Строительство

Высота террикона

Вокруг него были построены многоэтажные жилые дома, детские и другие учреждения, поэтому торящий террикон как источник запыленности и загазованности окружающего пространства и как постоянный очаг возможных выбросов необходимо было убрать. К тому же наличие породного отвала на площади, которая с учетом защитной зоны составляла более 6 га, нарушало компановку строительства жилого района с 10 тыс. м2 жилой площади и культурно-бытовыми зданиями. Заштрихованный веерообразный сектор — место деформации породного отвала и зона перемещения пыли при выбросе до начала работ по уборке террикона. Порода отвала использовалась для вертикальной планировки пересеченной местности и выработанного каменного карьера в черте города.

Терриконы шахты им. В. И. Ленина. Терриконы шахты им. В. И. Ленина комбината Макеевуголь представляют собой несколько сгруппированных породных отвалов, перекрывающих друг друга в основании. Один из породных отвалов — отдельностоящий. Отвал имеет несколько вершин с наклонными гребнями. Породные отвалы терриконов расположены веерно и более опасны по сравнению с одиночными отвалами терриконов.

Максимальная высота породного отвала 59 м. Породы в отвале терриконов представлены глинистыми и песчаными сланцами. Средняя часть породного отвала представляет в основном перегоревшую породу. Террикон практически перегоревший, а террикон с большими площадями горения и сложен породами темно-серого цвета. Перегоревшие породы по внешнему виду красновато-оранжевые.

В породном отвале встречаются очаги горения в вершинах терриконов и сплошное горение в терриконе с выделением горючих газов. Горящие породы террикона подогревают породы террикона. Объем породы в терриконах составляет 2500 тыс. м3, занимаемая площадь — свыше 12 га.

Породная масса

Породы на участке не горели, только подогревались нижележащими слоями. На участке 3 породы перегорели, но сохранили температуру 130-150° С. Породы участков 5, 7 и 8 перегорели и их температура соответствовала температуре окружающей среды. Породный отвал находился на территории промышленной площадки нынешнего Горловского химкомбината и являлся не только источником загазованности и запыленности площадки, но и стал препятствием для дальнейшего расширения комбината.

Террикон бывшей шахты «Каменка». Порода отсыпалась вагонетками, которые перемещались по наклонному рельсовому пути, последовательно удлиняемому с ростом террикона. Угол откоса (подъема) по отношению к горизонтальной поверхности в хвостовой части террикона составлял 14°, в лобовой — 37°. По способу отсыпки породы он относился к одиночным высоким терриконам, отличающимся очень благоприятными условиями для самовозгорания пород. Высота террикона — 45 м. По тепловому состоянию — это горящий террикон с установившимся горением. Породная масса в отвале — 330 тыс. м3, занимаемая им площадь составляла 27200 м2.

Юго-западный склон террикона был раньше подработан снизу. В результате неправильной подработки образовались отвесные стены с огромными нависшими глыбами спекшейся массы. Согласно результатам исследования МакНИИ установлено, что в породах верхней части сохранилась очень высокая температура (до 600° С). Северо-восточный склон был сложен в основном перегоревшими породами, температура которых на глубине 3 м достигала 200° С. Юго-западный склон террикона был представлен перегоревшими породами мелких фракций, где горение носило очаговый характер. Террикон бывшей шахты «Каменка» располагался в центре густонаселенного жилого массива г. Донецка.

Пустоты и трещины

Перед началом разработки террикона его следует тщательно исследовать методом поверхностного осмотра и шурфовкой на глубину 3-5 м. Для составления проекта безопасной разработки породного отвала и безопасных методов производства работ необходимо знать характеристику (паспорт) отвала: состав пород, время отсыпки, температурный режим, высоту и другие факторы. В зависимости от характеристики террикона выбирается и метод его разработки.

Рассмотрим характеристики некоторых отвалов. Отвал шахты «Кондратьевская-Западная» отсыпан с помощью подвесной канатной дороги. Высота отвала 45 м. Породы в отвале в основном представлены глинистыми и песчаниковыми сланцами. Встречаются плотные песчаники, а также в незначительном количестве углистые сланцы и уголь. Боковые откосы его постепенно разрушались от времени, образуя вертикальные обрывы из спекшейся массы высотой до 5 м. Отдельные спекшиеся породные глыбы объемом 20-35 м3 находились у основания.

Породная масса находилась на терриконе более двух лет после окончания отсыпки. Объем породы в отвале составлял 300 тыс. м3, занимаемая площадь — 20 500 м2. МакНИИ было проведено детальное обследование теплового состояния террикона. Обследования показали, что верхняя часть его (примерно 1/3 высоты) представлена не перегоревшими породами, а нижняя (2/3 высоты) состоит из перегоревших пород. Горение носит очаговый характер. Для замера температуры пород в отвале шурфовали скважины по зонам. Всего было пробито около 140 скважин с максимальной глубиной 2-2,5 м, что позволило исследовать отвал на протяжении 25 м от вершины к основанию. Расстояние по вертикали между I, II и III зонам — по 5 м, а IV зона от III находилась на расстоянии 10 м. Очаги горения были обнаружены главным образом на участках 2, 4, 6 и 9 в I, II и частично III зонах.

Обрушения горящих пород

Попадание воды на горящий террикон может вызвать не только оползень — обрушение, но и выброс пород мелких фракций вследствие быстрого парообразования. Объем оползня может составлять от нескольких сот до нескольких тысяч кубометров, поэтому в период дождей следует прекращать все виды работ по разработке пород террикона, а людей и технику выводить за границу опасной зоны. Подработка пород у основания категорически запрещается.

Газовыделение. Опасность для людей, занятых разработкой террикона, представляют ядовитые газы, выделяемые горящей породой: удушающие газы (углекислота, углеводород, азот) и отравляющие (окись углерода, сернистый газ и сероводород). Анализы лабораторных исследований показывают, что в горящем терриконе содержится 7-10% окиси углерода, 9-11% водорода, 0,15-0,55% кислорода. Наибольшее содержание водорода и окиси углерода обнаружено в очагах горения. Количество водорода значительно возрастает при попадании в очаги горения воды. Содержание окиси углерода в воздухе на вершине и склоне террикона в 3-5 раз превышает допустимую концентрацию, а сероводорода и сернистого газа — в 9-17 раз. Выделяясь из очагов горения на поверхность, ядовитые газы смешиваются с воздухом и концентрация их резко снижается.

На расстоянии 25-100 м от породного отвала содержание углекислоты незначительное (0,1-0,2%), а окись углерода уже не обнаруживается. Санитарными нормами при проектировании промышленных предприятий (СН 245-71) предусмотрена ширина санитарно-защитной зоны не менее 500 м. Пустоты и трещины. На горящих терриконах в местах скоплений угля и других горючих веществ часто образуются пустоты. При провалах в пустоты возможны ожоги.

На участках горящих пород иногда образуются трещины шириной до 20 см, через которые при проникновении воды в раскаленную отвальную массу начинается интенсивное выделение газов и пара, в результате чего могут произойти выбросы породы.

Падение и скатывание кусков породы

Обрушения от неправильной разработки террикона, если начинать разработку пород снизу, у основания, то в большинстве случаев сыпучие породы верхнего и среднего горизонтов обрушиваются уже после выемки уступа высотой 4-6 м, так как нарушается их равновесие. Вышележащие слои породы, не имея упора, сползают по поверхности естественного откоса и засыпают выработанное пространство. Особенно опасны оползни горящих пород.

Призма упора АВО состоит из призмы АВДЕ, представленной малосвязанными горелыми породами мелких и средних фракций, и призмы ЕДО, сложенной из крупнокусковой породы. После интенсивного горения и обжига силы сцепления и угол внутреннего трения у пород призм АВДЕ и ЕДО резко различаются по величине. Поверхность обрушения ABC находится под углом 45°- к вертикали, где — угол внутреннего трения.

При нарушении равновесия порода призмы упора АВО под давлением пород призмы активного действия ABC начинает перемещаться к основанию террикона. Обе призмы разрушаются, образуя «язык», расширяющийся кверху.

После перемещения породы призмы АВО образуется воронка с крутыми стенками. Вследствие слабой связанности пород, стенки быстро начинают обрушиваться. Породы мелких фракций при сползании образуют большие облака черной пыли, дыма и зачастую пламя. Такой тип деформации называется сухой оползень — обрушение.

Обрушения горящих пород отвалов возможны также в период ливневых дождей. Исследованиями, проведенными П. А. Леоновым, доказано, что такого рода оползни возникают на горящих терриконах высотой более 40 м и называются ливневыми оползнями обрушения.

Угол наклона пути к горизонту

Угол наклона пути к горизонту, как правило, составляет 20-30°. По способу отсыпки породы конические терриконы могут быть одиночными, двойными, тройными, веерными и сближенными.

По тепловому состоянию терриконы бывают: не горящие, °С,- холодные до 25, теплые 50, горячие 70; предельно нагретые — свыше 70; горящие — загоревшиеся с очагами горения и установившимся горением по всей поверхности; потухшие, °С: нагретые выше 35 и остывшие ниже 35.

Основной причиной самовозгорания пород в терриконах служит наличие в отвальной массе горючих веществ: угля, сростков угля с породой, древесины, серы, аргиллита. В общей сложности 15-30% террикона по всему объему составляют горючие вещества, которые попадают в потоке с отвальной породой. В верхней части террикона всегда скопляется горючих веществ на 15-25%-больше среднего их содержания в породном отвале. Уголь и пустые породы в отвале расположены неравномерно. На отдельных участках встречается скопление угля, а на других — его очень незначительное количество.

Скопление горючих веществ обычно служит очагами самовозгорания и горения отвальной массы. Причиной самовозгорания отвальных пород может послужить не только химическая активность содержащихся в них горючих веществ, но и структура (пористость) породного отвала, способствующая теплообмену с окружающей средой.

Исследованиями МакНИИ установлено, что породы в отвале по крупности частиц распределяются примерно в следующем порядке. У основания террикона (нижняя зона) располагается преимущественно (90%) крупнокусковая порода, в средней части террикона (средняя зона) количество крупных кусков уменьшается до 20-35%. Вершина же состоит в основном из мелкокусковой породы.

С распределением породы по фракциям тесно связан процесс горения. Так как воздух более интенсивно проходит через пустоты крупных кусков, то загораются быстрее породы средних зон. Выгорание из отвальной массы горючих веществ приводит к образованию в породе каналов и пустот.

Механические свойства

Поэтому при проектировании гидросооружений из породных отвалов обогащения следует уточнять не только их первоначальные характеристики, но и прогнозировать пределы их возможного изменения.

В период строительства основной плотины из суглинистых грунтов постоянного шламонакопителя Авдеевского коксохимического завода произошло оползание откоса в коренных грунтах. В качестве одного из мероприятий, позволяющего продлить срок строительства плотины, было решено построить экспериментальную плотину из отходов углеобогатительной фабрики на балке «Безымянной», которые находились в отвалах в течение 5-7 лет.

По рекомендациям ВНИИВОДГЕО техническая документация на строительство плотины из отходов была разработана Донецким отделением Союзводоканалпроект. Основные параметры плотины: высота- 17 м, ширина понизу- ПО м, заложение откосов 1 : 3, объем породы в теле плотины — 100 тыс. м3. Вместимость чаши 500 тыс. м3 с площадью зеркала — 10,5 га. Сооружение плотины было запроектировано с тонким противофильтрационным экраном, из суглинистых грунтов толщиной до 5 м.

Учитывая большую высоту плотины, в верховом и низовом откосах запроектированы бермы шириной 4 м. Основание плотины (ложе) сложено разнородными грунтами с наличием грунтовых вод. При отсыпке тела плотины увлажнение пород не производилось, так как естественная влажность составляла 7-10%. Порода при толщине слоя отсыпки 40 см уплотнялась пневмокатками до плотности в теле насыпи 1,86 г/см3. Погрузка пород производилась экскаваторами в автотранспорт. Срок строительства составил 6 месяцев.

В период эксплуатации плотины в течение трех лет отклонений от проектных параметров не наблюдалось. Откосы устойчивы, осадок тела насыпи не зафиксирован, фильтрация в пределах нормы. Породные отвалы чаще всего бывают плоские и конические. Плоский отвал представляет собой трапецию и образуется в результате отсыпки породы с эстакад или самосвалами. Конический отвал (террикон) образуется в случае, когда порода подается в скипах или вагонетках, перемещающихся по наклонному узкоколейному рельсовому пути.

Минеральные грунты

Минеральные грунты защитили породу от попадания атмосферных осадков. Проведенные мероприятия позволили не только сократить стоимость строительства, но и высвободить площадь более 1 га. По приведенной схеме ведения работ породы террикона были использованы при обратных засыпках котлованов при строительстве холодильника в г. Макеевке и молокозавода в г. Горловке. Свыше 1 млн. м3 отвальных пород терриконов было вывезено трестом Донбассэкскавация для вертикальной планировки площадей с устройством насыпей под железнодорожные пути при строительстве Харцызского трубоэлектросварочного цеха. Знание физико-механических свойств отвальных пород терриконов позволило выполнять отсыпку насыпи высотой 8— 12 м для строительства комплекса цехов товаров народного потребления в г. Харцызске. Первоначально была отсыпана тупиковая железнодорожная насыпь длиной 500 м из шахтных пород, которая не прикрывалась минеральными грунтами. В результате воздействия атмосферных осадков порода на откосах насыпи распалась на мельчайшие частицы и самоуплотнилась, препятствуя проникновению влаги на глубину более 30 см.

Спустя два года была отсыпана насыпь территории цеха товаров народного потребления объемом 360 тыс. м3 в основном из перегоревших пород террикона шахты им. В. И. Ленина г. Макеевки. В составе отвала были песчаные породы и сланцевые глины. С учетом факторов внешнего воздействия на насыпь отсыпка производилась слоями 40 см с уплотнением до объемной массы скелета грунта 1,8 г/см3. Насыпь, отсыпанная из пород террикона, была прикрыта суглинистыми грунтами толщиной 1-1,5 м.

В промышленных районах Донбасса все больше возрастает необходимость в сооружении плотин и ограждающих дамб для складирования промышленных отходов и сброса шламовых вод, при строительстве которых становится реальной возможность использования породных отвалов углеобогащения. Механические свойства этих отвалов — пород меняются от времени, происходят процессы разрушения и разбухания.