два способа производства термического укрепления пород.
Первый способ заключается в нагнетании под давлением в по роды через жароупорные трубы и скважины горячего воздуха,
51
предварительно нагретого до температуры 600—800° в экономай зерах. Нагретый воздух компрессором нагнетается по термоизоля ционному трубопроводу и через герметический затвор в скважину. Горячий воздух, проникая через трещины и поры в породе, обжи гает их, создавая вокруг скважины укрепленную зону в виде цилиндра диаметром 2—3 м.
Сущность второго способа заключается в термической или тер мохимической обработке пород горячими газообразными продук тами горения, обогащаемыми при необходимости химическими добавками. В этом случае горючее (жидкое или газообразное) с помощью насосной установки подается к форсунке, установлен ной в затворе скважины. Одновременно с подачей горючего, ком прессором к форсунке подается сжатый воздух, необходимый для увеличения степени проникновения горючих газов в породы.
При работах по укреплению пород в скважине избыточное дав ление должно быть в пределах 0,25—0,5 кгс/сма для усиления ин фильтрации раскаленных газов в породы, что достигается путем нагнетания в скважину холодного воздуха под давлением. Для поддержания избыточного давления устье скважины тщательно герметизируют и уменьшают газопроницаемость верхней зоны пород.
При термическом способе укрепления слабых пород скважины могут располагаться вертикально, горизонтально, наклонно или комбинированно, что определяется конкретными условиями укреп ляемого участка и характером залегания пород. Для термического укрепления применяются скважины диаметром 150—220 мм. Рас стояние между ними устанавливается в зависимости от конфигу рации и размеров участка. Опытными работами установлено, что расстояние между скважинами можно принимать около 2—2,5 м, ибо практика укрепления неустойчивых лёссовых и глинистых по род показала, что радиус укрепления одной скважины состав ляет 1—1,5 м.
Интересен способ укрепления откосов пород, способных уплот няться (глины, суглинки, лёссы), путем уплотнения взрывом, раз рабатываемый институтом ВИОГЕМ. Опытные работы были выполнены на Михайловском карьере КМА [9]. Для укрепления участка уступа бурится ряд скважин на расстоянии 2—3 м друг от друга и производится прострелка каждой скважины неболь шими камуфлетными взрывами. При взрывании образуется котел, а породы в зоне, прилегающей к стенкам скважины, уплотняются, что повышает их механическую прочность и устойчивость. Для более полного и эффективного использования скважин в последние после взрыва опускают металлическую арматуру (например, рельсы и другой прокат черных металлов) и заполняют скважины бетоном (рис. 11.13).
В результате вокруг каждой скважины образуется зона уплот ненных пород, что при правильном выборе расстояния между сква
52
жинами в ряду позволит избежать «обтекания» упрочненных зон породой и обеспечит устойчивость откоса.
Данный метод требует дополнительной проверки в производст венных условиях, однако уже сейчас есть основания считать, что его внедрение в определенных горно-геологических условиях может оказаться весьма эффективным.
Рис. 11.13. Полости, |
образован |
Рис. |
11.14. Схема |
расположе |
||
ные камуфлетными |
|
взрывами, |
ния |
скважин |
для |
разрушения |
заполненные бетоном |
(по дан |
слабого слоя |
и перемешивания |
|||
ным П. А. Власова): |
|
пород: |
1 — скважины: 2 — заполненные бе |
1 — слабый |
прослой: 2 — скважины; |
тоном полости |
3 — зона |
разрушенных пород |
Известен и другой вариант использования энергии взрыва. Если имеется контакт слабых и крепких пород, сцепление и трение по которому незначительны, при увлажнении таких контактов часто возникают покровные оползни. Стабилизировать такой оползень можно путем разрушения взрывом и перемешивания пород, зале гающих в ослабленной зоне. Этим способом ликвидирован опол зень на Златоуст-Беловском карьере [29]. Эффект укрепления мож но повысить путем нагнетания укрепляющих растворов в раздроб ленную зону (рис. 11.14).
§4. УКРЕПЛЕНИЕ ОТКОСОВ ГОРНЫХ ПОРОД
СПОМОЩЬЮ ИЗОЛИРУЮЩИХ п о к р ы т и и
Изолирующие покрытия поверхности откосов служат для предо хранения горных пород от влияния различных агентов выветрива ния. Процессы выветривания особенно активизируются в местах интенсивной трещиноватости и общей нарушенное™ горных пород. Вообще выветриванию и осыпанию подвержены горные породы, слагающие все поставленные в предельное положение уступы. Но интенсивность осыпания будет различной в зависимости от склон ности горных пород к выветриванию, способа заоткоски уступов и пр.
При выборе способа покрытия поверхности откосов необходимо учитывать условия работы изолирующего слоя. Покрытие, выпол няющее исключительно функцию изолятора, имеет назначение
S3
преградить доступ к горным породам определенных агентов вывет ривания. Например, если породы склонны терять прочность только в результате воздействия влаги, то их достаточно покрыть тонким слоем влагостойкого материала. Но если эти же породы реагируют на температурные колебания или склонны к окислению, то со вре менем за изолирующим покрытием образуется слой разупрочненных пород. Этот последний сам уже является изолятором по отно шению к нижележащим породам и предохраняет их от дальней шего разрушения. Но одновременно он оказывает давление на покрытие и с течением времени может разрушить его.
Таким образом, покрытия могут быть изолирующими и защитно изолирующими. Одной из разновидностей последних являются тон кие железобетонные подвесные стенки (см. § 2).
В качестве изолирующих покрытий применяют: набрызгбетон, полимерные материалы (карбамидные и эпоксидные смолы), битумы. Однако самостоятельное применение этих покрытий весьма ограничено, так как при длительном стоянии бортов большинство разновидностей горных пород в результате воздействия целого комплекса факторов теряет прочность и тонкое покрытие не в со стоянии предохранить поверхность откосов от локальных вывалов. Сейсмическое действие взрывов усугубляет этот процесс. Поэтому наиболее надежным способом предохранения откосов от осыпания является устройство подвесных стенок. Такие стенки состоят из металлической сетки, на которую наносится быстротвердеющая смесь. Сетка прикрепляется к штангам, которые одновременно укрепляют отдельные блоки пород, подсеченные трещинами.
Наиболее доступными для предприятий и сравнительно деше выми в настоящее время являются покрытия из набрызгбетона по металлической сетке диаметром 5—6 мм и размером ячеек 100x100 или 150X150 мм. При толщине бетонного слоя 50—70 мм такие стенки достаточно устойчивы и долговечны.
На Зыряновском карьере произведено опытное покрытие уча стка уступа северо-западного борта торкрет-бетоном по металли ческой сетке. На Кальмакырском карьере один уступ на участке длиной 70 м покрыт набрызгбетоном без металлической сетки. Работы выполнялись в 1970 г., а уже через год на поверхности
откосов наблюдались отдельные вывалы, |
что свидетельствует |
о ненадежности таких покрытий в условиях |
карьеров. |
Для укрепления откосов на карьерах пригодны не все рассмот ренные способы, наибольшее распространение получили механи ческие. В качестве материалов для упрочнения и изоляции пород применяются материалы на цементной основе. Но в ближайшее время станет возможным применение синтетических смол.
Что касается таких способов укрепления, как химические, тер мические и использование энергии взрыва, то они пока не вышли из стадии экспериментирования.
Механические способы укрепления откосов и цементация при меняются в основном для укрепления скальных и полускальных
пород. Техническая возможность и экономическая целесообраз ность укрепления участков бортов, сложенных этими породами, сомнений не вызывают. Укрепление больших объемов рыхлых по род пока не получило на карьерах большого развития.
Опыт укрепления небольших участков уступов, сложенных рых лыми породами, описан в работах [4, 58].
§5. КОМБИНИРОВАННЫЕ СПОСОБЫ УКРЕПЛЕНИЯ ОТКОСОВ
Всложных инженерно-геологических условиях укрепление усту пов одним из перечисленных способов зачастую не приводит к же
лаемым результатам. Поэтому на практике обычно применяются
а _ |
5 |
Рис. 11.15. Схема комбинированного |
укрепления откосов: |
1 — железобетонные сваи; 2 — анкеры; 3 — зона |
цементации; 4 — подвесная |
железобетонная стенка
комбинации различных способов укрепления: железобетонные сваи со штангами или тросовыми тяжами, механические способы с цементацией трещиноватых пород или с изоляцией поверхности откоса.
В практике открытых горных работ применяются следующие комбинации способов укрепления:
железобетонные сваи со штангами или тросовыми тяжами (рис. 31.15,а); железобетонные сваи или штанги с цементацией
пород (рис. 11.15,6); |
железобетонные сваи |
(рис. 11.15, в) или |
||
штанги |
(рис. 11.15, г) |
с изоляцией поверхности откоса; |
железо |
|
бетонные |
сваи со штангами и изоляцией |
поверхности |
откоса |
|
(рис. 11.15, д ) .
Возможны и другие сочетания различных способов укрепления.
§ 6. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ УКРЕПЛЕНИЯ УСТУПОВ
У с т у п ы с к а л ь н ы х и п о л у с к а л ь н ы х п о р о д с п о д р е з а н н ы м и п о в е р х н о с т я м и о с л а б л е н и я , контак тами слоистости, сланцеватости, трещинами и другими наруше ниями, падающими согласно с простиранием борта. Заоткоска уступов под углами, большими угла падения слоев пород и других поверхностей ослабления, приводит к подрезке контактов, которые являются потенциальными поверхностями скольжения. С течением времени связи между частицами пород в зоне контакта ослабевают и сцепление практически стремится к нулю. Так как только силами трения уступ удержаться в равновесии не может, особенно при увлажнении контактов, развиваются деформации, оползни и обру шения уступов. Предотвратить такие деформации возможно, свое временно приняв меры по их укреплению. Наиболее приемлемыми для рассматриваемых условий будут механические способы укреп ления: железобетонные сваи и штанги, гибкие тросовые тяжи. Иногда укрепление сочетается с цементацией пород.
При полной подрезке контактов слоев пород в пределах высоты уступа неустойчивой является вся толща выше поверхности ВС (рис. II. 16,а). Уступ укрепляется железобетонными сваями боль шого диаметра трубчатого сечения, которые «прошивают» все под резанные слои пород. Замки свай закрепляются ниже поверх ности ВС, а верхние концы заанкериваются в устойчивом массиве. Пологие откосы в верхней части укрепляются железобетонными сваями, а в нижней — штангами (рис. II.16, б).
При частичной подрезке контактов расчетом определяется воз можность разрушения пород вкрест слоистости в основании откоса и сдвига по контакту ВС (рис. II.16, в). Если расчеты подтверж дают такую возможность, то за потенциальную поверхность сколь жения принимается поверхность BDC', а укрепление нижней части откоса производится тросовыми тяжами.
В зависимости от физико-механических свойств горных пород в контактных зонах, коэффициент запаса устойчивости уступов после заоткоски может быть больше или меньше 1. Если п> 1, то работы по укреплению уступов могут производиться после их за откоски. Если же п< 1, т. е. подрезка контактов недопустима, вначале производится укрепление уступа железобетонными сваями, а затем его заоткоска (рис. II. 16, г). Укрепление сваями обеспечит достаточную устойчивость уступа на время, необходимое для за вершения укрепительных работ, которые могут производиться только с откоса уступа (укрепление анкерами, покрытие поверх ности откоса и пр.).
Уступы скальных пород, подсеченные трещинами или тектони ческими нарушениями, укрепляются в зависимости от угла паде ния поверхности ослабления сваями или анкерной крепью. При
56
углах падения нарушений (3<50° применяются сваи (или шпоны), а при |3>50° — анкерная крепь.
Ус т у п ы с к а л ь н ы х и п о л у с к а л ь н ы х п о р о д , ос
л а б л е н н ы е |
с и с т е м а м и |
т р е щ и н |
или о т д е л ь н ы м и |
т р е щ и н а м и , |
о р и е н т и р о в а н н ы м и д и а г о н а л ь н о н а |
||
п р а в л е н и ю |
п р о с т и р а н и я |
б орт а . |
В трещиноватых поро |
дах выделяют несколько систем трещин, ориентированных под не-
Рис. 11.16. Схемы укрепления слоистых откосов с подрезан ными контактами слоев пород:
/ — железобетонные сваи; 2 — анкер; 3 — анкерная тяга; 4 — отрезная щель
которым острым углом к направлению простирания борта. Влияние их на устойчивость уступов различно. Поэтому выделяются основ ные, наиболее опасные системы трещин. По этим трещинам и со пряженным с ними системам трещин возможны обрушения пород
собразованием «желобов». Деформации развиваются постепенно
исопровождаются вначале небольшими осыпями. Процесс акти визируется в результате сейсмического действия взрывов. Нараста ние деформаций во времени приводит к обрушениям больших массивов пород. Такие обрушения наблюдались на карьерах «Объединенный» и «Миллионный» Донского рудоуправления, на
Кургашинканском, Сибайском и др.
В зависимости от назначения берм выбирается способ их укреп ления. Обычно применяется комплексное укрепление: транспортные бермы укрепляются сваями и штангами с одновременной цемен тацией ослабленной зоны (рис. II. 17). В качестве цементационных используются скважины, пробуренные для установки свай. Штанги устанавливаются в плоскости, нормальной к простиранию поверх ности трещин.
. 57
На карьере «Объединенный» таким способом укреплены транс портные бермы на двух горизонтах общей протяженностью около
350 м.
Улавливающие бермы, не несущие постоянных нагрузок, доста точно укреплять штангами в сочетании с покрытием поверхности откосов подвесными железобетонными стенками.
Рис. 11.17. Схема комплексного укрепления откоса, подсеченного кососекущими поверхностями ослабления:
Р — угол падения поверхности ослабления
Если породы не склонны к выветриванию, то для предотвра щения осыпей, вызываемых сейсмическим действием взрывов и локальных обрушений, поверхность откоса между штангами затя
гивается металлической |
сеткой |
с антикоррозийным |
покрытием. |
|
У с т у п ы с к а л ь н ы х и п о л у с к а л ь н ы х п о р о д , за- |
||||
о т к о ш е н н ы е по |
н а с л о е н и ю или с о г л а с н о п а д а ю |
|||
щ и м т р е щ и н а м . |
В |
уступах, |
заоткошенных по |
наслоению, |
деформации проявляются в виде отслаивания отдельных блоков пород, разбитых трещинами, нормальными к поверхности слоев. Откосы укрепляются штангами или сваями. Штанги применяются для укрепления крутых (а^60°) откосов (рис. II.18, а). Пологие откосы укрепляются комбинированно: железобетонными сваями
в верхней части уступа и штангами или тяжами |
в нижней части |
(рис. 11.18, б ). |
|
Уст упы, с л о ж е н н ы е и н т е н с и в н о |
в ы в е т р и в а ю |
щ и м и с я с к а л ь н ы м и и п о л у с к а л ь н ы м и п о р о д а м и . Уступы скальных и полускальных пород, не нарушенных поверх ностями ослабления, но склонных к интенсивному выветриванию после их обнажения, образуют осыпи, которые приводят к сработке берм. Поверхность откосов таких уступов укрепляется подвесными
стенками (см. рис. 11.15,г). Отдельные неустойчивые блоки пород укрепляются штангами, которые одновременно служат для под вески металлической сетки.
У с т у п ы в д е л ю в и а л ь н ы х о т л о ж е н и я х . Естествен ные склоны, примыкающие к бортам карьеров, а также долины древних рек, пересекающие карьерное поле, являются причинами
возникновения |
|
делю |
|
|
||||
виальных оползней. |
|
|
а |
& |
||||
В основании |
делювия |
|||||||
|
|
|||||||
залегают |
либо |
скальные |
|
|
||||
и полускальные |
породы, |
|
|
|||||
либо |
плотные |
глины |
и |
|
|
|||
суглинки. |
|
|
|
|
|
|||
При |
твердых породах |
|
|
|||||
в основании оползня |
ус |
|
|
|||||
тупы |
укрепляются |
мас |
|
|
||||
сивными |
железобетон |
Рис. |
11.18. Схемы укрепления уступов, за- |
|||||
ными подпорными |
стена |
|
откошенных по наслоению |
|||||
ми (см. рис. II.8, а) или |
|
б), которые сооружаются не |
||||||
контрфорсами (см. рис. 11.10, а, |
||||||||
посредственно на скальном |
или |
полускальном основании. |
||||||
Подпорные стены возводятся на всю высоту уступа только в тех случаях, когда породы сильно увлажнены, в связи с чем оползень обладает большой подвижностью. Чаще такой необходимости не возникает и высота стены составляет У2 или Уз высоты уступа.
Контрфорсы обычно отсыпаются на всю высоту уступа. Осо бенно это необходимо в тех случаях, когда отсыпка ведется взамен вынутых рыхлых пород. В противном случае обрушение подрабо танных откосов рыхлых пород над контрфорсом приведет к посте пенному его заиливанию и потере фильтрующей способности.
Если в основании контрфорса расположены недостаточно проч ные породы, сдвиг может произойти по более, глубоко расположен ным поверхностям скольжения. Для предотвращения этой опас ности подпорные стены и контрфорсы сооружаются на свайных фундаментах (см. рис. II.8, б и 11.10, в).
У с т у п ы п о л у с к а л ь н ы х п о р о д со с л а б ы м и п р о с л о я м и в о с н о в а н и и . Если в основании уступов, сложен ных относительно крепкими горными породами, залегает слабый слой даже небольшой мощности, это может привести к образова нию оползней. В зависимости от мощности слабого слоя укрепле ние производят:
|
железобетонными сваями и шпонами при мощности слабого |
||||
прослоя 0,5 м и более; |
контактов, включающих |
слабый слой, |
|||
с |
разрушением |
взрывом |
|||
перемешиванием пород |
и |
в некоторых случаях с |
цементацией |
||
в |
раздробленной |
зоне при |
мощности слабого слоя |
менее 0,5 м |
|
(см. рис. 11.14). |
|
|
|
|
|
У с т у п ы п е с ч а н о - г л и н и с т ы х п о р од. Устойчивость от косов песчано-глинистых пород обеспечивается в первую очередь гидрогеологическими условиями месторождения. При притоках подземных вод возникают фильтрационные оползни, происходит размыв поверхности откосов и их выполаживание. Фильтрацион ные деформации откосов можно предупредить устройством пригрузочных призм (см. рис. 11.11).
Если вода не просачивается на поверхность откоса, а песчано глинистые породы имеют высокую влажность, в этом случае разви ваются оползни откосов. Они могут быть предотвращены следую щим образом:
Рис. 11.19. Схема стабилизации откоса с помощью аг ромелиоративных мероприятий:
1 — растения с развитой корневой системой; 2 — дренажная ка навка; 3 — спланированная площадка
упрочнением пород взрывами камуфлетных зарядов с последую щим заполнением образовавшейся полости бетоном [9];
электрохимическим упрочнением пород постоянным электриче ским полем [58].
Одним из эффективных способов борьбы с ветровой эрозией и размывом поверхности откосов сточными водами является при менение комплекса агромелиоративных мероприятий: засев ‘тра вами и кустарником с развитой корневой системой поверхности от косов; обеспечение организованного сбора и отвода поверхностных стоков; соответствующая планировка поверхности берм и террито рии, примыкающей к карьеру, проходка нагорных и дренажных
канав и пр. (рис. 11.19). |
|
|
У к р е п л е н и е у с т у п о в |
м н о г о л е т н е м е р з л ы х |
п о |
род. При разработке месторождений полезных ископаемых откры тым способом в условиях вечной мерзлоты возникает проблема изоляции многолетнемерзлых пород для предотвращения их сезон ного оттаивания в теплый период года.
В обычных температурных условиях основное назначение мето
дов укрепления — стабилизация неустойчивых участков |
бортов, |
тогда как в условиях вечной мерзлоты преследуется цель |
изоля- |
еп |
|