Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Выбор способа защиты бортов отработанных или законсервированных карьеров от ветроволнового воздействия

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Выбор способа защиты бортов отработанных или законсервированных карьеров от ветроволнового воздействия"

На правахрукописи

ВЛАСОВ Роман Евгеньевич

УДК 622.271

ВЫБОР СПОСОБА ЗАЩИТЫ БОРТОВ ОТРАБОТАННЫХ ИЛИ ЗАКОНСЕРВИРОВАННЫХ КАРЬЕРОВ ОТ ВЕТРОВОЛНОВОГО

ВОЗДЕЙСТВИЯ

Специальности: 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и

строительная)», 25.00.16 - «Горнопромышленная и

нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва 2004

Работа выполнена в Московском государственном горном университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор БУБИС ЮРИЙ ВОЛЬФОВИЧ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ХНЫКИН Виталий Федорович, доктор технических наук, профессор МОСЕЙКИН Владимир Васильевич.

Ведущая организация - ЗАО «Лензолото».

Защита диссертации состоится «19» мая 2004 года в \Ъ.О0час. на заседании диссертационного совета Д-212.128.04 в Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, д.6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан апреля 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор БУБИС Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При ликвидации или консервации карьера возникает необходимость прекращения работы водоотлива, дальнейшая эксплуатация которого потребует высоких затрат. Большинство карьеров в нашей стране расположены на территории с семиаридным климатом, следовательно, можно утверждать с высокой степенью достоверности, что при прекращении их эксплуатации произойдет постепенное заполнение выработанного пространства водой. Инструкция Госгортехнадзора России о порядке ведения работ по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с пользованием недрами, предусматривает ряд мероприятий, направленных на обеспечение безопасности, но без специальных действий сложно предотвратить размыв бортов карьера при его затоплении.

Между тем в районе действия карьеров могут находиться не только важные инженерные сооружения, социальные и жилищно-бытовые объекты, но и транспортные коммуникации. Верхние уступы действующих карьеров, как правило, сложены мягкими, во многих случаях легко размываемыми горными породами. При большой длине водной поверхности в условиях сильных ветров на формируемом зеркале в законсервированном или ликвидированном карьере будет возникать значительное волнение, которое можно оценить по известной шкале волны. Ветровые воздействия и, как следствие, волновые явления могут привести к нарушению устойчивости верхних уступов борта карьера и создать угрозу для фундаментов зданий и инженерных сооружений.

Чтобы избежать подобных негативных последствий необходимо определить способ и разработать технологию защиты бортов карьеров от волновых воздействий при ликвидации или консервации и обосновать конструкцию таких инженерных сооружении, а также метод их защиты.

Целью настоящей диссертации является научное обоснование технологии защиты бортов ликвидируемых или консервируемых карьеров от ветроволнового воздействия.

Основная идея заключается в том, что защиту откосов верхних уступов борта карьера от ветроволнового воздействия при его затоплении можно обеспечить за счет уменьшения длины волнообразования, применив самовсплывающие по мере затопления карьера дамбы.

Научные положения, выносимые автором на защиту, и их новизна.

1. Для снижения ветроволнового воздействия на борта ликвидируемого или консервируемого карьера необходимо разделить водную поверхность, возникающую за счет притока вод, на отдельные участки, длина которых определяется параметрами гидрометеообстановки.

2. Размещение плавучих дамб определяется размерами предельного контура карьера, а расстояние между дамбой и бортом карьера для несвязных горных пород с диаметром частиц мрнея и1л1м.и-»тьл1кЫ!Пйно превышать 10

метров. Для связных горных пород и для несвязных горных пород с диаметром частиц более 1 мм расстояние между дамбами должно определяться из условия, при котором период волны при предельной расчётной скорости ветра исключает образование размывающей волны.

3. Параметры дамбы определяются параметрами волнообразования. Ее высота должна быть не менее двух высот волны с учетом обеспечения плавучести конструкции, ширина дамбы должна быть не менее ее высоты.

Научное значение состоит в установлении зависимостей параметров дамб от величины выработанного пространства и гидрометеообстановки.

Практическое значение работы. Обоснован способ защиты бортов и методика расчета параметров технических средств для его осуществления.

Достоверность научных положений и результатов, выводов и рекомендаций диссертационной работы основана на. использовании широкого диапазона научных методов исследований, включающих анализ и обобщение теоретических и экспериментальных работ, аналитические исследования с использованием основополагающих положений механики и гидромеханизации.

Апробация работы. Разработанные технологические решения докладывались на конференциях «Неделя горняка» (2002-03 гг.), заседаниях кафедры ТО МГТУ (2003-04 гг.)

Реализация выводов и результатов работы. Рекомендации по защите бортов карьеров от ветровых воздействий при погашении или консервации приняты к внедрению ЗАО «Надежденское».

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 3 работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав, введения и заключения, списка использованных источников из 50 наименований, содержит 43 рисунка и 32 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При ликвидации или консервации карьера из-за особенностей местного климата часто возникает необходимость в затоплении карьера. В результате затопления образуется водоем, на поверхности которого возникнет волнение, что приводит к волновой абразии верхних уступов борта карьера. «Инструкцией о порядке ведения работ по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с пользованием недрами» №33 от 02.06.99 г. предусматривается проведение мероприятия по выполаживанию уступов, но величина угла выположенного откоса не обосновывается.

При разработке подводных карьеров или обводненных месторождений землесосными снарядами необходимо обеспечить определенные углы откосов: до глубины двух метров борта подводного уступа должны иметь угол откоса от 2 до 5°, в зависимости от назначения формируемого водоема.

Эти рекомендации не учитывают площади возникающего зеркала воды, что объясняется малой глубиной ныне действующих подводных карьеров, в редких случаях превышающей 12-15 метров, а также типом горных пород, слагающих уступ. Между тем габариты таких карьеров, как Лебединский и Стойленский, при погашении, возможно, превысят десятки километров. Карьеры на алмазных трубках, достигающие 500 метров в глубину, превысят в длину 4 километра на поверхности. Не меньшие размеры можно ожидать при погашении угольных разрезов Бурятии, Кузбасса и других регионов. В последние годы уже прекращена эксплуатация 12 разрезов: Листвснского, Мироновского, Холбольджинского, Тюльганского, Лузановского, Павловского - 1, Реттиховского, Тал - Юрех, Ушаковского, Южного, Батуринского и Кумертаунского.

Верхние уступы действующих карьеров, как правило, сложены мягкими, легко размываемыми горными породами. Так, например, на угольных разрезах верхние уступы представлены суглинками, глинами, песками, песчаниками на глинистом цементе, песчано-галечниковыми отложениями, алевролитами и аргиллитами различной крепости. Глубина залегания таких пород - до 90 и более метров. В случае образования водной поверхности в условиях сильных ветров на зеркале отработанного или законсервированного карьера будет возникать значительное волнение. Ветровые воздействия и, как следствие, волновые явления могут нарушить устойчивость верхних слоев борта карьера и привести к негативным последствиям, возникающим при оползнях горной массы. Такие последствия представляют собой нарушение устойчивости фундаментов зданий и инженерных сооружений. Для законсервированных карьеров и дражных полигонов нарушение устойчивости бортов может грозить обрушением горной массы в рабочее пространство карьерного поля, что приведёт к разубоживанию полезного ископаемого, а также к дополнительным затратам и потере времени при расконсервации. Кроме того, волновые явления способствуют занесению законсервированных горных выработок илами.

Для того, чтобы исключить указанные явления, необходимо разработать метод защиты бортов карьеров от ветроволновых воздействий при погашении или консервации, а также методы расчета инженерных сооружений. При этом необходимо решить следующие задачи:

установить изменение параметров возникаемого волнового воздействия в зависимости от положения по отношению к бортам карьера плавучих дамб и определить рекомендации по оптимальному их размещению в карьере, в зависимости от типа горных пород;

обосновать способ защиты бортов карьера от волнового воздействия;

разработать методику расчета удерживающих элементов при различных глубинах карьера.

Для установления характера возможных воздействий на борта карьеров в работе был использован аналитический метод, основанный на фундаментальных законах движения водных масс под воздействием ветровых нагрузок. В качестве аналогов были рассмотрены известные природные озера с различной глубиной, гидродинамика которых подобна той, что возникает в отработанных или законсервированных карьерах.

Метод защиты бортов карьера от волнового воздействия наиболее целесообразно сформировать на принципе уменьшения длины волнообразования. На дражных полигонах и карьерах с внутренним отвалообразованием этого можно достигнуть оставляя соответствующие гребни при формировании внутренних отвалов. Но при разработке крутопадающих залежей или глубокой выемке торфов (для россыпных месторождений) не только неэкономично возвращать горную породу в карьерное поле, но и сложно это осуществить. Проблема требует других инженерных решений, позволяющих разделить возникающее при затоплении карьера зеркало воды на отдельные ячейки.

Как правило, известные требования ограничивались лишь выполаживанием откоса борта. Однако опыт работы польского карьера на Яворовском месторождении серы показал, что этого не достаточно. Особенностью карьеров является наличие в верхних уступах отложений мягких пород. К примеру, верхние уступы КАТЕКа сложены суглинками, глинами, слабыми аргиллитами и алевролитами. На россыпных месторождениях уступы слагаются также мягкими и рыхлыми породами (торфами). В условиях погашения карьерного поля именно эти породы будут подвержены волновым воздействиям. Между тем углы откосов, устойчивых к размыву, имеют значения от 1° до 8°.

Такая величина угла откоса неприемлема для бортов карьера. Известно, что мощность верхних слоев бортов карьеров, сложенных из мягких, легко размываехмых пород, составляет до 50 - 90 м. При формировании в них величины угла 1° - 8 ° получившееся заложение борта будет на 2000 - 3000 метров больше проектируемого, что потребует дополнительных площадей под горный отвод. Кроме того, это приведет к дополнительным затратам на выемку и перемещение горной массы. На дополнительных площадях, выделенных иод горный отвод, могут находиться агропромышленный комплекс, лес, населённые пункты и инженерные сооружения. Вышеприведенные факты убеждают, что нежелательно иметь такие пологие углы откосов верхних слоев горных пород.

Для защиты бортов затопленных карьеров от ветроволнового воздействия плавучие оградительные сооружения - наиболее подходящий тип защитных конструкций. Они не получили широкого применения в морской практике из-за сложности эксплуатации. Основными недостатками плавучих сооружений для использования в морских акваториях являются низкая стойкость к разрушению и ненадежность закрепления на якорях при

сильном волнении. Однако они относительно дешевы в постройке и не требуют эксплуатационных затрат. Их стойкость к разрушению удовлетворяет условиям эксплуатации, так как идеей работы является не гашение уже сформировавшихся воли, а исключение возможности появления волн критической величины для размыва данного типа пород. Надежность закрепления на якоре также удовлетворяет условиям эксплуатации, так как плавучие дамбы в отработанном или законсервированном карьере не будут подвергаться таким большим сдвигающим нагрузкам волновых и дрейфовых течений, как в море.

При прогнозировании затопления отработанного или законсервированного карьера необходимо учитывать ряд условий, влияющих на скорость заполнения карьерного поля водой. К таким условиям относятся: площадь водосбора поверхностных и подземных вод, объем карьерной выемки, климатические и гидрогеологические условия.

Исходя из вышеперечисленных условий, отработанные карьеры целесообразно разделить по следующим признакам:

- условиям залегания полезного ископаемого;

- глубине;

- водопритоку;

- технологии формирования отвалов;

- климатическим условиям региона.

Глубина карьеров на момент прекращения всех работ в зависимости от геологических условий, географического положения месторождения, цены на полезное ископаемое, условий залегания полезного ископаемого может быть в пределах от 5 до 500 и даже более метров.

Карьеры строительных материалов распространены повсеместно. Как правило, это карьеры малой производительности и имеют 1-2 уступа. Глубина таких карьеров не превышает 20 метров, и их можно отнести к неглубоким. Карьеры строительных горных пород имеют чаще всего один водоносный горизонт или же не имеют его вовсе, в таких случаях затопление может происходить, как правило, за счет поверхностных вод. Если же дно карьера выше водоносного горизонта и породы, находящиеся между карьером и водоносным горизонтом, имеют высокий коэффициент фильтрации, то такой карьер может быть не затопленным вообще.

К карьерам средней глубины можно отнести угольные и рудные карьеры, карьеры россыпных месторождений, разрабатываемые с помощью гидромеханизации, а также карьеры строительного камня и неглубокие рудные карьеры. Глубина таких карьеров может достигать 100 - 200 метров. Ясно, что карьеры средней глубины могут иметь один и более водоносных горизонтов, поэтому можно прогнозировать относительно быстрое их затопление.

И, наконец, к глубоким карьерам относятся рудные карьеры и карьеры на алмазных трубках. Их глубина уже сейчас достигает более 500 метров, а по прогнозам на ближайшее будущее, может увеличиться до 900 метров.

Гидрогеология таких карьеров наиболее сложна. На такой глубине могут быть несколько водоносных горизонтов, в том числе и напорный. Это усложняет прогноз по затоплению карьера и полностью исключает применение каких-либо стационарных методов защиты бортов от волнового воздействия. Для карьеров на алмазных трубках Якутии актуальна проблема агрессивных вод, водоносный горизонт которых находится на глубине около 400 метров от дневной поверхности.

Следующий признак, по которому можно разделить карьеры, -водоприток, при этом наиболее целесообразно учитывать приток, приходящийся на 1 м3 добытой горной массы.

Существенное влияние на выбор способа защиты бортов отработанных или законсервированных карьеров от ветроволнового воздействия оказывает технология отвалообразования.

Как известно, для горизонтальных и пологих залежей с углом падения до 16°, реже до 18°, а также россыпных месторождений, отрабатываемых дражным способом, принята технология разработки с внутренним отвалообразованием. Для пологих залежей с углом падения 18° - 20° и для россыпных месторождений, отрабатываемых с помощью гидромониторов, часто применяется технология с частичным размещением отвалов в выработанном пространстве. Ясно, что как в первом, так и во втором случае доля пространства внутри карьерного поля, заполненного вскрышными породами, будет различна и никогда не будет стопроцентной. При технологии разработки с внутренним отвалообразованием и положении уровня грунтовых вод ниже верхней отметки внутренних отвалов после затопления таких карьеров может образоваться узкий, до 50 метров в ширину, но длинный, до нескольких километров в длину, водоем. В этом случае возникающая волна будет оказывать существенное абразивное действие на борт карьера, если скорость ветра направлена близко к параллели по длине водоема.

При технологии разработки с частичным размещением вскрышных пород в выработанном пространстве или при положении грунтовых вод выше верхней отметки внутренних отвалов может образоваться огромный по площади водоем, до нескольких километров как в длину, так и в ширину, с глубокой впадиной до 200 метров, узкой и длинной по форме. Глубина остальной части образовавшегося водоема в разных случаях будет различной, от нескольких сантиметров до нескольких метров. Ясно, что образование и характер движения волн при разных глубинах будут различны, а следовательно, и меры защиты бортов карьера должны быть адекватны требуемым условиям безопасности.

Для месторождений с углом падения залежи более 20° и для россыпных месторождений, отрабатываемых с помощью гидромониторов, принята технология с размещением вскрышных пород на борту карьера. После отработки рудных или угольных месторождений при такой технологии

б

образуется водоем большой, до нескольких сот метров глубины, и с зеркалом воды, площадью до тысячи квадратных километров. Волновые явления в таких водоемах будут наиболее опасны, так как высота волны будет достигать 1-2 метров, а ее скорость составит до 25 м/с.

Водоем, образовавшийся на месте карьера россыпного месторождения, не будет иметь таких больших размеров. Его ширина составит 100 - 200 метров, длина 2-3 километров, а глубина 50 - 60 метров. Понятно, что волна не будет иметь таких параметров, как в предыдущем случае, однако волновые явления для таких карьеров не менее опасны. Это связано с тем, что литологический состав горных пород россыпных месторождений, как правило, представлен мягкими породами, такими как глины и суглинки.

Для предотвращения размыва пород при конечном затоплении карьера необходимо придать берегу уклон, меньше вышеприведенного для соответствующих горных пород, на глубину, равную двум высотам волны, так как наиболее эффективное движение частиц происходит при переходе поступательной волны в волну перемещения, т. е. на глубинах равных 4h -2^ где 2h - высота волны. Следовательно, необходимо создать условия, исключающие такие явления.

Как известно, высота волны определяется из отношения

0)

где 2h - высота волны, м;

V — скорость ветра, м/с;

D — длина участка волнообразования, м.

Длина волны определяется скоростью ветра и длиной участка волнообразования:

(2)

где 2L - длина волны, м;

V - скорость ветра, м/с;

D - длина участка волнообразования, м.

2Ь=0,0208У3/4

2Ь=0,304У01/2

Для каждой горной породы характерны свои критические скорости размыва, ниже которых не происходит разрушение и размыв породы. Для выявления угрозы размыва бортов отработанного или законсервированного карьера необходимо знать скорость волны, которая образуется при действии

Таблица 1.

Разделение карьеров по водопритоку.

Категории карьеров. Характеристика времени затопления. Время затопления, лет. Карьеры. Характеристики водоносных горизонтов.

А Малое. От 1 до 2 Карьеры строительных горных пород. Один либо ни одного водоносного горизонта. Основной, а во многих случаях единственный, источник вод, поступающих в выработанное пространство - воды поверхностного стока.

В Среднее. От 2 до 5 Карьеры строительных горных породугольные разрезы, небольшие рудные карьеры. Более одного. Не имеют напорный водоносный горизонт.

С Долгое. От 5 до 10 Угольные разрезы и рудные карьеры. Более одного, в том числе напорный.

О Сверхдолгое. Более 10 Рудные карьеры, карьеры россыпных месторождений. Более одного, в том числе и напорный, либо находящиеся в непосредственной близости к руслам рек или водоемам (для россыпных месторождений).

в

ветровых нагрузок на зеркало водной поверхности, получившееся при затоплении карьера.

При длине волны (Ь) ее скорость (V,,) определяется из отношения

Для исключения размыва различных типов горных пород необходимо установить требования к изменению параметров волнообразования, а также максимально допустимые параметры волны: ее высоту, длину и скорость, соответствующую критическим скоростям размыва горных пород бортов карьера. Другими словами, следует определить местоположение всплывающих дамб относительно карьерного поля.

При определении местоположения всплывающих дамб необходимо учитывать следующие условия: скорость и направление ветров в данном районе, тип горных пород, глубину и уровень грунтовых вод, а также параметры дамб и карьерного поля.

Размыв борта карьера, при заполнении выработанного пространства карьера водой до конечного уровня, будет происходить путем переноса частиц в выработанное пространство потоком, образованным сходящей волной, при скорости, удовлетворяющей условию размыва горных пород при самотечном гидротранспорте. Следовательно, уклон уступа на уровне конечной отметки затопления должен иметь соответствующие значения, при которых размыва происходить не будет. При больших уклонах уступа для размыва должно соблюдаться условие

где - глубина потока сходящей волны.

Так как максимальное значение глубина потока принимает при глубинах, равных 4Ь, то и размыв пляжной зоны будет происходить с глубины 4Ь Для предотвращения размыва пляжной зоны необходимо придать ей устойчивый к размыву уклон от глубины 4И на высоту, равную расстоянию действия волны на берег. Такая высота, проходимая волной, составляет (0,3 - 0,5)Ь. Для определения максимально допустимой скорости потока (волны), при котором не происходит размыв берега при заданном уклоне, можно воспользоваться уравнением Шези для самотечного гидротранспорта:

(3)

где g - ускорение свободного падения, м/с2; я= 3,14.

Ч'сюя. О,

(4)

где - минимальный уклон, при котором происходит смыв породы, в долях;

- средняя скорость потока (скорость волны), м/с; - коэффициент, учитывающий влияние насыщенности потока;

С - коэффициент Шези;

R - гидравлический радиус, м.

При определении неразмывающей скорости для частиц определенного диаметра при возникающей глубине потока, в зависимости от параметров волн, наиболее целесообразно использовать формулу И.И. Леви для средней крупности частиц более 1,5 мм:

где d - диаметр частицы, м; Т - глубина потока, м.

При меньших диаметрах частиц справедлива другая формула И.И.

Леви:

где R- гидравлический радиус, м;

А - коэффициент, зависящий от уплотненности породы; для хорошо уплотненных пород А = 3,2; при рыхлых породах А = 2,8.

Однако формула справедлива для установившегося потока определенной глубины. Для определения же глубины сходящего потока (параметров возникающих волн), при котором будет происходить размыв частиц данного диаметра, формула примет вид:

При этом глубина сходящего потока зависит не только от параметров волн, но и от уклона борта карьера следующим образом:

(6)

(7)

(8)

Зависимости устойчивых к размыву уклонов борта карьера для различных значений диаметра частиц пород при различных значениях скорости ветра приведены на рис. 1 и 2.

Горные породы состоят не только из частиц одного диаметра, а имеют определенный гранулометрический состав. При возникающем волнении волны определенной длины и высоты и, соответственно, имеющие определенную скорость, а так же создающие определенную глубину потока, будут размывать ту часть фракций горных пород, диаметр которых меньше тех, на которые был рассчитан уклон. При этом в зоне размыва будет создаваться угол больше проектируемого, что повлечет за собой размыв фракций большего диаметра. Зона размыва образуется на глубинах 4h и будет перемещаться вверх до конца зоны действия волн. И так до тех пор, пока не установится устойчивый к размыву уклон пляжной зоны верхнего уступа борта карьера. Поэтому при определении уклона пляжной зоны борта

дол. ед. 0,12---

0,02

0 -!-

200 400 600 800 1000 1200 1500 О, М

Рис. 1. Зависимость угла откоса от длины участка волнообразования при различных значениях скорости ветра для глины плотной.

1 - 6 м/с; 2 - 8 м/с; 3 - 10 м/с; 4 - 12 м/с; 5-14 м/с; 6-16 м/с.

1, дол. сд.

о .1---

600 800 1000 1200 1500 р м

Рис. 2. Зависимость угла откоса от длины участка волнообразования при различных значениях скорости ветра для частиц диаметром 75 мм.

1 - 6 м/с; 2 - 8 м/с; 3 - 10 м/с; 4 - 12 м/с; 5 - 14 м/с; 6-16 м/с.

карьера и длины участка волнообразования необходимо учитывать гранулометрический состав породы.

Для определения такого угла воспользуемся схемой, представленной на рис. 3 зоны размыва. Как видно из рисунка:

+ (10)

Н

д

Рис. 3. Определение угла откоса пляжной зоны борта карьера, с учетом гранулометрического состава породы.

где У0бЩ - общий объем зоны размыва на единицу длины фронта, м3; V] - объем частиц на единицу длины фронта, подлежащих

3

размыву, м ;

Уг - объем частиц на единицу длины фронта, устойчивых к

размыву, м .

При этом

(И) (12)

(13)

где Х| и Хг - содержание частиц, соответственно,. менее и более диаметра фракций для проектируемого уклона.

Объем частиц на единицу длины фронта, устойчивых к размыву можно выразить:

(14)

Устойчивый к размыву угол откоса пляжной зоны борта карьера будет

равен:

Таким образом, устойчивый к размыву угол откоса пляжной зоны борта карьера, с учетом гранулометрического состава породы будет равен:

(46 + Actgi)ctgi а = агс^я ,

4/г + Ас/ег---

5 100

При определении параметров волны и местоположения волнозащитных сооружений необходимо учитывать степень заполнения карьерного поля вскрышными породами.

При среднем геологическом коэффициенте вскрыши более единицы глубина водоема может быть незначительной, а образовавшиеся волны будут иметь меньшие параметры. Возможно и такое формирование отвалов, при котором их гребни могут разделить возникающее зеркало воды на отдельные ячейки.

При среднем же геологическом коэффициенте вскрыши меньше единицы вскрышные породы занимают меньшую часть выработанного пространства, поэтому образующийся водоем будет иметь достаточно большую глубину, и параметры образующихся волн будут представлять опасность для размыва борта карьера. Особенностью таких карьеров после заполнения выработанного пространства пустой породой является наличие не более 1-2 уступов и остаточной выемки. Заполнение карьерного поля водой начнется с этой выемки и из-за ее небольших размеров займет очень малый промежуток времени. Значит, установку волнозащитных сооружений следует производить по всему контуру карьерного поля одновременно, при этом горизонтальная проекция расстояния от оси дамбы до верхней бровки верхнего уступа должна соответствовать расстоянию, рекомендованному ранее для данного угла откоса пляжной зоны борта карьера. Горизонтальное же расстояние от оси дамбы до борта карьера в каждый промежуток времени затопления карьерного поля должно исключать появление трехмерных волн.

Особенностью рудных карьеров и некоторых угольных разрезов является их большая глубина и наличие более 3 уступов. Заполнение таких карьеров водой начинается с нижних горизонтов, относительно малых по площади, и занимает продолжительное время. Поэтому установку дамб следует начинать с нижних горизонтов, устанавливая новые ряды по мере заполнения выработанного пространства карьера. Горизонтальное расстояние между осью дамбы и бортом карьера в каждый момент времени его затопления должно исключать появление трехмерных волн. Это достигается регулированием длины тросов или цепей крепления всплывающих дамб к якорям.

Регулирование длины волнообразования по мере затопления карьера может осуществляться следующим образом. К волнозащитным сооружениям в местах изменения направления их оси через ролики пропущены тросы. Оба конца тросов закреплены на берме. Подтягивая или отпуская один из концов троса, можно изменить общую длину троса, тем самым уменьшить или увеличить расстояние между дамбой и бортом карьера.

Для выбора наиболее оптимальных конструкций необходимо учитывать следующие условия:

- время затопления карьерного поля;

- планируемый срок службы дамбы;

- тип горных пород, слагающих борт карьера.

По времени затопления карьеры можно разделить на 4 категории (см. табл. 1).

При больших карьерных полях, помимо прочих условий, необходимо учитывать сдвигающие волновые нагрузки. Расстояния между рядами дамб могут отличаться от расстояний между первым рядом и сушей и иметь гораздо большие значения. Для снижения общей массы дамб, используемых для данного карьера, и, следовательно, затрат на их установку, это расстояние необходимо сделать по возможности максимальным. На таких расстояниях будет возникать волна с достаточно большими параметрами, а значит и большой сдвигающей силой. При таких сдвигающих нагрузках простые металлические ящики не могут быть использованы в качестве защитных сооружений, так как будут возникать излишние напряжения, снижающие надежность закрепления дамб. Для уменьшения таких напряжений необходимо установить наклонную плоскость со стороны действия волны. Причем, эта плоскость должна размещаться на глубине равной двум высотам волны (4Ь), так как действие волны распространяется именно на эту глубину. Надводная часть плоскости должна соответствовать расстоянию (0,3 — 0,5)Ь.

Так, при относительно небольших длинах участка волнообразования и, соответственно, малых параметрах волн (при их высоте до 0,5 метров) достаточно придать плоскости металлического ящика со стороны волнения наклон с углом около 45° (рис. 4 а)).

При высоте воли 0,5 - 0,7 метров наклонную плоскость необходимо продлить на глубину до 0,4 метров относительно нижней плоскости ящика (рис. 4 б)) под углом 40 - 45°.

Для снижения металлоемкости, а значит и стоимости волнозащитных сооружений, следует стремиться к небольшим в сечении параметрам. По высоте дамба должна иметь размеры, соответствующие высоте волны:

где А - высота дамбы, м;

у - удельный вес дамбы, т/м3; р - плотность воды, т/м3.

а). Конструкция всплывающей дамбы б). Конструкция всплывающей дамбы при высоте волны до 0,5 метров. при высоте волны 0,5 - 0,7 метров.

Рис. 4. Конструкции всплывающих дамб при малых параметрах волны, для карьеров категорий В - Б.

Как видно из формулы, для уменьшения высоты дамбы ее плотность необходимо увеличить. Наиболее простой способ - заполнение части объема дамбы водой.

Следующий параметр - ширину дамбы - следует принимать из условия устойчивости волнозащитного сооружения. В этом случае должно соблюдаться условие:

(18)

где В - ширина дамбы, м.

Так как приведенные выше углы откосов бортов карьеров, устойчивые к размыву, в зависимости от типа горных пород и параметров волнообразования, имеют значения менее то такие углы приведут к большой площади изъятия из народнохозяйственного использования земель за пределами контура карьера. Выполаживание уступов при обычных методах рекультивации приводит к значительным затратам на выемку и перемещение вскрышных пород. Если мы проанализируем предлагаемый метод, то увидим, что при его использовании площади изымаемых земель значительно сокращаются.

На рис. 5 показана разница площадей изъятия при выполаживании откоса борта карьера до угла, устойчивого к размыву и при методе защиты всплывающими дамбами.

Эту разницу можно определить по формуле:

A=P(L2-l2)tgi

(19)

где А - разница площадей изъятия при выполаживании откоса борта карьера до угла, устойчивого к размыву и при методе зашиты всплывающими дамбами, м2;

Р - участок периметра контура карьера, нуждающийся в защите от ветроволнового воздействия;

L и 1 - расстояния размыва, при которых установятся углы откосов бортов карьера, устойчивые к размыву, соответственно при выполаживании откоса борга затапливаемого карьера, и при методе защиты всплывающими дамбами;

tg i - угол откоса борта карьера, устойчивый к размыву, %о.

При оценке экономической эффективности применения всплывающих дамб учитываются цена за 1 га изъятых из народнохозяйственного пользования земель за пределами контура карьера при выполаживании откоса борта затапливаемого карьера, стоимость работ по выемке и перемещению пустых пород, а также стоимость изготовления и установки всплывающих дамб.

Цена за 1 га по данным Росземкадастра составляет: до 43650 рублей -Краснодарский край, 33033 рублей - Московская область, 23000 рублей -Ленинградская область, 21650 рублей - Воронежская область, 7990 рублей -Красноярский край, и т.д.

Исходя из стоимости единицы длины плавучих дамб (порядка 2500 -3500 и длины участка периметра контура карьера,

нуждающегося в защите от ветроволнового воздействия, можно определить стоимость всего сооружения.

Таким образом, экономическую эффективность применения предлагаемого способа защиты можно выразить через неравенство:

P(L - l)[tg ¡хЦв(Ь+1)+(Ь -1) Ц3{НЕ)' J > Цд, (20)

где - стоимость работ по выемке и перемещению пустых пород, руб;

- цена за 1 га изъятых из народнохозяйственного пользования земель, руб;

Цд- стоимость изготовления и установки всплывающих дамб, руб. хпог.м.;

Е - коэффициент дисконтирования;

Т - время изъятия земель по отношению к началу периода ликвидации или консервации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в работе исследований решена актуальная научная задача защиты бортов ликвидированных или законсервированных карьеров от ветроволнового воздействия при их затоплении путем сокращения длины волнообразования с помощью всплывающих дамб. На основе данной работы автором сделаны следующие выводы и даны рекомендации:

1. Разработан способ защиты бортов карьера от ветроволновой абразии, заключающийся в сокращении длины волнообразования при применении всплывающих дамб.

2. Разработан метод расчета параметров установки волнозащитных сооружений с учетом гранулометрического состава пород, слагающих защищаемый борт карьера, и предельного контура карьера при его затоплении. Параметры дамбы определяются параметрами

волнообразования. Ее высота должна быть не менее двух высот волны, с учетом обеспечения плавучести конструкции, ширина дамбы должна быть не менее ее высоты.

3. При крутом уклоне (30°) откоса уступа даже небольшое волнение приведет к размыву участка борта, состоящего из мягких, легкоразмываемых пород у уреза воды и, как следствие, к оползневым явлениям. Поэтому в течение всего времени затопления карьера, из-за невозможности по экономическим соображениям придать борту устойчивый к размыву угол, необходимо полностью исключить появление трехмерных волн на участке между первым рядом дамб и бортом карьера. Как было установлено, при высоких скоростях ветра (14-18м/с) длина участка волнообразования, исключающего образование трехмерных волн, составляет около 10 метров.

4. В качестве волнозащитных сооружений наиболее приемлемыми являются всплывающие конструкции. Дамба, имеющая положительную плавучесть и не закрепленная жестко, всплывает по мере заполнения выработанного пространства карьера, предохраняя от волнового воздействия его борта в течение всего времени затопления. Кроме того, при больших глубинах применение всплывающих дамб из-за их низкой материалоемкости гораздо дешевле стационарных волнозащитных сооружений.

5. Экономическая эффективность применения предлагаемого способа защиты зависит от цены за 1 га изъятых из народнохозяйственного пользования земель, стоимости изготовления и установки всплывающих дамб, параметров волнообразования.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Власов Р.Е. Способ защиты бортов отработанных или законсервированных карьеров от ветроволнового воздействия. Сборник научных трудов магистров Московского государственного горного университета. - М.: МГГУ,2003 г.,№3;

2. Власов Р.Е. Способ защиты бортов отработанных или законсервированных карьеров от ветроволнового воздействия. Гидромеханизация 2003. -М.: МГГУ, 2004 г. № 3;

3. Власов Р.Е. Метод защиты бортов карьеров от ветроволновых воздействий при ликвидации или консервации. Деп. рук. № 347/05-04 от 03 февраля 2004 г. Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2004 г., № 5.

Подписано к печати Объем 1 п.л.

Тираж /¿%кз.

Формат 60x90/16 Заказ № 640

Типография Московского государственного горного университета 117935, ГСП 1, Москва, Ленинский проспект, д. 6

• -88 18

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Власов, Роман Евгеньевич

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Состояние вопроса.

1.2. Существующие методы волнозащиты.

1.3. Цель, задачи и методы исследований.

2. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ЗАЩИТЫ БОРТОВ ОТРАБОТАННЫХ ИЛИ ЗАКОНСЕРВИРОВАННЫХ КАРЬЕРОВ ОТ ВЕТРОВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ.

2.1. Классификация отработанных или законсервированных карьеров по их характеристикам возникновения водоемов.

2.2. Расчет параметров ветроволнового воздействия.

3. МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ БОРТОВ КАРЬЕРОВ ОТ ВЕТРОВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ.

3.1. Защита бортов карьера с помощью всплывающих дамб.

3.2. Параметры расстановки всплывающих дамб.

3.3. Параметры расстановки плавучих устройств на примере разреза «Тюльганский».

4. ПАРАМЕТРЫ ВСПЛЫВАЮЩИХ ВОЛНОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ.

4.1. Методы расчетов параметров всплывающих волнозащитных сооружений.

4.2. Параметры всплывающих волнозащитных сооружений на примере разреза «Тюльганский».

4.3. Оценка эффективности предлагаемого метода.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Выбор способа защиты бортов отработанных или законсервированных карьеров от ветроволнового воздействия"

Актуальность работы. При ликвидации или консервации карьера возникает необходимость прекращения работы водоотлива, дальнейшая эксплуатация которого потребует высоких затрат. Большинство карьеров в нашей стране расположены на территории с семиаридным климатом, следовательно, можно утверждать с высокой степенью достоверности, что при прекращении их эксплуатации произойдет постепенное заполнение выработанного пространства водой. Инструкция Госгортехнадзора России о порядке ведения работ по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с пользованием недрами, предусматривает ряд мероприятий, направленных на обеспечение безопасности, но без специальных действий сложно предотвратить размыв бортов карьера при его затоплении.

Между тем в районе действия карьеров могут находиться не только важные инженерные сооружения, социальные и жилищно-бытовые объекты, но и транспортные коммуникации. Верхние уступы действующих карьеров, как правило, сложены мягкими, во многих случаях легко размываемыми горными породами. При большой длине водной поверхности в условиях сильных ветров на формируемом зеркале в законсервированном или ликвидированном карьере будет возникать значительное волнение, которое можно оценить по известной шкале волны. Ветровые воздействия и, как следствие, волновые явления могут привести к нарушению устойчивости верхних уступов борта карьера и создать угрозу для фундаментов зданий и инженерных сооружений.

Чтобы избежать подобных негативных последствий, необходимо определить способ и разработать технологию защиты бортов карьеров от волновых воздействий при ликвидации или консервации и обосновать конструкцию таких инженерных сооружении, а также метод их защиты.

Целью настоящей диссертации является научное обоснование технологии защиты бортов ликвидируемых или консервируемых карьеров от ветроволнового воздействия.

Основная идея заключается в том, что защиту откосов верхних уступов борта карьера от ветроволнового воздействия при его затоплении можно обеспечить за счет уменьшения длины волнообразования, применив самовсплывающие по мере затопления карьера дамбы.

Научные положения, выносимые автором на защиту, и их новизна.

1. Для снижения ветроволнового воздействия на борта ликвидируемого или консервируемого карьера необходимо разделить водную поверхность, возникающую за счет притока вод, на отдельные участки, длина которых определяется параметрами гидрометеообстановки.

2. Размещение плавучих дамб определяется размерами предельного контура карьера, а расстояние между дамбой и бортом карьера для несвязных горных пород с диаметром частиц менее 1 мм не должно превышать 10 метров. Для связных горных пород и для несвязных горных пород с диаметром частиц более 1 мм расстояние между дамбами должно определяться из условия, при котором период волны при предельной расчётной скорости ветра исключает образование размывающей волны.

3. Параметры дамбы определяются параметрами волнообразования. Ее высота должна быть не менее двух высот волны с учетом обеспечения плавучести конструкции, ширина дамбы должна быть не менее ее высоты.

Научное значение состоит в установлении зависимостей параметров дамб от величины выработанного пространства и гидрометеообстановки.

Практическое значение работы. Обоснован способ защиты бортов и методика расчета параметров технических средств для его осуществления.

Достоверность научных положений и результатов, выводов и рекомендаций диссертационной работы основана на использовании широкого диапазона научных методов исследований, включающих анализ и обобщение теоретических и экспериментальных работ, аналитические исследования с использованием основополагающих положений механики и гидромеханизации.

Апробация работы. Разработанные технологические решения докладывались на конференциях «Неделя горняка» (2002-03 гг.), заседаниях кафедры ТО МГГУ (2003-04 гг.)

Реализация выводов и результатов работы. Рекомендации по защите бортов карьеров от ветровых воздействий при погашении или консервации приняты к внедрению ЗАО «Надежденское».

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 3 работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав, введения и заключения, списка использованных источников из 50 наименований, содержит 43 рисунка и 32 таблицы.

Автор искренне благодарит всех преподавателей кафедры ТО.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Власов, Роман Евгеньевич

Выводы по главе 4:

1. Для выбора наиболее оптимальных конструкций, необходимо учитывать следующие условия:

- время затопления карьерного поля;

- планируемый срок службы дамбы; щ - тип горных пород, слагающих борт карьера.

2. По времени затопления карьеры можно разделить на 4 категории:

- от 1 до 2 (малое);

- от 2 до 5 (среднее);

- от 5 до 10 (долгое);

- более 10 (сверх долгое).

3. При небольших карьерных полях срок службы дамбы ограничен , временем затопления и дальнейшее их использование нецелесообразно, поэтому для предотвращения размыва бортов карьеров с небольшой площадью зеркала воды и малым временем затопления, необходимо использовать деревянные решетки.

При среднем времени затопления и малых карьерных полях необходимо применять металлические ящики с низкой металлоемкостью, возможно без антикоррозийной обработки.

При долгом и сверх долгом времени затопления и малых карьерных полях металлические ящики необходимо подвергнуть антикоррозийной обработке, причем ее качество определяется планируемым сроком службы дамбы.

При средних карьерных полях срок службы должен быть рассчитан на максимально возможное время и дамбы должны быть изготовлены из металла, и пройти хорошую антикоррозийную обработку.

4. Масса якорей на единицу длины ряда дамб (металлических ящиков) определяется из выражения (4.8.) и составит от 0,07 до 0,09 т*м, в зависимости от параметров волны.

5. Предел прочности тросов (цепей) на растяжение на единицу длины ряда дамб (металлических ящиков) определяется из выражения (4.9.) и составит от 0,1 до ОД3 т*м, в зависимости от параметров волны.

6. По высоте дамба должна иметь размеры, соответствующие высоте волны и составит 0,5 - 0,7 метров.

7. Ширину дамбы следует принимать из условия устойчивости волнозащитного сооружения. Ширина дамбы при этом равна двум ее высотам.

8. Объем поплавковых элементов (для дамб с двумя поплавковыми элементами) должен рассчитываться из условия (4.12.).

9. Следовательно, массу якорей на единицу длины конструкции с двумя поплавковыми элементами следует принимать из выражения (4.14.).

10. Предел прочности на единицу длины конструкции тросов (цепей) на растяжение из выражения (4.15.).

11. Длину тросов и цепей следует принимать из расчета глубины водоема в месте установки дамбы при конечном затоплении карьера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в работе исследований, решена актуальная научная задача защиты бортов ликвидированных или законсервированных карьеров от ветроволнового воздействия при их затоплении, путем сокращения длины волнообразования с помощью всплывающих дамб. На основе данной работы можно сделать следующие выводы и дать рекомендации:

1. Разработан способ защиты бортов карьера от ветроволновой абразии, заключающийся в сокращении длины волнообразования при применении всплывающих дамб.

2. Разработан метод расчета параметров установки волнозащитных сооружений с учетом гранулометрического состава пород, слагающих защищаемый борт карьера, и предельного контура карьера при его затоплении. Параметры дамбы определяются параметрами волнообразования. Ее высота должна быть не менее двух высот волны с учетом обеспечения плавучести конструкции, ширина дамбы должна составлять не менее величины ее высоты.

3. В течение всего времени затопления карьера, из-за невозможности по экономическим соображениям придать борту устойчивый к размыву угол, необходимо полностью исключить появление трехмерных волн на участке между первым рядом дамб и бортом карьера, так как для мягких, легкоразмываемых пород, ясно, что при крутом уклоне (30°) даже небольшое волнение приведет к размыву участка борта у уреза воды и, как следствие, оползневым явлениям. Как было установлено, при высоких скоростях ветра (14-18м/с) длина участка волнообразования, исключающего образование трехмерных волн, составляет около 10 метров.

4. В качестве волнозащитных сооружений наиболее приемлемыми являются всплывающие конструкции. Дамба, имеющая положительную плавучесть, и, не закрепленная жестко, всплывает по мере заполнения выработанного пространства карьера, предохраняя от волнового воздействия его борта в течение всего времени его затопления. Кроме того, при больших глубинах, применение всплывающих дамб при их низкой материалоемкости гораздо дешевле стационарных волнозащитных сооружений.

5. Экономическая эффективность применения предлагаемого способа защиты зависит от цены за 1 га изъятых из народнохозяйственного пользования земель, стоимости изготовления и установки всплывающих дамб и параметров волнообразования.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Власов, Роман Евгеньевич, Москва

1. Рекомендации по инженерным изысканиям для прогноза переработки берегов водохранилищ. М.: Стройиздат, 1986 г.

2. Нурок Г.А. Процессы и технология гидромеханизации открытых горных работ. М.: Недра, 1985 г.

3. Шорохов C.M. Разработка россыпей. М.: Металлургиздат, 1948 г.

4. Нурок Г.А., Бруякин Ю.В., Бубис Ю.В., Королев В.Г. Технология подводной разработки морских россыпных месторождений. Часть 2. -М.: МГИ, 1976 г.

5. Нурок Г.А., Бруякин Ю.В., Бубис Ю.В., Молочников Л.Н., Яблоков К.В. Технология добычи полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов. М.: МГИ, 1979 г.

6. Шаповалов П.Б. Морские каналы и навигационная обстановка морских путей. М.: Морской транспорт, 1960 г.

7. Шорохов C.M. Технология и комплексная механизация разработки россыпных месторождений. М.: 1973 г.

8. Чекренев А.И. Дноуглубление. М.: Транспорт, 1967 г.

9. Справочник по разработке россыпей./Под ред. В.П. Березина, В.Г. Лешкова, Л.П. Мацуева, С.В. Потемкина-М.: Недра, 1973 г.

10. Ю.Ялтанец И.М. Проектирование гидромеханизации открытых горных работ. М.: МГГУ 1994 г.

11. Открытая разработка россыпей. Межвуз. науч. сб. М.: МГРИ, 1985 г. №3.

12. Разработка россыпных месторождений. Межвуз. науч. сб. -М.: МГРИ, 1981 г. №2.

13. Инструкция о порядке ведения работ по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с пользованием недрами № 33, от 28 января 1999 г.

14. Меламут Д. Л. Гидромеханизация в ирригационном и сельскохозяйственном строительстве. М.: Издательство литературы по строительству, 1967 г.

15. Пуляевский Г.М., Пинегин А.В., Некрасов B.JI. Формирование берегов водохранилищ. — Новосибирск: Наука, 1975 г., с. 154-175.

16. Пышкин Б.А. Динамика берегов водохранилищ. Киев: Наукова думка, 1973 г. - 413 с.

17. Руководство по гидрологическим исследованиям в прибрежной зоне морей и в устьях рек при инженерных изысканиях. М.: Гидрометеоиздат, 1972 г. - 396 с.

18. Руководство по методам исследований и расчетов перемещения наносов и динамики берегов при инженерных изысканиях. М.: Гидрометеоиздат, 1975 г. - 239 с.

19. Рекомендации по составлению карт прогноза переработки берегов водохранилищ./ ПНИИИС. М.: Стройиздат, 1985 г. - 40 с.

20. Смирнов Г.Н. Порты и портовые сооружения. М.: Стройиздат, 1979 г., с. 298.

21. Гришин М.М. Гидротехнические сооружения.- М.: Высшая школа,1970 г., с. 267-268.

22. Епишин В.К., Экзарьян В.Н. Прогноз процесса формирования береговводохранилищ. М.: Энергия, 1979 г., с. 95 - 111.

23. Розовский Л.Б. О прогнозе переработки берегов водохранилищ поаналогии. -М.: Наука, 1961 г., с. 45 57.

24. Золотарев Г.С. Инженерно-геологическое изучение береговых склоновводохранилищ. Труды 7-го Байкальского научно-координационногосовещания по изучению водохранилищ. М.: 1961 г., т. 1, с. 50 - 63.

25. Кондратьев И.Е. Прогноз переформирования берегов водохранилищпод действием ветровой волны. Труды Государственногогидрологического института. Выпуск 58 (110), М., 1956, с. 12 19.

26. Качугин Е.Г. Инженерно-геологические исследования и прогнозыпереработки берегов водохранилищ. -М.: Госгеолтехиздат, 1959 г., с. 3-89.28.31.32,33,34