Отвалообразование. Классификация отвалов. Отвалообразование драглайнами. Устойчивость отвалов

Часть горного отвода, где размещаются вскрышные породы или некондиционные полезные ископаемые, называется отвалом.

 

Технологический процесс укладки вскрышных пород или некондиционных полезных ископаемых с помощью средств механизации называется отвалообразованием.

Отвалы в комплексе с техническими устройствами, средствами механизации и автоматизации производственных процессов отвалообразования составляют отвальное хозяйство горного или промышленного предприятия.

В общем комплексе горных работ отвальное хозяйство является одним из важных факторов в обеспечении бесперебойной работы горного и транспортного оборудования.

В настоящее время расходы на отвалообразование составляют до 15% себестоимости одной тонны полезного ископаемого. Отвальные работы характеризуются значительной трудоемкостью и относительно высокой стоимостью работ. Поэтому правильно выбранный способ отвалообразования имеет, как и другие технологические процессы (отбойка, экскавация, транспорт), существенное значение для организации высокопроизводительной и бесперебойной работы предприятия.

Экономичность и трудоемкость вскрышных работ в значительной степени зависят от способа перемещения пород в отвалы, а также от их расположения. При соответствующих горногеологических условиях отвалы могут быть расположены в выработанном пространстве или за пределами его. При расположении отвалов в выработанном пространстве перемещение вскрышных пород производиться непосредственно экскаваторами и транспортными средствами, которые могут быть представлены железнодорожным, автомобильным транспортом, специальным конвейерными установками или средствами гидромеханизации.

В настоящее время принята следующая классификация отвалов.

По территориальному расположению:

Внешние отвалы, внутренние отвалы (расположенные внутри карьерной выработки), смешанные отвалы.

По способу механизации отвальных работ:

Плужные отвалы, экскаваторные отвалы, бульдозерные отвалы, гидромеханизированные отвалы.

Отвал может организовываться как на новом месте, так и с помощью увеличения количества ярусов действующего отвала

Многоярусные отвалы, состоящие из нескольких отвальных горизонтов, создают в гористой местности, а также при отсутствии резервных площадей. Переход на многоярусные отвалы в равнинной местности сопровождается уменьшением расстояния транспортирования вскрышных пород на отвалы с одновременным увеличением уклона транспортных коммуникаций. Поэтому при выборе высоты и ярусности отвалов необходимо производить технико-экономический анализ и определять оптимальную высоту отвала (а не максимальную, допустимую по условию устойчивости) с учетом расстояния транспортирования, уклона отвальных путей, шага переукладки, стоимости земельного отвода и других факторов.

Отвалообразование пустых пород драглайнами осуществляют при разработке горизонтальных и пологопадающих пластообразных и россыпных месторождений. Драглайн, объединяя в себе функции выемочной и отвалообразующей машины, перемещает горные породы и укладывает их во внутренний отвал полосой, равной ширине заходки. При большой мощности вскрыши и достаточной устойчивости пород в отвале применяют отвалообразование с переэкскавацией драглайном части перемещённых первоначально в отвал пород во 2-й ярус.

Отвалообразование с помощью консольного отвалообразователя в выработанное пространство производится полосами шириной, равной ширине заходки экскаватора. Выполняется в процессе цикличного перемещения отвалообразователя по фронту вслед за экскаватором и отсыпки отвала внутри заходки по радиусу. Отвалообразование мягких и крепких горных пород на внешних отвалах этими же машинами производится 2 ярусами (сначала в нижнем, затем в верхнем) при перемещении вдоль отвального конвейера.

Отвалообразование с помощью транспортно-отвального моста осуществляется в выработанное пространство при разработке горизонтальных пластообразных залежей. Породу в отвал укладывают параллельными фронту работ полосами шириной, равной шагу передвижки транспортно-отвального моста вкрест простирания фронта работ. При неустойчивых горных породах предусматривается отвалообразование с предотвалом, а при большой длине моста — с предотвалом, уплотнённым специальным устройством для расположения на нём отвальной опоры моста.

Отвалообразование абзетцерами (многоковшовые цепные экскаваторы), которые экскавируют разгруженную в траншею породу и укладывают её сначала в нижний ярус, затем в верхний, применяется при перевозке мягкой вскрыши железнодорожным транспортом на внутренние и внешние отвалы.

При использовании для разработки горных пород средств гидромеханизации отвалообразование пустых пород производится на внешних, расположенных в пониженных местах и ограждённых дамбой, гидроотвалах. При доставке горных пород на гидроотвал колёсным транспортом отвалообразование осуществляется смывом её с откоса из специальной накопительной ёмкости или насыщением породы водой на откосе с последующим стеканием пульпы в гидроотвал.

Отвалообразование крепких горных пород одноковшовыми экскаваторами при разработке горизонтальных и пологопадающих залежей производится в выработанное пространство (аналогично отвалообразование мягких горных пород), а при разработке наклонных и крутопадающих залежей — на внешние отвалы. При этом порода, доставляемая железнодорожным транспортом, разгружается в специально подготовленное самим экскаватором углубление, откуда экскаватор перемещает её сначала в нижний, а затем в верхний ярус. Развитие отвала при доставке вскрыши железнодорожным транспортом может быть веерным, параллельным или криволинейным. Отвалообразование отвальным плугом и бульдозером осуществляется сталкиванием под откос отвала доставленной и разгруженной породы.

Расходы на отвалообразование составляют 12-15% себестоимости вскрыши на угольных разрезах, до 15% себестоимости 1 т полезных ископаемых на железорудных карьерах.

Для уменьшения площади отчуждаемых земель отвалообразование ведётся до максимально возможных высот отвалов. Технология отвалообразования обычно предусматривает возможность и эффективность последующей рекультивации поверхности, нарушенной горными работами.

Расчёт устойчивости отвалов.

Устойчивость отвала во многом зависит от основания, на котором он расположен. Различают основания прочные (устойчивые), слабые и слоистые.

Отвалы крепких (скальных и полускальных) пород, не размокающих под влиянием воды, расположенные на прочном горизонтальном или пологом основании, могут достигать практически любой высоты. Углы естественного откоса в этих отвалах принимают равными в среднем 34—36°. При этом опыт показывает, что отвалы крепких пород с остроугольными кусками сохраняют устойчивость и при углах откосов 40—45°.

Отвалы рыхлых пород (глин, суглинков, глинистых песков и др.) допускают углы откоса, равные углам естественного откоса, только до определенной высоты. С увеличением высоты отвалов возрастает давление на отдельные куски породы, наиболее слабые из которых разрушаются и заполняют макропоры, приводя к уплотнению отвалов и их оседанию. Этот процесс длится до тех пор, пока массив отвала не достигает состояния, близкого к двухфазному (породы—вода), при котором дальнейшее уплотнение может происходить лишь за счет отжима воды из области высоких напряжений в область более низких напряжений. Развивающееся при этом поровое давление снижает силы трения, что в определенных условиях (как правило, при достижении напоров по наиболее слабой поверхности, равных 4—5% от значений нормальных напряжений) приводит к возникновению оползня.

Поскольку рыхлые породы в отвалах не могут характеризоваться постоянными значениями j и t_о, сопротивление сдвигу этих пород необходимо определять в лабораторных условиях при различных нагрузках и естественной влажности, не допуская отжима воды. По результатам этих испытаний строят паспорта прочности пород, которые используют при расчете оптимального профиля отвала.

В основе расчетов устойчивости отвалов положены те же принципы, которые используются при оценке устойчивости уступов и бортов карьеров, также сравнивают величины удерживающих и сдвигающих нагрузок по потенциальным поверхностям скольжения, определяют коэффициенты запаса по каждой из поверхностей скольжения. Исходя из этих расчётов выбирают высоту отдельных ярусов отвала, общую высоту отвала и угол наклона его откосов.

Ориентировочные значения углов наклона откосов отвалов и ярусов, полученные на основании обобщения опыта отсыпки отвалов в различных условиях приведены в табл. 22.2.

Ориентировочные значения углов наклона откоса отвалов и ярусов.

Таблица 22.2

Характеристика пород отвалов и оснований, на которых они отсыпаны.	Углы наклона откосов, градус.
	Отвалов	ярусов
Отвалы скальных или полускальных пород на прочном основании при t0³0.2 ghотв	34-36	34-36
Отвалы скальных или полускальных пород на слоистом основании	20-30	34-36
отвалы глинистых пород (в том числе и отвалы на слабом основании) при t0£0.2 ghотв	18-25	30-35
Отвалы водонасыщенных песчано-глинистых пород; высокие отвалы глинистых пород	6-10	20-25

Высоту отвалов твёрдых пород, отсыпаемых на наклонном слоистом основании принципиально определяют также, как и в предыдущих случаях, но при этом дополнительно учитывают углы наклона слоёв основания отвала.

Особую проблему представляет устойчивость отвалов на крутых склонах. Такие отвалы создают при разработке нагорных карьеров. Крутизна склонов, на которых размещают отвалы пород, достигает иногда 70—80°, т. е. значительно превышает угол естественного откоса пород. Высота же таких отвалов достигает подчас сотен метров, поскольку в условиях гористого рельефа достаточные площадки для размещения отвалов находить весьма сложно. В подобных случаях устойчивость отвалов рассчитывают по специальным методикам с учётом специфики конкретных условий, а отсыпку отвалов ведут под контролем постоянных инструментальных и визуальных наблюдений за деформациями отвалов и смещениями площадок для определения критических скоростей их деформирования.

БВГР и ГСД