книги из ГПНТБ / Давыдов В.В. Вскрышные работы на угольных карьерах в зимнее время

в порах тем ниже, чем мельче частицы грунта.

§ 2. Структура мерзлого грунта

По мере промерзания почвы происходит движение воды из нижних еще талых слоев к замерзающему грунту. Эти притоки могут достигнуть значительных размеров, и тогда в грунте обра­ зуются крупные прослойки и включения льда. В случае, если уровень грунтовых вод залегает неглубоко, то промерзающий слой, впитывая большое количество воды, создает при оттаива­ нии влажность, превосходящую предел текучести.

Замерзание воды в грунте начинается в наиболее крупных порах, где образуются отдельные центры кристаллизации, к кото­ рым начинает перемещаться вода из мелких пор. Эта вода, замер­ зая, увеличивает имеющиеся кристаллы, которые затем превра­ щаются в крупные линзы и прослойки льда.

Если к прослойке льда приток воды прекращается и выделяе­ мой скрытой теплоты льдообразования становится недостаточно., чтобы поддержать температуру на точке замерзания, то охлаж­ дение будет распространяться в глубь грунта, где будут созда­ ваться новые центры кристаллизации и новые прослойки льда. При этом, если воды поступает в промерзающий слой больше снизу (из теплых слоев грунта), то промерзание идет медленнее из-за выделения большего количества скрытой теплоты льдооб­ разования.

9

Нода в различных грунтах замерзает по-разному, так как они имеют различные поры. Песчаные грунты имеют крупные, поры, и вода в них замерзает почти одновременно; линзы льда, как правило, в них отсутствуют. Глинистые грунты имеют мелкие поры, и при замерзании воды в них образуются прослойки льда.

Характер образования льда в грунтах с различными порами приведен в табл. 9.

Таблица 9

Следовательно, замерзание воды в грунтах происходит с об­ разованием или без образования кристаллов льда, причем обра­ зование кристаллов происходит в большинстве случаев при мед­ ленном замерзании. При этом значительную роль играет влаж­ ность грунта (чем больше воды, тем больше видимых.кристал­ лов).

Мерзлый грунт, содержащий прослойки льда, разделен ими на отдельные комочки; грунт как бы имеет трещины, заполнен­ ные льдом. В 'Случае, если в грунте отсутствует прослоек льда, вода при замерзании как бы раздвигает частицы грунта.

§ 3. Влияние отрицательной температуры на вскрышные породы

При производстве вскрышных работ в зимнее время необхо­ димо знать: механическую прочность грунта при различных тем­ пературах; время, в течение которого происходит при определен­ ных температурах замерзание различных пород; глубину промер­ зания за определенные периоды времени.

Это позволит определить возможность разработки различных пород на определенную глубину.

Ю

При замораживании и оттаивании грунтов происходят сле­ дующие основные изменения:

1) меняется структура грунта вследствие перераспределения

внем влаги при замораживании и расширении воды при переходе

влед;

2)снижается устойчивость отвалов сравнительно о его пер­ воначальным состоянием при оттаивании грунтов;

3)повышается прочность грунта при замерзании содержа­ щейся в нем воды, что значительно затрудняет его разработку.

Интенсивность этих процессов у различных грунтов раз­ лична.

В случае, если в грунте содержится немного льда, то он может находиться в нем в виде отдельных кристаллов, отделенных от зерен грунта прослойками воды. В данном случае лед не «цемен­ тирует» грунт, и он сохраняет пластичность. Механическиесвой­ ства этого грунта не будут значительно отличаться от механиче­ ских свойств грунта в талом состоянии с влажностью, равной количеству незамерзшей воды в грунте.

В случае же, если замерзает большая часть влаги, то грунт прочно цементируется льдом и его прочность значительно возра­ стает по сравнению с талым грунтом. При этом прочность грунта зависит от температуры: с понижением отрицательной темпера­ туры прочность грунта увеличивается (табл. 10).

Таблица 10

Зависимость прочности грунтов от температуры

Для определения прочности мерзлого грунта в ФРГ были про­ ведены опыты. Белый однородный песок замораживали при тем­ пературе от —1'2 до —14° С в течение 14 часов. Опыты показали, что увеличение содержания воды значительно повышает проч­ ность мерзлого грунта. При содержании воды в грунте в количе­ стве 3% нагрузка на растяжение достигает 53 кг/см2. Если поры

в грунте неполностью заполнены водой, то кристаллы льда имеют тенденцию заполнить свободную часть пор.

При увеличении содержания воды в грунте до 9% нагрузка на растяжение возрастает до 123 KsjcM2. Разрыв грунта при таких условиях происходит в виде трещин на поверхности и сопровож­ дается потрескиванием. При увеличении содержания воды до 18% нагрузка на растяжение возрастает до 210 кг/см2. В этом случае поры почти полностью заполнены водой й грунт представ­ ляет единый ледяной монолит.

Время и глубина промерзания породы в зимнее время зависят от следующих основных факторов: температуры воздуха; вида породы; физико-механических и тепло-физических свойств поро­ ды (в частности влажности); толщины и плотности снегового покрова; времени выпадения снега и продолжительности лежа­ ния его; наличия растительного покрова; уровня и скорости дви­ жения грунтовых вод, их температуры и. химического состава; интенсивности ветра и его направления; затенения поверхности породы и рельефа местности; миграции влаги в породе; искусст­ венного утепления поверхности; искусственных химических до­ бавок.

Определение времени и глубины промерзания грунтов теоре­ тическим путем весьма сложно.

Существует много формул различных авторов (В. С. Лукьяно­ ва, Г. И. Лапкина, М. М. Крылова, А. Н. Будникова, В. Ф. Утенкова и др.). Приведем здесь только формулы Г. И. Лапкина.

Для определения глубины промерзания Г. И. Лапкин пред­ ложил формулу для следующих типов площадок: оголенных от

1)необходимо принимать неблагоприятные условия и ориен­ тироваться на оголенную площадку;

2)суглинистые грунты наиболее распространены на террито­ рии СССР. Для мелкозернистых грунтов других видов Г. И. Лап­ кин принимает поправочные коэффициенты;

3)при наличии грунтовых вод в зоне промерзания глубина

промерзания зависит от температуры и химических примесей

вэтих водах и скорости их течения;

4)покрывающие породы, если уровень грунтовых вод нахо­ дится ниже, имеют влажность 10—25%; меньшая влажность бы­

вает у .супесей, мелкопесчаных и пылевых грунтов, а большая — у суглинков и глин. Колебания влажности в приведенных преде­ лах незначительно влияют на глубину промерзания этих грунтов. С увеличением влажности грунтов повышается их теплопровод­ ность до предела, примерно равного полному водонасыщению, но

12

теплоемкость грунта при этом также увеличивается, особенно при его замерзании;

5) открытая, «езатененная и горизонтальная поверх­ ность наиболее соответствует случаям, встречающимся в прак­ тике.

(Влияние ветра в формуле не учитывается, так как влияние ветра и некоторых других факторов учтены при использовании природных наблюдений и эмпирические формулы исходят из фактических глубин промерзания).

При выводе формул Г. И. Лапкиным были использованы дан­ ные станций Главного управления гидрометеослужбы (ГУ ГМС), наблюдавших температуру грунтов в течение нескольких десят­ ков лет, и данные станции Всесоюзного научно-исследователь­ ского института оснований и фундаментов, наблюдавших не только температуру грунтов, но и глубину фактического промер­ зания.

По многолетним наблюдениям станций ГУ ГМС, расположен­ ных в различных районах Советского Союза, были определены суммы отрицательных среднемесячных температур воздуха и глубины проникания температуры 0° для площадей, свободных от снега.

Г. И. Лапкин разбивает породы на три основные группы в за­ висимости от особенностей их промерзания:

I— суглинки и глины;

II — супеси, мелкие и пылевые пески;

III—средние крупнозернистые и крупнообломочные грунты и определяет, что

наиболее часто встречающемуся виду породы на территории Со­ ветского Союза.

В результате обработки данных ГУ ГМС Г. И. Лапкин выво­ дит формулы для определения зависимости глубины проникания температуры 0° от суммы отрицательных среднемесячных темпера­ тур наружного воздуха (2ГН) для различных групп грунта

см-

Z§n = 31,2/ЕГ„ + 2, см.

Первая формула действительна для грунтов I группы (суглин­ ки), вторая — для II группы (супеси, мелкие и пылевые пески).

Если в формуле для суглинистых грунтов 2ТЫ заменить на

Глава II

МЕРОПРИЯТИЯ ПО УМЕНЬШЕНИЮ ВРЕДНОГО ВЛИЯНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ВСКРЫШНЫХ РАБОТ

§ 1. Влияние отрицательной температуры на работу оборудования в карьерах

Мерзлый грунт по шкале М. М. Протодьяконова относится к VI категории пород с коэффициентом крепости f=2 и прирав­ нивается к мягким известнякам или антрацитам. Такие породы при промерзании на определенную глубину уже не могут разра­ батываться экскаваторами.

На Байдаковском карьере при промерзаний грунта-на глубину. 30—40 см вынуждены останавливаться на 3—4 мес. транспортно­ отвальный мост и работающие на него многочерпаковые экска­ ваторы. Выполненные объемы вскрышных работ на Байдаков­ ском карьере за 1956—1958 гг. приведены в табл. 11 (в январе — марте вскрышные работы выполняются одноковшовыми экскава­ торами).

15

Отрицательные температуры и состояние грунта вызывают: загустение смазки; поломки и разрывы рукоятей экскаваторов, канатов и звеньев

ковшовой цепи, пальцев, сцепных крюков, зубчатых венцов, в не­ которых случаях и металлоконструкций;

примерзание перемещаемой породы к днищу и стенкам думп­ кар, к ковшам, загрузочным воронкам и течкам экскаваторов и бункеров;

разрывы звеньев гусениц ходовых частей экскаваторов и отвалообразователей. (В зимнее время происходит образование мерз­ лых комьев на гусеницах, вследствие чего уменьшается площадь, через которую передается давление на грунт, и создаются дав­ ления, превосходящие допустимые напряжения);

поломки рельсов и накладок при передвижке железнодорож­ ных путей с помощью кранов, путеподъемников и путепередвигателей. (В данном случае поломки могут происходить, в основ­ ном, вследствие неэластичности примерзшей породы или обра­ зования мерзлых комьев под шпалами);

аварии с паровозами, электровозами и думпкарами из-за по­ ломок. тормозных колодок, тяг, подшипников, а также из-за за­ мерзания компрессорных установок;

примерзание породы к ленте или к роликам и барабанам и потерю эластичности прорезиненной ленты при попадании влаги между прокладками.

§ 2. Мероприятия, которые должны быть рассмотрены при проектировании и годовом планировании работ карьеров

Мероприятия по уменьшению действия отрицательных темпе­ ратур и дождя должны предусматриваться, начиная со стадии проектирования. В целях уменьшения снежных заносов при про­ ектировании карьеров должны быть учтены следующие факторы: направление и сила господствующих ветров; глубина снежного покрова; средние и наиболее низкие температуры.

Для защиты траншей от снежных заносов необходимо преду­ сматривать озеленение их откосов, а для защиты железнодорож­ ных трасс должны быть намечены участки, где будут установле­ ны снегозадерживающие щиты. Щиты устанавливаются парал­ лельно железнодорожной линии, когда направление ветра пер­ пендикулярно насыпи и под углом, когда направление ветра примерно параллельно.

При проектировании должно быть также учтено, какие поро­ ды и какой влажности разрабатываются приотрицательной тем­ пературе.

Например, песчаные грунты легче разрабатывать в зимнее время. Поэтому целесообразно производить разработку глины и суглинка в теплое время, а песчаных грунтов и гравия до опре­ деленной влажности в зимнее время. В некоторых случаях на

16

небольшую глубину, а также рекомендуется снимать стружку меньшей толщины, чем в летнее время. Но при этом умень­ шается степень наполнения ковша и ускоряется промерзание откоса.

■При производстве вскрышных работ в зимнее время частые разрывы звеньев и болтов ковшовых цепей многоковшовых экс­ каваторов, поломки ковшей, сильный износ цилиндрических зуб­ чаток происходят чаще при разработке суглинков и глин, чем при разработке песков;

3) детали машин, подверженные действию динамических на­ грузок (болты, рукояти экскаваторов, зубья ковшей и др.), жела­ тельно изготовлять из специальных легированных сталей с повы­ шенной ударной вязкостью (СХЛ-4 и т. д.). Отдельные детали машин (шестерни, валы, тормозные колодки и пр.) должны под­ вергаться термической обработке. Кроме того, возможны и дру­ гие мероприятия. Например, в США на угольных карьерах зимой 1939—1940 irr. на экскаваторах, оборудованных прямыми лопа­ тами с ковшами емкостью 23 и 27,5 м3, наблюдались поломки рукоятей, вызванные большим похолоданием. Для предотвраще­ ния поломок были установлены внутри стрел электрические обо­ греватели, после чего поломки прекратились;

4) разрыв канатов многоковшовых, роторных и одноковшовых экскаваторов в зимнее время вызывает длительные простои, так как замена каната при отрицательной температуре занимает мно­ го времени. Разрывы канатовобъясняются тем, что вязкость стальных проволок с понижением температуры уменьшается и тем значительнее, чем выше их прочность;

5) чтобы не допустить перегрузки' привода ходовой части гусеничных экскаваторов при работе на замерзшем грунте, выезд надо производить по пологой кривой.

Канавки звеньев гусениц при работе в зимнее время должны быть очищены от грунта и смочены раствором химических солей. Для предотвращения образования мерзлых комьев целесообраз­ но установить на тележке над каждой гусеницей по резервуару с раствором химической соли, которой производится опрыскива­ ние звеньев гусениц.

На шагающих экскаваторах необходимо производить обогрев деталей шагающего механизма й в первую очередь ходовых лыж, так как они испытывают большие напряжения при перемещении. В -практике встречались случаи обогрева ходовых лыж с помощью угольных жаровень и электрообогревательных установок;

6) экскаваторы должны быть оборудованы электрическими нагревательными устройствами для обогрева централизованной омазки при длительных перерывах в работе.

Во время работы при отрицательных температурах иногда происходит застывание смазки в воздушных буферах тормозных магнитов или обледенение тормозных блоков. В этих случаях необходимо производить отогрев замерзших деталей.

18