книги из ГПНТБ / Совершенствование открытых разработок марганцевых руд УССР

ной поверхности скольжения показывает падение сопро­ тивляемости породы на трещинах на 50%.

Приведенные показатели физико-механических свойств пород Никопольского марганцевого бассейна использованы при определениях условий устойчивости бортов и отвалов карьеров и рекомендуются в качестве расчетных при про­ верке устойчивости бортов в каждом конкретном случае.

ОСУШЕНИЕ КАРЬЕРОВ, УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ И ОТВАЛОВ

ОСУШЕНИЕ к а р ь е р н ы х п о л ей

Выбор целесообразного способа осушения карьерных полей Никопольского марганцевого бассейна ввиду слож­ ности гидрогеологических условий, большого масштаба открытых работ и отсутствия достаточного опыта осушения представляет собой очень актуальную и сложную проблему, в значительной мере определяющую темпы развития и эко­ номические показатели вскрышных и добычных работ в бассейне.

Изучением гидрогеологических условий в бассейне и способов осушения карьерных полей занимались Институт

зации.

Проведенные гидрогеологические исследования, опыт ра­ боты первых карьеров в бассейне и буроугольных карье­ ров Украины и Германской Демократической Республики показывают, что вопросу осушения карьерных полей в Ни­ копольском марганцевом бассейне необходимо уделить серьезное внимание. Несмотря на это Богдановский, Шев­ ченковский, Новоселовский, Марьевский и Грушевский

31

карьеры практически строились и строятся без предвари­ тельного осушения карьерных полей.

Такое положение сложилось в результате следующих причин: отсутствовал опыт работ в бассейне; горногеологи­ ческие и гидрогеологические условия месторождений были недостаточно изучены; строительство карьеров начато на участках с минимальной мощностью вскрышных наносов (20—30 м), а Шевченковского и Богдановского карьеров с пойменной части р. Соленой с постепенным наращиванием мощности вскрыши по мере нарастания балочного склона. В этих условиях подземные воды, хотя и создавали некото­ рые трудности, решающего влияния на ход ведения вскрыш­ ных и добычных работ не оказывали. Однако даже при не­ большой мощности наносов наличие свободной воды вызы­ вало деформацию рабочих уступов и отвалов. Опыт стро­ ительства карьеров Никопольского бассейна убедительно доказывает, что отсутствие осушения резко ухудшает ус­ ловия устойчивости рабочих бортов и отвалов.

Опыт работы буроугольных карьеров Украины и ГДР также показывает, что при недостаточном осушении пород производительность экскаваторов вследствие плохого на­ полнения черпаков и их залипания значительно снижается

иможет составлять 30—60% от номинальной (при работе

вхорошо осушенных породах). Эффективное использование экскаваторов может быть достигнуто только при доста­ точном осушении экскавируемых пород. Обводненные поро­ ды значительно усложняют работу транспортных средств, увеличивают время и затраты на отвальные работы, наличие воды является весовым балластом, вызывающим удорожа­ ние транспорта пород. В условиях Никопольского марган­ цевого бассейна, на карьерах которого будет работать мощное оборудование непрерывного действия, при колос­ сальных объемах вскрышных и добычных работ снижение производительности экскаваторов и транспорта ведет к та-'

32

кому увеличению стоимости вскрышных и добычных ра­ бот, которое значительно больше затрат на предварительное осушение карьерного поля. Поэтому при выборе способа осушения карьерных полей в бассейне необходимо учиты­ вать, что степень осушения пород вскрыши в значительной мере определяет производительность, рентабельность и на­ дежность карьера в эксплуатации. Способ осушения карьер­

Рассмотренные гидрогеологические условия бассейна по­ казывают, что в пределах Никопольского месторождения марганца по литологии водосодержащих пород можно вы­

долины р. Днепр, на которых рудный пласт покрыт чет­ вертичными отложениями. Этот класс включает следующие подклассы: А — древнечетвертичные отложения, представ­ ленные преимущественно среднезернистыми, крупнозерни­ стыми и гравелистыми песками; Б — древнечетвертичные отложения, представленные преимущественно тонкозерни­ стыми однородными песками. К этому классу относятся участки: Александровский, Марьевский, Покровский и Чер- томлыкско-Алексеевский.

вающих рудный пласт отложений залегает несколько гори­ зонтов водоносных песков. К этому классу относятся участки Богдановский, Шевченковский, Запорожский, Чкаловский и Грушевско-Басанский.

Опыт осушения участков подкласса А I класса можно рассмотреть на примере строительства- и эксплуатации

Александровского карьера. В пределах карьерного поля

повсеместно непосредственно на рудном пласте. Строитель­ ство карьера было начато в 1956 г. В крупнозернистых песках с гравием, обводненная толща которых составляла 6 м (при общей мощности вскрышных пород порядка 10— 12 м), без предварительного осушения была пройдена раз­ резная траншея. Грунтовые воды поступали в траншею со всех сторон и водоотливные установки работали непре­ рывно. Приток составлял, примерно, 200—220 м3/ч. Затем наметились отдельные очаги, где вода просачивалась в виде источников. Постепенно приток воды уменьшался, и уже в июле — августе 1957 г. средний расход составлял при­ мерно 100 м3/ч.

Тщательными наблюдениями за бортами траншей, про­ водимыми на карьере с 1957 г., установлено, что даже нали­ чие суффозии, которая периодически наблюдается на раз­ ных участках вскрытого карьерного поля, не приводило к оползневым деформациям. Крутизна откосов изменяется в пределах 30—40°, и лишь в нижней части при наличии прослойков мелкозернистых и тонкозернистых песков от­ косы иногда выполаживались до 15—20°.

Опыт осушения карьера подкласса Б I класса может быть рассмотрен на примере Марьевского карьера. В пре­ делах террасовой части карьерного поля повсеместно раз­ вит древнеаллювиальный водоносный горизонт, приурочен­ ный, в основном, к тонкозернистым однородным пескам, обладающим сравнительно высокими фильтрационными и во­ доотдающими свойствами. Водоносный горизонт рудовме­ щающей толщи палеогена, распространенный повсеместно в пределах поля карьера, приурочен преимущественно к разнозернистым, весьма неоднородным пескам, характери-

34

зующммся слабой водопроницаемостью, а также к песча­ ным прослоям рудного пласта. Строительство карьера было начато без предварительного осушения. На карьере до сих пор отсутствует дренаж древнеаллювиального водоносного горизонта. При развитии добычных работ здесь имели место нарушения устойчивости бортов. Добыча руды в местах об­ рушения бортов прекращалась и производилась на других вскрытых участках. Опыт показал, что одного лишь дре­ нирующего действия бортов карьера для осушения обвод­ ненных пород недостаточно. Специальный дренаж водонос­ ного горизонта рудовмещающей толщи на Марьевском карье­ ре не проводился, но оползней, связанных с деятельностью подземных вод этого горизонта, не наблюдалось.

Таким образом, для участков I класса обводненности, находящихся в наиболее благоприятных гидрогеологиче­ ских условиях, при наличии мелкозернистых и тонкозер­ нистых песков (подкласс Б) необходимо осуществить пред­ варительный дренаж. При преимущественном развитии при­ токов в пластах крупнозернистых песков свободное выкли­ нивание воды на грудь забоя или рабочий борт с последую­ щей ее откачкой карьерным водоотливом не нарушает нормальной работы карьера. В этом случае нет необходи­ мости предусматривать специальные дренажные устройства.

Участки II класса обводненности характеризуются нали­ чием нескольких надрудных водоносных горизонтов, обла­ дающих незначительными запасами воды. Вопросы осуше­ ния участков подкласса А этого класса рассмотрим на примере Шевченковского карьера. На площади карьерного поля вскрышная толща имеет три водоносных горизонта.

1.Грунтовые воды четвертичных отложений, залегающие

ввиде «верховодки» на водораздельных участках. Эти воды,

восновном, приурочены к песчаным разностям пород лес­ совой толщи и толщи красно-бурых глин. Мощность обвод­ ненных прослоев местами достигает 1,5—2,0 м.

2. Подземные воды толщи мергелистых глин верхнего сармата, черных глин и известняков-ракушечников сред­ него сармата. Эти воды приурочены к трещиноватым и опесчаненным разностям глин, изолированным прослойком мергелей, и к слою известняков-ракушечников. Наиболее выдержаны воды в горизонте известняков-ракушечников, обводненных на высоту 3—4 м и развитых преимуществен­ но в южной части карьерного поля.

3. Водоносный горизонт нижнего сармата развит в пес­ ках, залегающих на значительной площади, преимуществен­ но в северной половине карьерного поля. С глубиной зер­ нистость песков возрастает от мелких до крупных разно­ стей. Пески, в большинстве случаев, залегают на верхне­ харьковских надрудных глинах и лишь в единичных слу­ чаях подстилаются рудным пластом. На большей части рассматриваемой территории горизонт безнапорный, сред­ няя мощность обводненного слоя составляет 4,5 м.

Как показали расчеты и опыт строительства карьера (строительство карьера начато без предварительного осу­ шения), для обеспечения устойчивости рабочих и отваль­ ных откосов необходимо проводить дренаж водоносного горизонта песков нижнего сармата, так как вследствие увлажнения его водами неустойчивого слоя верхнехарьков­ ских надрудных глин возможно развитие эрозионных про­ цессов.

Два верхних водоносных горизонта в силу непостоян­ ства залегания водосодержащих прослоев по вертикали и в плане, хотя они и могут в некоторых случаях привести к оползневым деформациям, можно не дренировать. Осуще­ ствление дренажа указанных водоносных горизонтов со­ пряжено с большими трудностями и огромными капиталь­ ными затратами, а в некоторых случаях (подвешенные гори­ зонты) такой дренаж невозможен. Нижнесарматские пески больше всего обводнены в районе западной части'разрезной

36

траншеи карьера, что связано с понижением водоупорного ложа. Здесь выход воды особенно интенсивно происходит в момент обновления заходки и часто сопровождается выно­ сом большого количества песка. Дренирование водоносного горизонта откосом карьера распространяется на незначи­ тельное расстояние. Наблюдениями установлено, что рабо­ чий борт карьера не осушается даже на ширину заходки экскаватора (20—25 м). Так, после того как рабочий борт простоял почти три месяца, была обновлена заходка на указанную ширину, при этом водоносные пески местами ин­ тенсивно выносились потоками воды из отдельных, только что вскрытых источников, а в остальной части забоя вода появилась на г/з мощности горизонта.

В настоящее время на карьере проведены первые в бас­ сейне подземные дренажные выработки (ствол дренажной шахты и сеть дренажных штреков), осуществленные по проекту УкрНИИпроекта. В районе ствола пройден водо­ сборник емкостью 500 м3, оборудованный двумя насосными установками производительностью 100 м3/ч. В кровле руд­ ного пласта из дренажных штреков только в 1961 г. уста­ новлено 52 забивных металлических фильтра. Все они дей­ ствующие. Дебит воды забивных фильтров составлял 0,02—0,8 лісек. Большие притоки воды, улавливаемые еще неразветвленной сетью дренажных выработок, уже сейчас позволяют судить о большой эффективности подземного дренажа на карьерах этого типа.

На участках месторождения этого класса с небольшой приточностыо (Богдановский карьер) может быть рекомен­ дована комбинированная система осушения —- подземные выработки в сочетании с системой дренажных канав. На Богдановском карьере может быть принята следующая схема осушения (рис. 8). По границам карьера перпендику­ лярно линии подвигания фронта работ проходятся в под­ рудной толще два водоулавливающих штрека, профилиро­

37

ванных в сторону главных водосборников. В качестве водо­

Рис. 8. Принципиальная схема осушения Богдановского карьера.

насосом. В выработанном пространстве вдоль фронта добыч­ ных работ в почве рудного пласта проходятся дренажные канавы, служащие для дренажа основания внутренних от­ валов. Канавы проходятся вслед за продвижением экскава­ тора в каждой заходке на 3/5 длины выработанного про­ странства, имеют уклон в соответствующий штрек и соеди­ няются между собой в центральной части карьера попереч­ ными дренами-собирателями. Этот вариант комбинирован­ ной системы осушения практически легко осуществим и ме­ нее трудоемок по сравнению с чисто подземным способом осушения или с комбинированным открыто-подземным вари­

38

антом, но с проходкой дренажных канав вдоль всего фронта работ после каждой заходки.

Осушение вскрышных пород на участках, расположен­ ных в пределах древней долины р. Днепр, при тонкозер­ нистом составе древнечетвертичных отложений может быть основано на применении горизонтальных дрен (фильтров), устанавливаемых в грудь забоя с бермы добычного уступа, т. е. над водоупорным ложем надрудного водоносного горизонта. По мере подвигания горных работ фильтры долж­ ны периодически удлиняться. Предварительные проработки показывают, что такая схема обеспечивает необходимый осушительный эффект, но для ее применения необходимо механизировать установку фильтров.

На карьерах типа Александровского, где в кровле руд­ ного пласта залегают древнеаллювиальные средне- и круп­ нозернистые пески и галечники, хорошо отдающие воды, можно обеспечить нормальную работу карьера путем регу­ лярного отвода и откачки подземных вод, поступающих в карьер из надрудного и подрудного водоносных горизон­ тов. Если же в кровле пласта залегают мелкозернистые древнеаллювиальные пески со слабой водоотдачей, то не­ обходимо проводить дренаж надрудного водоносного гори­ зонта и обеспечить отвод и откачку вод, поступающих в карьер. Дренаж может быть осуществлен заложением двух рядов иглофильтров на площадке уступа, расположен­ ной в верхней части надрудных песков.

На карьерах этого типа, где в кровле рудного пласта залегает один водоносный горизонт, приуроченный к нижне­ сарматским мелко- и тонкозернистым пескам, обладающим плывунными свойствами, необходимо, для исключения ополз­ ней, производить осушение этих песков и снижение напора вод в подрудных песках. В этих условиях, как показывает опыт осушения полей буроугольных карьеров УССР, наи­ более эффективным будет подземный способ осушения с уста­

39

новкой забивных фильтров в кровлю пласта и устройством водопонизительных колодцев. При этом сеть дренажных штреков приурочивается к наиболее пониженным местам

Для ограждения бортов карьеров от вредного действия «верховодки» могут быть применены барьерные канавы, пере­ секающие горизонт «верховодки». Барьерные канавы профилируются с таким расчетом, чтобы вода самотеком по­ ступала к границам карьерного поля и оттуда либо откачи­ валась за пределы карьера, либо перепускалась в дренаж­ ные штреки по сквозным фильтрам.

Для обеспечения устойчивости внутренних отвалов необ­ ходимо снижать напор вод в их основании. Это можно осу­ ществлять путем устройства дренажных канав с укладкой перфорированных труб и обсыпкой их гравием, распола­ гаемых вдоль фронта карьера вслед за выемкой руды. Такая же схема осушения рекомендуется и для карьеров типа Грушевского, где в кровле рудного пласта залегают несколько водоносных горизонтов.

УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ И ОТВАЛОВ КАРЬЕРОВ

Обводненные породы, слагающие рабочие борта карье­ ров бассейна, очень неустойчивы. Только за 1959—1961 гг. на Шевченковском карьере произошло семнадцать ополз­ ней рабочего борта и отвалов, на Богдановском карьере — четыре крупных оползня внутренних отвалов и два дефор­ мирования участков рабочего борта. Оползни рабочих бортов и отвалов были зафиксированы на Марьевском карьере и при строительстве Грушевского карьера.

Изучением устойчивости рабочих бортов и отвалов пер­ выми в бассейне начали заниматься ИГД и ИГН АН УССР,

40