Рациональная организация карьера.
С уче том использования камня, получаемого при разработке котлованов сооружений и подземных выемок, принимается в проекте компоновка узла сооружений. Остальной камень должен быть получен при разработке карьера. Разведанные запасы карьера должны удовлетворять потребность в камне для строительства плотины, которые определяются проектным объемом плотины с учетом запаса на осадку, необходимости иметь камень для приготовления щебня для бетона и фильтров, разрыхления породы после ее разработки, карьерных отходов и потерь камня. Первоначальное увеличение объема породы после ее обрушения составляет 45—50%. Потери камня на отходы карьера и при сортировке, если таковая применяется, зависят от типа плотины, характеристик породы, организации буровзрывных работ и требований, предъявляемых к камню. Эти потери, за счет соответствующей организации буро-взрывных работ и выбора типа плотины, могут быть сведены к минимуму и не должны превышать 3—5%. Происходят потери камня и при его транспортировке на плотину, поскольку отдельные камни, свалившиеся с автосамосвалов, убираются с дороги, так как их последующая погрузка экономически не оправдывается. Эти потери в зависимости от дальности карьеров могут быть оценены долями процента. Осадка от уплотнения наброски в зависимости от способа уплотнения может быть принята 0,5—1,5% высоты плотины.
Для средних условий разрыхления и потерь из 100 м3 породы можно получить 147x0,96x0,985=139 м3 камня в деле. Если камень в наброску отсыпается ярусами и уплотняется гидромониторами, то пустотность в наброске может быть принята равной 35%. Следовательно, средний коэффициент остаточного разрыхления можно принять равным 1,35. Тогда выход камня в плотине с учетом остаточного разрыхления составит 139 (1,35 : 1,475)=126,5 м3, или на 100 м3 профильного объема камня в плотине необходимо переработать около 80 м3 породы в плотном теле. Если камень отсыпается в насыпь с уплотнением укаткой; то пустотность в такой насыпи может быть доведена до 25%, или на 100 м3 такой насыпи необходимо переработать 90 м3 породы в плотном теле.
Для рациональной организации разработки карьера камня и транспортирования камня необходимо соблюдение следующих условий:
а) обеспечение заданной проектом производительности карьеров;
б) обеспечение выхода камня оптимального состава;
в) выбор наиболее оптимальных соответствующих типов и количества бурового оборудования, средств погрузки и видов транспорта;
г) устройство надежно действующих транспортных коммуникаций и подходов к плотине.
Проектная производительность карьеров при производстве буро-взрывных работ с учетом рыхления породы определяется календарным графиком выполнения работ. Такая производительность по максимальным месяцам укладки камня должна обеспечиваться соответствующим количеством буровых станков и погрузочных средств.
Оптимальным гранулометрическим составом камня для наброски является такой, при котором получается наибольшая плотность с выходом минимума негабаритов, требующих повторного дробления. Паспорт буровзрывных работ для получения такого камня отрабатывается на основе производственных опытов, выполняемых в породах с различной степенью их трещиноватости.
Карьер обычно выбирается таким образом, чтобы могли быть обеспечены условия для нормальной его эксплуатации, чтобы он был удобно расположен по отношению к плотине и транспортирование камня из карьера не вызывало затруднений. Топографические условия карьеров должны обеспечить производство массовых взрывов породы. Для этого необходимо иметь достаточную высоту забоя и его длину по фронту разработки. Наиболее благоприятными для заложения карьера будут горные склоны или береговые обрывы с горизонтальными или слабонаклонными площадками вдоль них (плотины Камчия и Высотная Асуанская). При наличии таких условий легко достигается необходимая высота забоя, облегчаются условия маневрирования буровых станков, выполнение вскрышных работ, подготовка забоя и удаление отходов карьера.
После разрыхления породы в карьере производится погрузка камня на транспортные средства: обычно применяются электрические карьерные экскаваторы ЭКГ-4,6, работающие в комплексе с 27—40-тонными автосамосвалами и бульдозерами на зачистке забоя (рис. 8-11). Такие экскаваторы обычно работают при высоте забоя в карьере 10—12 м или с учетом обрушения породы на высоте уступа до 15 м.
При разработке карьеров камня в горных условиях технико-экономические показатели эксплуатации экскаваторов и автосамосвалов значительно ухудшаются, особенно при перевозке камня с верхних горизонтов.
Рис. 8-12 Схема расположения каменных карьеров и отвалов камня на строительстве Высотной Асуанской плотины.
1 — плотина; 2 — подводящий канал; 3 — отводящий канал.
Применение технологических схем с использованием гравитационного перемещения камня с верхних горизонтов по сравнению с автотранспортной схемой перевозки позволяет зачастую сократить пути транспортирования и соответственно уменьшить затраты на строительство автодорог и эксплуатационные расходы. К таким технологическим схемам следует отнести механизированногравитационную, характеризующуюся сочетанием экскаваторно-транспортных средств работы на верхних горизонтах карьера с гравитационным транспортированием камня от верхних (рабочих) к нижним (откаточным) горизонтам. Для этого используются специальные выработки — породоспуски со штольнями на горных карьерах производительностью 2—3 млн. м3/год или породоскаты на небольших карьерах.
Породоспуски нашли широкое применение в горнорудной промышленности, поэтому при проектировании карьеров камня, расположенных в сложных горных условиях, обычно рассматривается техническая возможность и экономическая целесообразность применения технологических схем с гравитационным перемещением камня. Диаметр породоспусков назначают из расчета крупности получаемого в карьере камня. Породоспуски оборудуют пластинчатым питателем для выдачи камня на транспорт.
Чтобы карьер имел требуемую производительность, он должен иметь необходимую длину забоя тем большую, чем меньше его высота. Площадь основания карьера должна быть увязана с высотой забоя, размещением механизмов для погрузки камня и подъездов к ним, а также складированием крупного камня и его сортировкой, если таковая предусматривается проектом.
При выборе расположения карьеров по отношению к плотине желательно соблюдение ряда условий:
а) для каменно-земляной плотины с ядром предпочтительно иметь карьеры как с верховой, так и с низовой стороны плотины;
б) для каменно-земляной плотины с экраном предпочтительно иметь карьеры только с низовой стороны;
в) карьеры должны быть расположены на минимальном расстоянии от плотины и иметь удобные подходы и съезды на разные ярусы плотины.
Число карьеров определяется проектом на основе технико-экономических расчетов, но для упрощения эксплуатации стремятся иметь один карьер с несколькими забоями, расположенными на разных высотах. На строительстве Высотной Асуанской плотины камень заготовлялся в четырех карьерах, а также использовался из отвалов выемки каналов: (рис. 8-12). Основной объем камня для плотины первой очереди покрывался за счет сработки отвалов, а для плотины второй очереди заготовлялся в карьере № 3 на левом берегу в нижнем бьефе, где было разработано около 7,7 млн. м3 породы.
При выборе отметок площадок забоев в карьере следует руководствоваться тем принципом, что отметка верха отсыпаемого в плотину яруса камня должна определять отметку места его погрузки в карьере. Тогда дороги для транспортирования камня будут проходить с небольшим уклоном в грузовом направлении. С увеличением высоты яруса отсыпки камня и высоты забоя уменьшается
число забоев и сокращается длина подъездных дорог. Поэтому там, где это возможно, необходимо стремиться к меньшему числу забоев в карьере и отсыпке более высоких ярусов.
Для получения в карьере камня осуществляют два способа разрыхления породы: разрушение породы буро-взрывным способом и механическое разрушение породы при помощи рыхлителей.
Наиболее широкое распространение получил первый способ.
Рыхление породы с применением буровзрывных работ.
Рыхление этим способом должно производиться в соответствии со СНиП Ш-Б.1-71 и выполняться с соблюдением требований «Единых правил техники безопасности при взрывных работах». При производстве буро-взрывных работ при разработке карьеров камня и котлованов с использованием получаемого камня из полезных выемок следует руководствоваться «Техническими правилами ведения взрывных работ в энергетическом строительстве» [Л. 71].
Буро-взрывные работы в карьере обеспечивают:
а) необходимое дробление породы с выходом камня определенного гранулометрического состава, заданного проектом;
б) расположение взорванной породы, позволяющее организовать высокопроизводительную работу погрузочно-транспортных средств;
в) получение устойчивых откосов (бортов) карьера.
Буро-взрывные работы в котлованах сооружений должны обеспечить:
а) получение выемок требуемой формы и размеров с минимальным отклонением от проектного контура;
б) минимум планировочных и вспомогательных работ;
в) получение выемок с минимальным трещинообразованием за пределами проектного контура, без разрушения бортов.
В зависимости от назначения буро-взрывных работ и условий разработки применяются следующие методы взрывных работ: скважинных зарядов; камерных зарядов; котловых зарядов; шпуровых зарядов. Первые три метода применяются обычно при разработке каменных карьеров, а последний — при разработке котлованов и подготовке карьерных забоев. При разработке глубоких котлованов может применяться и метод скважинных зарядов, но с контурным взрыванием для предварительного откола породы по контурам котлована.
Метод скважинных зарядов состоит во взрывании удлиненных зарядов, расположенных в скважинах диаметром свыше 75 мм. Глубина таких скважин зависит от высоты разрабатываемого уступа и мощности экскаваторов, занятых на погрузке камня. Этот метод является основным и применяется на большинстве карьеров камня.
Метод котловых зарядов состоит во взрывании сосредоточенных зарядов ВВ, расположенных в котлах, полученных путем простреливания скважин. Этот метод применяют в тех случаях, когда требуется увеличение массы заряда для преодоления ЛНС (линии наименьшего сопротивления) и СПП (сопротивления по подошве), а взрываемые породы допускают образование котла необходимых размеров. Этот метод не получил широкого распространения в практике гидротехнического строительства.
Метод шпуровых зарядов состоит во взрывании зарядов ВВ, размещенных в шпурах диаметром 25—75 мм, проходимых станковыми перфораторами. Этот метод применяют также при разделке негабаритов и дроблении валунов, разработке защитных слоев выемок котлованов и планировочных работах по· основанию и откосам, но с применением более легких перфораторов диаметром до 25 мм.
При разработке каменных карьеров методом скважинных зарядов применяется однорядное или многорядное взрывание скважин. В качестве основных средств для бурения таких скважин применяются станки вращательного бурения с армированными коронками, шарошечного ударно-вращательного с погруженными пневмоударниками и огневого бурения. В связи с применением на строительстве каменно-земляных плотин мощной погрузочно-транспортной механизации многорядное взрывание стало доминирующим. Применение короткозамедленного взрывания (КЗВ) позволило увеличить расстояние между рядами скважин почти до величины СПП и сделало такой метод взрывания наиболее экономичным. Во многих случаях скважины более целесообразно бурить не вертикально, а наклонно, параллельно борту уступа, что позволяет улучшить дробление породы, качество проработки подошвы и уменьшить нарушение массива породы в карьере взрывом.
В настоящее время, особенно в горнорудной промышленности, наблюдаются тенденции к существенному увеличению высоты уступов, а следовательно, и укрупнению взрыва. Скважины бурят сразу на глубину двух-трех уступов и взрывают по неподобранному борту в условиях повышенного его зажима. При таком взрывании степень дробления породы повышается. Выход негабаритных камней практически отсутствует там, где раньше при поуступном взрывании он составлял 0,5—1%. Однако уборка камня производится поуступно. Взорванная порода вследствие незначительного смещения при взрыве достаточно плотна, чтобы выдержать вес экскаватора. При таком методе взрывания породы увеличивается сейсмическое воздействие взрыва на сооружения, расположенные вблизи карьера, с чем нельзя не считаться. Учитывая существенные преимущества взрывания по неубранному уступу для интенсификации дробления породы, этот вид взрывания следует применять, но с учетом сейсмического эффекта.
При производстве буро-взрывных работ требуется тщательно определить параметры взрывания, т. е. высоту уступа, расположение и диаметр зарядов, массу их, число рядов скважин с учетом характера породы, трещиноватости и требуемой крупности камня.
Следует отметить, что при производстве взрывов в массиве породы происходят существенные ее нарушения. В нарушенном массиве уменьшается скорость бурения первых рядов скважины и ухудшается качество дробления. Строгое соблюдение величины СПП и расстояний между рядами скважин, преодолеваемых взрывом, способствует уменьшению зоны нарушения массива породы и повышению эффективности взрывных работ. Этому способствует также применение способа КЗВ наклонных скважин, обеспечивающих расположение зарядов параллельно откосу уступа, уменьшение СПП, однако все это не может полностью исключить нарушение породы, если не применять контурного взрывания. Последнее оправдано при проходке туннелей и разработке котлованов, а в каменных карьерах целесообразность его применения требует соответствующих обоснований.
На выход негабаритных камней, требующих вторичного дробления, оказывают влияние трещиноватость породы и метод взрывания [Л. 15]. Применением метода КЗВ можно снизить выход негабаритных камней в 1,5 раза по сравнению с мгновенным взрыванием в сильнотрещиноватых породах· II класса (по трещиноватости) и более чем в 4 раза в монолитных породах V класса. При этом монолитные породы допускают регулирование дробления, а следовательно, и поддержание желаемого состава камня изменением параметров многорядного взрывания. Этого нельзя добиться в отношении взрывания сильно (II класса) и чрезвычайно (I класса) трещиноватых пород. Чем более трещиноваты породы в карьере, тем больше следует ожидать выхода негабаритных камней и тем труднее получить из них камень желаемого состава.
При многорядном расположении скважин обычно одновременно взрывают большое количество ВВ. В таких случаях необходимо проверять сейсмобезопасность зданий и сооружений, расположенных недалеко от каменного карьера, или устойчивость склонов района строящейся плотины, которые могут быть чувствительны к проявлениям сейсмического воздействия от взрыва.
Главным условием КЗВ является определенная последовательность взрывания зарядов со столь малыми интервалами времени, чтобы напряжения, вызванные в массиве предыдущим взрывом, не затухали к моменту последующего. Значительное влияние на улучшение степени дробления при КЗВ оказывает также образование свободных поверхностей, уменьшающих нагрузку на заряд, взорванный с замедлением. При КЗВ зарядов происходит наложение полей напряжения, вызванных взрывом отдельных зарядов, и как следствие улучшение дробления породы. Чем больше соседних зарядов инициируется разновременно, тем больше наложений и тем лучше дробление. Поэтому лучшее дробление получается при применении схем, обеспечивающих наибольшую разновременность взрывания зарядов. Схема КЗВ и выбор средств взрывания с учетом техники безопасности взрывных работ и инженерно-геологических условий карьера даются в проекте буровзрывных работ.
Для повышения эффективности работы экскаваторов и погрузчиков в карьере требуется минимальный выход негабаритного камня. Таким образом, регулирование степени дробления породы при взрывных работах для получения камня заданной крупности и гранулометрического состава является одной из главных задач совершенствования технологии буро-взрывных работ.
В настоящее время применяются следующие приемы, позволяющие управлять воздействием взрыва на массив породы:
а) увеличение времени воздействия взрыва на породу при использовании воздушных промежутков в заряде;
б) изменение угла наклона скважин;
в) изменение числа рядов скважинных зарядов;
г) применение специальных схем короткозамедленного взрывания, обеспечивающих ударение кусков отбитой породы;
д) оконтуривание взрываемых блоков поверхностями предварительного щелеобразования;
е) изменение удельного расхода и распределения ВВ во взрываемом массиве.
Зная естественную трещиноватость и блочность породы, для оценки которых карьер должен быть разделен по категориям трещиноватости в соответствии с «Временной классификацией пород по степени трещиноватости в массиве» Международной комиссии по взрывному делу, можно дать прогноз о крупности и гранулометрическом составе камня,
который может быть получен в данном карьере. Для этого требуется и проведение опытных взрывов в карьере. Эти данные помогут решить следующие вопросы проекта:
а) выбор типа и конструкции плотины;
б) возможное и необходимое зонирование каменной насыпи;
в) ожидаемый состав камня и его крупность.
Разрабатываемые породы всегда имеют трещиноватость тектоническую или от выветривания— поверхностную, с чем нельзя пе считаться при выборе угла заложения откоса уступа карьера. При поярусной разработке карьера для первого яруса — поверхностного, где имеет место повышенная трещиноватость от выветривания, принимаются более пологие углы заложения забоя, чем для нижних ярусов разработки. Чтобы не прибегать к защитным мероприятиям, например закрытие уступа сетками на анкерах, как это делается часто при разработке глубоких котлованов на крутых склонах, угол откоса уступа карьера должен быть безопасным. Даже в таких прочных породах, как граниты, как показывает опыт разработки в них глубоких выемок, угол отрабатываемого откоса выемок следует принимать равным 62° и только в крайних случаях 65°.
Во избежание мелких вывалов с откоса, которые происходят под влиянием изменения климатических условий, незащищенные откосы глубоких карьеров должны периодически осматриваться и обираться от всех неустойчивых массивов.
