Россия
Россия
Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ББК 38 Строительство
Разработан и исследован способ уменьшения потерь земельных ресурсов под отвалами вскрышных пород Курской магнитной аномалии. Армирование откосов отвалов вскрышных пород металлическими стержнями и пластиковыми сетками позволили увеличить угол откоса на 51 % и более и значительно сократить отвод земельных ресурсов под отвалы
способ, уменьшение потерь земляных ресурсов, грунты, вскрышные породы, отвалы, армирование откосов.
При открытой разработке полезных ископаемых более половины площади нарушенных земель приходится на внешние породные отвалы [1].
Параметры отвалов должны обеспечивать наибольшую эффективность использования земельного отвода, т.е. складирование максимального объема вскрыши. Это достигается за счет увеличения высоты отвала до определенных пределов и придания ему такой формы, при которой обеспечивается минимальная землеемкость отвальных работ, т.е. максимальный угол откосов.
В настоящее время углы откосов в отвалах весьма незначительны 9…14°. На рис. 1 представлены профили I−I и IV−IV железнодорожного отвала №2 Лебединского ГОКа. По состоянию на 1.01.2001г. на площади 335 га в существующем контуре земельного отвода уложено 325 млн. м3 породы. Величина прироста площадей под отвал №2 вскрышных пород за период 1972–2000 гг. составила 2,83 км2.
Целью настоящей работы является: уменьшение потерь земляных ресурсов под отвалы вскрышных пород Лебединского ГОКа путем увеличения крутизны откосов, используя армирование грунта в процессе его отсыпки.
Рис. 1. Профили I - I и IV – IV железнодорожного отвала №2 Лебединского ГОКа:
1 – насыпной суглинок селективного складирования; 2 – насыпной песок селективного складирования; 3 – смесь отвальных пород; 4 – смесь пород зоны замещения (диссимиляции) ядерной части гидроотвала отвальными грунтами; 5 – породы ядерной зоны, не замещенные отвальными грунтами; 6 – песчаная призма гидроотвала; 7 – намывные суглинки; 8 – илистые гумусированные и заторфованные суглинки основания; 9 – лессовидные суглинки основания; 10 – фильтрующая пригрузка пойменных отложений; 11 – фактические контуры отвала и гидроотвала; 12 – рекомендуемый контур комбинированного отвала; 13 – проектный контур гидроотвала; 14 – рекомендуемый контур перспективного развития отвала; 15 – расположение армированных откосов
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
− изучить состав и физико-механические характеристики заскладированных пород на примере железнодорожного отвала №2 Лебединского ГОКа;
− установить влияние степени армирования грунта (геотекстиль, пластиковые стержни) на его прочностные характеристики – φ и С;
− разработать методику расчета устойчивости откосов армированных отвалов;
− установить экономический эффект от использования армированных отвалов вскрышных пород.
Исходя из данных, приведенных в [2], при бурении скважин в отвалах Лебединского ГОКа глубиной 45…50 м, с отбором образцов и их исследований, установлено следующее напластование грунтов (пород) и их прочностные характеристики:
− суглинки иловатые (ald – QIII): φ = 17,1°; С = 0,022 МПа (коэффициент доверительной вероятности 0,95);
− суглинки лессовидные слабо-макропористые (ls – QIII): φ = 18,3°; С = 0,025 МПа;
− суглинки лессовидные слабо-макропористые (ls – QIII): φ = 16,6°; С = 0,027 МПа;
− глины средне- и слабозаторфованные (ald – QIV): φ = 8,7°; С = 0,018 МПа;
− суглинки средне- и слабозаторфованные (ald – QIV): φ = 14,4°; С = 0,017 МПа;
− торфы (ald – QIV): φ = 14,4°; С = 0,012 МПа;
− илы (ald – QIV): φ = 8,3°; 
= 0,011 МПа.
Учитывая, что мощность пластов колеблется в небольших пределах 17…20 м, средневзвешенное значение прочностных характеристик пород в этом отвале составила:
φср = 10,8°; Сср = 0,015 МПа.
Согласно методу круглоцилиндрических поверхностей, расчетная схема которого приведена на рис. 2, при однородной толщи отвала, т.е. φ = const, С = const и γ = const, удерживающий момент равен:
; (1)
вращающий момент:
, 
(2)
Как видно из приведенных выражений (1) и (2) устойчивость откоса, согласно методу круглоцилиндрических поверхностей, зависит от угла внутреннего трения насыпи – φ и его коэффициента трения 
.
При использовании метода горизонтальных сил, основной принцип которого приведен на рис. 3, удерживающий момент равен:
; (3)
вращающий момент
(4)
Как и в предыдущем случае, устойчивость откоса зависит от угла внутреннего трения 
и коэффициента трения .
Рис. 2. Расчетная схема по оценке степени устойчивости откоса (длина дуги линии скольжения в пределах расчетного блока Li)
Рис. 3. Основной принцип метода
«горизонтальных сил»
Как следует из работ [1, 6, 7], армирование грунтов в насыпях значительно увеличивает их устойчивость и угол откоса. Проведенные нами лабораторные исследования [6] и исследования армированных грунтов, проведенные в Тамбовском государственном техническом университете [7], позволили установить степень увеличения прочностных характеристик мелкого песка при его армировании.
Нами проводились лабораторные исследования на приборе одноплоскостного сдвига конструкции института «Гидропроект» (рис. 4).
Срез производили при вертикальной нагрузке 0,075; 0,125 и 0,175 МПа.
В качестве армирующего материала использовали: медную и алюминиевую проволоку диаметром 0,2…2,0 мм. Все армирующие элементы располагались перпендикулярно плоскости среза. Процент армирования колебался от 7 до 45 %.
Результаты проведенных лабораторных исследований армированного грунта представлены на рис. 5 и 6.
Рис. 4. Сдвиговый прибор конструкции
института Гидропроект»
Рис. 5. Зависимость угла внутреннего трения грунтов от процента
армирования образца:
− для песка мелкого; − для суглинка (W = 18 %)
Рис. 6. Зависимость удельного сцепление песка мелкого ( ) и суглинка ( )
от процента армирования образца грунта
Полученные результаты позволили установить степень увеличения прочностных характеристик песчаного и глинистого грунтов путем его армирования стержнями. Так, при возрастании процента армирования песчаного грунта с 10 до 45 % угол внутреннего трения его увеличивается с 32° до 50° (на 56 %), для глинистого грунта при тех же условиях угол внутреннего трения увеличивается с 22° до 40°, т.е. на 80 %. Удельное сцепление песчаного грунта при увеличении процента армирования возрастает с 9 Па до 35 Па (на 288 %), удельное сцепление глинистого грунта увеличивается с 25 Па до 95 Па (т.е. на 280 %).
Полученные данные показали, что в исследованиях приняты завышенные проценты армирования (до 45 %) и, следовательно, относительное увеличение угла внутреннего трения и сцепления песчаного и глинистого грунтов. Более близкое значение процента армирования откосов принято в работе [7].
Поэтому из вышеприведенных данных и данных, приведенных в работе [7] для расчета устойчивости армированных откосов вскрышных пород, было принято меньшее значение, т.е. увеличение угла внутреннего трения на 28 % − при армировании отдельными стержнями и
51 % – при армировании пластиковыми сетками, согласно [7].
На примере железнодорожного отвала № 2 Лебединского ГОКа легко установить, что средневзвешенное значение угла внутреннего трения пород (грунтов) возрастет с 10,8° до 14° при армировании их отдельными пластиковыми стержнями и до 15,5° при армировании пластиковыми сетками.
Подставляя новые значения коэффициентов трения в выражение (1) – для метода круглоцилиндрических поверхностей и в выражение (3) – для метода горизонтальных сил, получаем значения безопасного откоса заармированного отвала на 28 % и 51 % больше, чем без арматуры. Это позволяет, кроме того, что увеличить угол откоса, увеличить толщину отсыпаемого уступа и уменьшить шаг уступов.
На рис. 1 показано на профиле IV – IV ориентировочное расположение армированных откосов. Как следует из полученного профиля, объем отвалов увеличивается примерно на 30…35 % по отношению к неармированным откосам. Увеличение объемов отвалов позволяет только на отвале №2 Лебединского ГОКа сократить площадь земельных ресурсов на 0,8…1,0 км2 /год.
Таким образом, полученные результаты лабораторных исследований способа увеличения угла откоса отвалов вскрышных пород на Лебединском ГОКе путем их армирования в процессе отсыпки, позволили сделать следующие выводы:
− армирование откосов сыпучих материалов на отвалах в процессе их отсыпки позволяет увеличить угол откоса как при расчете устойчивости откосов методом криволинейных поверхностей скольжения, так и при расчете методом горизонтальных сил;
- увеличение угла откосов приводит к увеличению объемов откосов на 30…35 % по отношению к неармированным откосам;
− при выборе вида арматуры для откосов предпочтение следует отдавать пластиковым сеткам, т.к. при их применении угол откоса можно увеличить на 51 %, а при применении стержневой арматуры угол откоса увеличивается только на 28 %;
− армирование откосов в отвалах вскрышных пород позволяет сократить отвод земельных ресурсов под отвалы на
0,8…1,0 км2/год;
− при продолжении исследований в этом направлении, необходимо на опытном участке одного из отвалов Лебединского ГОКа произвести отсыпку вскрышных пород с армированием его пластиковыми сетками с диаметром стержней 5...8 мм и с шагом 100×100 мм в плане и с шагом 0,5…0,7 м по высоте отвала. На протяжении 1..5 лет проводить геодезические наблюдения за осадками этого участка.
1. Томаков П.Н., Коваленко В.С., Михайлов А.М., Калашников А.Т. Экология и охрана природы при открытых горных работах. М.: Издательство Московского государ-ственного горного университета. 1994. 408 с.
2. Джоунс К.Д. Сооружения из армированного грунта. Перевод с английского В.С. Забавина; Под ред. В.Г. Мельника. М.: Стройиздат, 1989. 280 с.
3. Отчет о научно - исследовательской работе №826ЮР «Инженерно - геологическое обоснование безопасных параметров отвалов Лебединского ГОКа, обеспечивающих их устойчивость и увеличение емкости». ОАО «НИИКМА». г. Губкин. 2001. 96 с.
4. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М.: Высшая школа, 1968. 630 с.
5. Отчет о научно - исследовательской работе «Разработка рекомендаций по обеспечению устойчивости, увеличению емкости и использованию под строительство отвалов, формируемых на слабом основании»/ НПО «ВИОГЕМ». № ГР 01900018734 г. Бнлгород 1990. 142 с.
6. Кочерженко В.В., Карякин В.Ф. Лабораторные исследования влияния армирования грунтов на их прочностные характеристики.// Эффективные конструкции и материалы зданий и сооружений: Межвуз. сборник трудов. г. Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1999. С. 96-103.
7. Прокин Д.А., Антонов В.М. Исследование прочностных и деформационных характеристик армированных грунтов / Сб. научных трудов Тамбовского государственного технического университета. Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. 80 с.
