Главни циљ контроле тла је одржавање безбедних ископа у стенама и земљишту (услови контрола слојева управљање нагибима се такође користе у подземним и површинским рудницима). Контрола са земље такође налази многе примене у пројектима нискоградње као што су тунели, хидроелектране и одлагалишта нуклеарног отпада. Дефинисан је као практична примена механике стена у свакодневном рударству. Амерички национални комитет за механику стена предложио је следећу дефиницију: „Механика стена је теоријска и примењена наука о механичком понашању стена и стенских маса; то је она грана механике која се бави одговором стена и стенских маса на поља сила њиховог физичког окружења”.

Стенске масе показују изузетно сложено понашање, а механика стена и контрола тла су предмет значајних фундаменталних и примењених истраживања широм света од 1950-их. На много начина земаљска контрола је више занат него наука. Контрола тла захтева разумевање структурне геологије, својстава стена, подземних вода и режима напрезања тла и начина на који ови фактори делују у интеракцији. Алати укључују методе истраживања локације и испитивања стена, мере за минимизирање оштећења стенске масе изазване минирањем, примену техника пројектовања, праћење и подршку на земљи. Неколико важних помака се догодило у механици стена и контроли тла последњих година, укључујући развој емпиријског дизајна и техника компјутерске анализе за пројектовање рудника, увођење и широку употребу различитих инструмената за праћење тла и развој специјализованих алата за подршку земљи. и технике. Многе рударске операције имају одељења за контролу земље у којима раде специјализовани инжењери и техничари.

Подземне отворе је теже створити и одржавати него падине камења или тла, стога подземни рудници генерално морају посветити више ресурса и пројектних напора за контролу тла него површински копови и каменоломи. У традиционалним методама подземног рударства, као што су скупљање и сечење и пуњење, радници су директно изложени потенцијално нестабилном тлу у зони руде. Код метода масовног рударења, као што је заустављање експлозије, радници не улазе у зону руде. Последњих деценија постоји тренд удаљавања од селективних метода ка масовним методама.

Типови кварова на земљи

Структура стена и напрезање стена су важни узроци нестабилности у рудницима.

Одређену стенску масу чине нетакнуте стене и било који број стенских структура или структурних дисконтинуитета. Главне врсте стенских структура обухватају слојеве (равнине поделе које раздвајају појединачне слојеве), наборе (завоје у слојевима стена), раседе (преломи на којима је дошло до померања), насипе (табуларне интрузије магматских стена) и спојеве (преломи геолошких стена). порекло по коме није било видљивог померања). На инжењерско понашање стенских маса утичу следећа својства структурних дисконтинуитета: оријентација, размак, постојаност, храпавост, отвор и присуство материјала за испуну. Прикупљање релевантних структуралних информација од стране инжењера и геолога је важна компонента програма контроле тла у рударским операцијама. Сада су доступни софистицирани компјутерски програми за анализу структурних података и геометрије и стабилности клинова у површинским или подземним рудницима.

Напони у стени такође могу изазвати нестабилност у рудницима; познавање напрезања и деформисања стенских маса је од суштинског значаја за пројектовање звучног инжењеринга. Лабораторијски тестови на цилиндричним узорцима стене из језгра бушотине могу пружити корисне информације о чврстоћи и деформабилности нетакнуте стене; различите врсте стена се понашају различито, од пластичног понашања соли до еластичног, крхког понашања многих тврдих стена. Спајање ће у великој мери утицати на чврстоћу и деформабилност целокупне стенске масе.

Постоје неке уобичајене врсте пропадања на косинама у површинским рудницима и каменоломима. Режим лома клизног блока јавља се када се кретање одвија дуж једне или више стенских структура (раван смицање, путања степеница, клин, степенасти клин или откази плоче); може доћи до ротационог смицања на падини тла или слабе стенске масе; додатни начини квара укључују рушење блокова формираних структурама које стрмо урањају и равелирање (нпр. померање блокова смрзавањем-одмрзавање или кишом).

Велики кварови на нагибу могу бити катастрофални, иако нестабилност нагиба не значи нужно квар нагиба са оперативног становишта. Стабилност појединачних клупа је обично од непосреднијег значаја за рад, јер се квар може десити уз мало упозорења, са потенцијалним губитком живота и оштећењем опреме.

У подземним рудницима, нестабилност може бити резултат померања и урушавања стенских блокова као последица структуралне нестабилности, лома стене око отвора као последица услова високог напрезања стене, комбинације лома стене изазваног стресом и структуралне нестабилности и нестабилности изазване рафалима стена. Структура стена може утицати на избор методе подземне експлоатације и дизајн рударских распореда јер може да контролише стабилне распоне ископа, способност подршке и слегање. Стена у дубини је подвргнута напонима који настају услед тежине слојева изнад и од напона тектонског порекла, а хоризонтални напони су често већи од вертикалних. Доступни су инструменти за одређивање нивоа напрезања у тлу пре почетка рударења. Када се ископа руднички отвор, поље напона око овог отвора се мења и евентуално премашује чврстоћу стенске масе, што доводи до нестабилности.

Постоје и различите врсте кварова који се обично примећују у подземним рудницима тврдих стена. Под ниским нивоима напрезања, кварови су углавном структурално контролисани, са клиновима или блоковима који падају са крова или клизе из зидова отвора. Ови клинови или блокови се формирају пресецањем структурних дисконтинуитета. Осим ако се не подупру лабави клинови или блокови, квар се може наставити све док се не деси природно закривљење отвора. У слојевитим наслагама може доћи до одвајања слоја и лома дуж равних слојева. Под високим нивоима напрезања, лома се састоји од кртог ломљења и полагања плоча у случају масивне стенске масе са неколико спојева, до дуктилнијег типа лома за тешко спојене стенске масе.

Пролом камења се може дефинисати као оштећење ископа које се јавља на изненадни или насилан начин и повезано је са сеизмичким догађајем. Идентификовани су различити механизми оштећења од пуцања стене, односно ширење или извијање стене услед ломљења око отвора, одрони стена изазвани сеизмичким подрхтавањем и избацивање стене услед преноса енергије са удаљеног сеизмичког извора. Изливи стена и гаса се катастрофално дешавају у неким рудницима угља, соли и другим рудницима као резултат великих напрезања стена и великих количина компримованог метана или угљен-диоксида. У каменоломима и површинским коповима, такође је искусено нагло извијање и надимање камених подова. У неколико земаља спроведена су значајна истраживања о узроцима и могућем ублажавању пуцања камења. Технике за минимизирање пуцања камења укључују промену облика, оријентације и редоследа вађења, коришћење технике познате као минирање под притиском, чврста затрпавања мина и коришћење специјализованих система подршке. Софистицирани локални или сеизмички системи за праћење рудника могу помоћи у идентификацији и анализи механизама извора, иако је предвиђање пуцања камења и даље непоуздано у овом тренутку.

У канадској провинцији Онтарио, скоро једна трећина свих подземних смртоносних повреда у високо механизованој рударској индустрији резултат је одрона камења и камењара; учесталост смртних случајева од одрона камења и камењара за период 1986-1995 била је 0.014 на 200,000 сати рада под земљом. У мање механизованим индустријама подземног рударства, или где се подршка на тлу не користи широко, може се очекивати знатно већа учесталост повреда и смртних случајева услед пада тла и пуцања камења. Безбедносна евиденција везана за контролу на земљи за површинске руднике и каменоломе је генерално боља него за подземне руднике.

Методе пројектовања

Пројектовање подземних ископа је процес доношења инжењерских одлука о питањима као што су локације, величине и облици ископа и стенских стубова, редослед рударења и примена система подршке. У површинским коповима, оптимални угао нагиба мора бити изабран за сваки део јаме, заједно са другим аспектима дизајна и подршком косине. Пројектовање рудника је динамичан процес који се ажурира и усавршава како више информација постаје доступно кроз посматрање и праћење током рударења. Обично се користе емпиријске, опсервационе и аналитичке методе пројектовања.

Емпиријске методе често користе систем класификације стенске масе (развијено је неколико таквих шема, као што су Систем Роцк Масс Систем и Индекс квалитета камених тунела), допуњен препорукама за пројектовање заснованим на познавању прихваћене праксе. Неколико емпиријских техника пројектовања је успешно примењено, као што је метода графа стабилности за пројектовање отвореног граничника.

Методе посматрања ослањају се на стварно праћење кретања тла током ископавања да би се открила мерљива нестабилност и на анализу интеракције тла и подршке. Примери овог приступа укључују метод новог аустријског тунелирања и метод конвергенције-конфинације.

аналитичке методе користити анализу напона и деформација око отвора. Неке од најранијих техника анализе напона користиле су математичка решења затвореног облика или фотоеластичне моделе, али је њихова примена била ограничена због сложеног тродимензионалног облика већине подземних ископина. Недавно је развијен велики број нумеричких метода заснованих на рачунару. Ове методе обезбеђују средства за добијање приближних решења за проблеме напона, померања и лома у стенама које окружују рудничке отворе.

Недавна побољшања су укључивала увођење тродимензионалних модела, могућност моделирања структурних дисконтинуитета и интеракције између стене и носача и доступност графичких интерфејса прилагођених кориснику. Упркос својим ограничењима, нумерички модели могу пружити прави увид у сложено понашање стена.

Три горе описане методологије треба сматрати суштинским деловима јединственог приступа пројектовању подземних ископа, а не независним техникама. Инжењер дизајна треба да буде спреман да користи низ алата и да поново процени стратегију пројектовања када то захтева количина и квалитет доступних информација.

Контроле бушења и минирања

Посебна брига код минирања камена је његов утицај на стену у непосредној близини ископа. Интензивно локално ломљење и нарушавање интегритета спојеног, спојеног склопа може се произвести у стени блиског поља лошим дизајном експлозије или процедурама бушења. Већа штета може бити изазвана преносом енергије минирања у далеко поље, што може изазвати нестабилност у структурама мина.

На резултате експлозије утичу тип стене, режим напрезања, структурна геологија и присуство воде. Мере за минимизирање оштећења од експлозије укључују правилан избор експлозива, коришћење техника минирања по ободу, као што је претходно раздвојено минирање (паралелне, блиско распоређене рупе, које ће дефинисати периметар ископа), одвајање пуњења (пречник експлозива је мањи од онај од експлозије), време кашњења и рупе у баферу. Геометрија избушених рупа утиче на успех контролне експлозије зида; узорак рупе и поравнање морају бити пажљиво контролисани.

Праћење вибрација експлозије се често врши да би се оптимизовали обрасци минирања и да би се избегло оштећење стенске масе. Развијени су емпиријски критеријуми оштећења од експлозије. Опрема за праћење експлозије састоји се од површинских или спуштених претварача, каблова који воде до система за појачавање и дигиталног снимача. Дизајн експлозије је побољшан развојем компјутерских модела за предвиђање перформанси експлозије, укључујући фрагментацију, профил блата и продирање пукотина иза рупа. Улазни подаци за ове моделе укључују геометрију ископа и избушеног и набијеног узорка, карактеристике детонације експлозива и динамичке карактеристике стене.

Скалирање крова и зидова ископа

Скалирање је уклањање лабавих плоча стене са кровова и зидова ископа. Може се извести ручно помоћу челичне или алуминијумске шипке за скалирање или коришћењем механичке машине за скалирање. Приликом ручног скалирања, рудар проверава чврстину стене ударајући о кров; звук попут бубња обично указује на то да је тло лабаво и да га треба блокирати. Рудар мора да поштује стриктна правила како би избегао повреде током скалирања (нпр. скалирање са доброг тла на непроверено тло, одржавање доброг упоришта и чистог простора за повлачење и обезбеђивање да ољуштена стена има право место за пад). Ручно скалирање захтева знатан физички напор, а може бити и активност високог ризика. На пример, у Онтарију, у Канади, једна трећина свих повреда изазваних падом камена догоди се током скалирања.

Употреба корпи на растезљивим гранама, тако да рудари могу ручно да се попну на висока леђа, уводи додатне безбедносне опасности, као што је могуће превртање платформе за скалирање услед пада камења. Механички уређаји за скалирање сада су уобичајени у многим великим рударским операцијама. Јединица за скалирање се састоји од тешког хидрауличког ломљења, стругача или ударног чекића, монтираног на окретну руку, која је заузврат причвршћена на мобилну шасију.

Подршка на земљи

Главни циљ подршке на земљи је да се помогне самој стенској маси. Код стенске арматуре, сидра се постављају унутар стенске масе. У потпори за стене, као што је она коју пружају челичне или дрвене гарнитуре, спољна подршка је обезбеђена за стенску масу. Технике потпоре тла нису нашле широку примену у површинском рударству и вађењу камена, делом због несигурности коначне геометрије јаме, а делом због забринутости за корозију. Широк избор система за сидрење је доступан широм света. Фактори које треба узети у обзир приликом избора одређеног система укључују услове тла, планирани радни век ископа, једноставност инсталације, доступност и цену.

Механички анкерисани клин се састоји од експанзионе шкољке (доступни су различити дизајни који одговарају различитим типовима стена), челичног вијка (са навојем или са кованом главом) и предње плоче. Експанзиона шкољка се генерално састоји од назубљених ножева од кованог ливеног гвожђа са конусним клином навојем на једном крају завртња. Када се завртањ ротира унутар рупе, конус се гура у лопатице и притиска их на зидове бушотине. Експанзиона шкољка повећава своје приањање на стену како се повећава напетост на вијку. Доступни су завртњи различитих дужина, заједно са низом додатака. Механички усидрене сидре су релативно јефтине и стога се најчешће користе за краткорочну подршку у подземним рудницима.

Фугирани типл се састоји од ребрасте арматурне шипке која је уметнута у бушотину и везана за стену по целој дужини, обезбеђујући дуготрајно ојачање стенске масе. Користи се неколико врста цементних и полиестерских смола за ињектирање. Маса се може ставити у бушотину пумпањем или употребом кертриџа, што је брзо и практично. Доступни су челични и фиберглас типли различитих пречника, а вијци могу бити ненапети или затегнути.

Стабилизатор трења се обично састоји од челичне цеви урезане дуж целе дужине, која, када се забије у мало мању бушотину, сабија и развија трење између челичне цеви и стене. Пречник бушотине се мора контролисати унутар блиских толеранција да би овај вијак био ефикасан.

Свеллек сидра се састоји од еволвентне челичне цеви која је уметнута у бушотину и проширена хидрауличким притиском помоћу преносиве пумпе. Доступни су различити типови и дужине Свеллек цеви.

Завртњи за фугирани кабл се често постављају за контролу удубљења и стабилизацију подземних кровова и зидова. Обично се користи фуг маса на бази портланд цемента, док се геометрија каблова и процедуре уградње разликују. Шипке за ојачање великог капацитета и стенска сидра се такође налазе у рудницима, заједно са другим типовима вијака, као што су цевасти, механички анкерисани вијци.

Челичне траке или мрежа, направљене од ткане или заварене жице, често се постављају у кров или зидове отвора да подрже стену између вијака.

Рударске операције треба да развију програм контроле квалитета, који може укључивати различите тестове на терену, како би се осигурала ефикасна подршка на земљи. Лоше инсталације потпоре за тло могу бити резултат неадекватног дизајна (неуспех у одабиру одговарајућег типа потпоре, дужине или узорка за услове тла), материјала за потпору испод стандарда (како их је испоручио произвођач или оштећени током руковања или због услова складиштења на локацији рудника), недостатке у инсталацији (неисправна опрема, лоше време уградње, неадекватна припрема површине стене, лоша обученост посаде или непоштовање прописаних процедура), ефекти изазвани рударством који су били непредвиђени у фази пројектовања (промене напона, напрезање или пуцање изазвано експлозијом, релаксација зглобова или пуцање камена) или промене дизајна рудника (промене у геометрији ископа или животном веку дужем него што је првобитно предвиђено).

Понашање ојачаних или подупртих стенских маса остаје непотпуно схваћено. Развијена су основна правила, емпиријске смернице за пројектовање засноване на системима класификације стенске масе и компјутерским програмима. Међутим, успех одређеног дизајна у великој мери зависи од знања и искуства инжењера земаљске контроле. Стенска маса доброг квалитета, са мало структурних дисконтинуитета и малим отворима ограниченог века трајања, може захтевати мало или никакву подршку. Међутим, у овом случају могу бити потребне сидре на одабраним локацијама да би се стабилизовали блокови који су идентификовани као потенцијално нестабилни. У многим рудницима, за све ископине ​​често је прописано завртње по шаблону, систематско постављање сидара на регуларну решетку за стабилизацију крова или зидова. У свим случајевима, рудари и надзорници морају имати довољно искуства да препознају области у којима може бити потребна додатна подршка.

Најстарији и најједноставнији облик ослонца је дрвени стуб; Дрвени подупирачи и кревети се понекад постављају приликом рударења кроз нестабилно тло. Челични лукови и челичне гарнитуре су елементи велике носивости који се користе за подупирање тунела или путева. У подземним рудницима, додатну и важну подршку тла пружа затрпавање рудника, које се може састојати од отпадног камена, песка или млинске јаловине и средства за цементирање. Затрпавање се користи за попуњавање празнина створених подземним рударством. Међу својим бројним функцијама, затрпавање помаже у спречавању великих кварова, ограничава и на тај начин обезбеђује заосталу чврстоћу стубова стена, омогућава пренос напона стене, помаже у смањењу слегања површине, омогућава максималан опоравак руде и обезбеђује радну платформу у неким методама рударења.

Релативно недавна иновација у многим рудницима била је употреба млазни бетон, који је бетон попрскан по стени. Може се нанети директно на стену без другог облика подршке, или се може распршити преко мреже и сидара, чинећи део интегрисаног система потпоре. Челична влакна се могу додати заједно са другим додацима и дизајном мешавине како би се дала специфична својства. Постоје два различита процеса млазног бетонирања, названа сува мешавина и мокра мешавина. Млазни бетон је пронашао бројне примене у рудницима, укључујући стабилизацију стена које би се иначе распале због њиховог блиског споја. У површинским рудницима, млазни бетон се такође успешно користи за стабилизацију прогресивних кварова. Остале недавне иновације укључују употребу полиуретанских облога за прскање у подземним рудницима.

Да би ефикасно функционисали током пуцања камена, системи подршке морају да поседују одређене важне карактеристике, укључујући деформацију и апсорпцију енергије. Одабир подршке у условима пуцања је предмет текућих истраживања у неколико земаља, а развијене су и нове препоруке за дизајн.

У малим подземним отворима, ручна инсталација подупирача за тло се обично врши помоћу зауставне бушилице. У већим ископима доступна је полу-механизована опрема (механизована опрема за бушење и ручна опрема за уградњу сидра) и потпуно механизована опрема (механизовано бушење и уградња сидрења која се контролише са оператерског панела који се налази испод крова са вијцима). Ручна инсталација потпоре на земљи је активност високог ризика. На пример, у Онтарију, у Канади, једна трећина свих повреда изазваних падом камена током периода 1986-1995 догодила се приликом постављања сидара, а 8% свих подземних повреда догодило се приликом постављања сидара.

Остале опасности укључују могуће прскање цементне фуге или смоле у ​​очи, алергијске реакције од просуте хемикалије и умор. Уградња великог броја сидрених вијака је безбеднија и ефикаснија коришћењем механизованих машина за сидрење.

Праћење стања на тлу

Праћење стања тла у рудницима може се вршити из различитих разлога, укључујући добијање података потребних за пројектовање рудника, као што су деформабилност стенске масе или напони у стени; провера пројектних података и претпоставки, чиме се омогућава калибрација компјутерских модела и прилагођавање метода рударења ради побољшања стабилности; процена ефикасности постојеће копнене подршке и евентуално усмеравање постављања додатне подршке; и упозорење на потенцијалне кварове на земљи.

Праћење стања тла може се вршити визуелно или уз помоћ специјализованих инструмената. Површински и подземни прегледи морају бити обављени пажљиво и уз помоћ инспекцијских лампи високог интензитета ако је потребно; рудари, надзорници, инжењери и геолози сви имају важну улогу у спровођењу редовних инспекција.

Визуелни или звучни знаци промене услова тла у рудницима обухватају, али се не ограничавају на стање дијамантског језгра бушотине, контакте између типова стена, тло налик на бубањ, присуство структурних карактеристика, очигледно оптерећење подлоге, подизање пода, нове пукотине на зидовима или крову, подземним водама и кваровима стубова. Рудари се често ослањају на једноставне инструменте (нпр. дрвени клин у пукотини) да пруже визуелно упозорење да је дошло до померања крова.

Планирање и имплементација система мониторинга подразумева дефинисање сврхе програма и варијабли које се прате, одређивање потребне тачности мерења, избор и инсталацију опреме и утврђивање учесталости посматрања и начина приказивања података. Опрему за надзор треба да инсталира искусно особље. Једноставност инструмента, редундантност и поузданост су важна разматрања. Пројектант треба да утврди шта представља претњу безбедности или стабилности. Ово би требало да укључи припрему планова за ванредне ситуације у случају да се ови нивои упозорења прекораче.

Компоненте система за праћење укључују сензор, који реагује на промене у променљивој која се надгледа; предајни систем, који преноси излаз сензора на локацију за очитавање, користећи шипке, електричне каблове, хидрауличне водове или радиотелеметријске водове; јединица за очитавање (нпр. манометар, манометар, мултиметар или дигитални дисплеј); и јединица за снимање/обраду (нпр. касетофон, даталоггер или микрорачунар).

Постоје различити начини рада инструмента, и то:

• механички: често пружају најједноставније, најјефтиније и најпоузданије методе откривања, преноса и очитавања. Механички детектори покрета користе челичну шипку или траку, причвршћену за стену на једном крају, а у контакту са мерачем бројача или електричним системом на другом. Главни недостатак механичких система је у томе што нису подложни даљинском читању или непрекидном снимању.
• оптички: користи се у конвенционалним, прецизним и фотограметријским методама снимања за утврђивање профила ископа, мерења померања граница ископа и праћења слегања површине.
• хидраулични и пнеуматски: мембрански претварачи који се користе за мерење притиска воде, носивих оптерећења и тако даље. Измерена количина је притисак течности који делује на једну страну флексибилне мембране од метала, гуме или пластике.
• електрични: најчешћи начин рада инструмента који се користи у рудницима, иако механички системи и даље налазе широку употребу у праћењу помака. Електрични системи функционишу на једном од три принципа, електрични отпор мерач напрезања, вибрирајућа жица и самоиндуктивност.

Најчешће праћене варијабле укључују кретање (користећи методе снимања, површинске уређаје као што су мерачи пукотина и екстензометри траке, уређаји за бушотине као што су екстензометри са шипкама или инклинометри); напони у стени (апсолутни напон или промена напона од уређаја за бушотине); притисак, оптерећење и напрезање на уређајима за подршку на земљи (нпр. ћелије за оптерећење); сеизмички догађаји и вибрације експлозије.

Назад