Строительство насыпных дорог в подземных рудниках с применением объёмных георешёток

А.С. Гончаров, ведущий инженер ООО «ПРЕСТОРУСЬ»

А.В. Колесников, главный менеджер по продажам ООО «ПРЕСТОРУСЬ»

А.В. Короткевич, руководитель технического отдела ООО «ПРЕСТОРУСЬ», член Национального реестра специалистов в области инженерных изысканий и архитектурно-строительного проектирования

В статье рассмотрен опыт использования армированной пространственной полимерной решетки ГЕОКОРД® для строительства щебеночных дорог в условиях подземных рудников. Главная задача георешетки — снижение нагрузки на нижележащее основание, сложенное из размягчаемых горных пород за счет более эффективного перераспределения нагрузки от горного оборудования с полным весом до 90 тонн в плоскости композитного слоя для снижения деформаций. Применение ГЕОКОРД® позволяет не только снизить затраты на содержание дорог, но и повысить производительность рудников за счет увеличения скорости движения и уменьшения количества поломок самоходной техники.

Критически важным компонентом инфраструктуры для подземных рудников являются подъездные дороги. Эксплуатационные характеристики этих дорог напрямую влияют на эффективность работы рудника, эксплуатационные затраты и безопасность. Значительная часть эксплуатационных затрат рудника связана с транспортировкой материалов, а хорошо построенные и обслуживаемые дороги способствуют сокращению продолжительности производственного цикла, расхода топлива, снижению износа шин и затрат на перевозку тонны руды и, что очень важно, являются основой безопасной транспортной системы.

Основными причинами плохого состояния дорог в подземных рудниках являются:

  • Использование тяжелой горнодобывающей техники;
  • Наличие водопритока и размягчаемых горных пород в основании дорог;
  • Отсутствие у рудника дорожной службы и специализированной техники для обслуживания дорог.

В свою очередь, высокопроизводительная тяжелая доставочная техника обладая высокой массой и удельным давлением на грунт, превышающим предел прочности насыпной нефракционированной породы, формирует колейность, обратную эпюру профиля трассы, что способствует застаиванию воды, разупрочнению (рис. 1) и еще более ускоренному выходу неармированного дорожного полотна из строя.

Некоторые горнодобывающие компании оставляют проблему дорог без внимания, но плохое состояние проездов сильно снижает скорость движения по ним и приводит к поломкам самоходной техники, многие из которых требуют дорогостоящего ремонта. Из-за этого снижается эффективность и падает объем выработки на руднике.

Ряд компаний решает данную проблему строительством насыпных дорог из щебня. Вместе с тем данное решение имеет ряд недостатков: под действием циклических нагрузок и в следствие водопритока, покрытие начинает быстро разрушаться, образуются ямы, колейность, падает эффективность выработки. В связи с этим, дорожная служба рудника должна постоянно мониторить и проводить текущий ремонт дорог, осуществлять постоянную подсыпку нового щебня, разравнивание и уплотнение поверхности.

Другие компании осуществляют строительство дорог из бетона. При этом, такие дороги чрезвычайно трудоемки и дороги в строительстве, а до затвердевания бетонной смеси, участок проезда исключается из транспортной схемы.

С начала 1990-ых годов, наиболее продвинутые горнодобывающие компании стали применять различные геосинтетические материалы для дорожного строительства, в частности — пространственные полимерные решетки.

Пространственные полимерные решетки были изобретены американской компанией PRESTO Geosystems по заказу Инженерного корпуса армии США в конце 1970-х годов. В те годы американская армия искала более эффективные методы быстрого строительства дорог для тяжелой бронетехники. Итогом данной работы стало внедрение объемного ячеистого материла, выполненного из полиэтиленовых лент, сваренных между собой в шахматном порядке с образованием секций с размерами 2,5 м в ширину и 6,5 м в длину. Данная технология получила активное развитие и стала широко применяться в военном и гражданском строительстве. В конце 1990-х годов пространственные полимерные решетки были привезены в Россию и с тех пор активно применяются для строительства автомобильных и железных дорог, гидротехнических объектов, при обустройстве месторождений нефти и газа, строительстве трубопроводов, в горнодобывающей промышленности и др.

Вместе с тем, были выявлены и недостатки традиционных пространственных полимерных решеток — высокая эластичность полиэтилена под нагрузкой, из-за чего под действием циклических нагрузок начинали появляться деформации в конструкции дорог, что приводило к вынужденному ремонту.

Специалисты ООО «ПРЕСТОРУСЬ» нашли решение данной проблемы и разработали новое поколение объемных георешеток — армированную пространственную полимерную решетку «ГЕОКОРД®». Инновационная запатентованная технология производства «ГЕОКОРД®» заключается во включении в полиэтиленовую ленту сверхпрочных армирующих нитей, которые препятствуют пластической деформации ячеек георешетки. Благодаря армированию ленты, «ГЕОКОРД®» прочнее и надежнее, чем традиционные объемные георешетки. Таким образом, георешетка «ГЕОКОРД®» не растягивается под действием постоянных нагрузок и повышенных температур, сохраняя свои геометрические размеры и форму.

Главное свойство георешетки «ГЕОКОРД®» — это повышенная устойчивость к пластической деформации. Конструкции с армированной пространственной полимерной решеткой способны сохранять заданный показатель несущей способности в течение многих лет, что способствует увеличению срока службы дороги. А широкая номенклатура «ГЕОКОРД®» по высоте решеток и размерам ячеек позволяет подобрать наиболее оптимальное решение для строительства под разные осевые нагрузки.

История применения «ГЕОКОРД®» для строительства насыпных дорог в подземных рудниках началась в 2018 г. с двух опытных участков на Расвумчоррском и Кировском рудниках, принадлежащих Кировскому филиалу АО «Апатит». Для данных испытаний ООО «ПРЕСТОРУСЬ» разработала конструкцию, включающую армированную пространственную полимерную решетку (рис. 2). Для своевременного отвода воды, по краям проезда были сделаны водоотводные канавы.

Испытания были признаны успешными, и Кировский филиал АО «Апатит» включил строительство дорог с применением армированной пространственной полимерной решетки в свою инвестиционную программу. На сегодняшний день на Расвумчоррском и Кировском рудниках построено свыше 12 км дорог с армированной георешеткой «ГЕОКОРД®».

В том же 2018 г. были проведены испытания с ООО «Омолонская Золоторудная Компания» (АО «Полиметалл»), в условиях рудника Биркачан, где данная технология так же показала свою эффективность.

В 2020 г. похожие испытания провели еще две горнодобывающие компании: ГОК «Олений ручей», принадлежащий АО «СЗФК», и Учалинский подземный рудник АО «Учалинский ГОК», по итогам которых получено положительное решение о дальнейшем применении армированных пространственных полимерных решеток в дорожном строительстве.

Основной принцип работы «ГЕОКОРД®» в конструкции дороги заключается в перераспределении вертикальной нагрузки на смежные ячейки, что позволяет существенно снижать нагрузки на нижележащее основание. Простыми словами, «ГЕОКОРД®» не дает расползаться щебню, так как щебень помещается в отдельные ячейки, и каждая ячейка в отдельности принимает на себя нагрузку, вследствие чего дорожное полотно не деформируется и не разуплотняется, а наоборот, повышается его прочность и ровность (рис. 3).

Специально для подземных рудников, в конструкцию нашей армированной пространственной полимерной решетки были внесены некоторые модификации. Первая модификация – это желтый цвет «ГЕОКОРД®». Стандартный цвет георешеток – черный, но в условиях недостаточной видимости, укладка такой продукции будет затруднена, кроме того, машинисты дорожных машин не будут видеть верхнюю границу слоя георешетки и могут повредить ее в процессе строительства или эксплуатации при профилировании дороги. Применение желтого цвета в условиях слабой освещенности позволяет вовремя увидеть участки дороги, на которых требуется досыпка защитного слоя щебня, и предотвратить повреждение ячеек.

Вторая важная особенность «ГЕОКОРД®» заключается в текстурировании полимерной ленты, из которой изготавливается наша объемная георешетка с двух сторон. Текстурирование — это совокупность ромбовидных углублений, предназначенных для повышения сцепления между георешеткой и щебнем, что повышает коэффициент армирования.

Для отвода воды от композитного слоя крайне важно, чтобы стенки ячеек «ГЕОКОРД®» были перфорированы круглыми отверстиями. Своевременное дренирование препятствует размягчению щебня и предотвращает образование ям, что благоприятно сказывается на надежности дорожного покрытия.

Последнее улучшение «ГЕОКОРД®» связано с возможностью быстрого соединения секций между собой при помощи специально разработанных крепежных ключей «ФАСТ-ЛОК®» (рис. 4). Ранее секции пространственных полимерных решеток соединялись между собой при помощи металлических скрепок, что требовало наличия специального оборудования – компрессоров, воздушных шлангов и пневматических степлеров. Это увеличивало трудозатраты при укладке. Кроме того, в условиях подземных рудников металлические скрепки быстро приходили в негодность из-за коррозии. Применение «ФАСТ-ЛОК®» значительно ускорило процесс укладки, а также дало возможность в случае повреждения секции «ГЕОКОРД®» в процессе эксплуатации быстро заменить ее на новую.

Также одним из главных преимуществ армированной георешетки «ГЕОКОРД®» является срок ее эксплуатации, который составляет не менее 75 лет с момента ее производства, что в сравнении с традиционными неармированными георешетками на 50% дольше.

Выбор конструкции дорожной одежды осуществляется на основании расчета, в ходе которого подбираются оптимальные размеры ячеек «ГЕОКОРД®», габариты секции и толщина слоя щебня. Исходные данные для расчета включают в себя сведения о геологическом строении рудника, параметры горных пород, осевые нагрузки от техники, интенсивность движения и водоприток к участку.

На первом этапе рассчитываются нагрузка на основание и эквивалентный радиус отпечатка от колеса

Где – нагрузка на колесо наиболее загруженной оси, кН

осевая нагрузка при полной загрузке машины, кг

– ускорение свободного падения, кг/мс2

Где – эквивалентный радиус отпечатка от колеса, м

— давление на покрытие, кПа

На следующем этапе подбирается высота георешетки, и рассчитываются вертикальные и горизонтальные напряжения. По нашему опыту, наиболее оптимальная высота ячеек — 15 см.

Где – вертикальное напряжение на верхней границе георешетки, кПа

– расстояние до верхней границы георешетки, м

Где – вертикальное напряжение на нижней границе георешетки, кПа

– расстояние до нижней границы георешетки, м

Рассчитываем коэффициент активного давления грунта,

Рассчитываем горизонтальные напряжения:

Рассчитываем усредненное горизонтальное напряжение

Повышение допустимой нагрузки от действия георешетки

Где – высота георешетки, м

– эффективный радиус ячейки, м

– тангенс угла сопротивления сдвигу между гранулированным материалом заполнения и стенками ячеек. Зависит от наличия перфорации и текстурирования у георешетки, а также от угла внутреннего трения заполнителя.

Допустимая нагрузка на основание:

Где – допустимая нагрузка на основание без учета георешетки, кПа

Толщина слоя щебня рассчитывается по формуле:

По нашему опыту, оптимальная толщина щебеночного слоя для строительства дорог в условиях подземных рудников составляет 20–25 см. В случае, если данное условие не соблюдается, мы берем георешетку с другим размером ячейки и производим перерасчет.

Строительство дорог с применением армированной пространственной полимерной решетки (рис. 5) состоит из следующих технологических операций:

  • подготовка и выравнивание основания, засыпка ям и колеи щебнем;
  • формирование водоотводных канав;
  • укладка секций «ГЕОКОРД®» и соединение их между собой при помощи крепежных ключей «ФАСТ-ЛОК®»;
  • растяжка секций с присыпкой крайних ячеек для их фиксации. По краям выработки необходимо оставить место для устройства водоотводных канав;
  • доставка щебня к участку погрузочно-доставочными машинами и засыпка ячеек способом «от себя» с переполнением на 5–10 см, при этом, проезд по незаполненной георешетке без защитного слоя запрещен;
  • планировка щебеночного слоя с помощью автогрейдера;
  • уплотнение материала при помощи виброкатка;
  • устройство защитного слоя по способу заклинки.

Для строительства насыпного дорожного полотна необходима следующая техника: шахтные автосамосвалы, погрузочно-доставочная машина, автогрейдер и виброкаток.

Вместе с тем, существует несколько требований для успешного внедрения данной технологии. В процессе эксплуатации необходимо следить за поддержанием толщины защитного слоя и работоспособностью водоотводных канав. Толщина защитного слоя над георешеткой должна быть не менее 5 см. В случае, если машинисты шахтных автосамосвалов зафиксируют нарушение целостности покрытия, наличие ям или колеи на участке дороги, они должны передать данные сведения в дорожную службу рудника для проведения корректирующих работ. Также необходимо следить, чтобы на участках с «ГЕОКОРД®» не было застоев воды, так как это может приводить к разуплотнению щебня и более быстрому выходу армированного дорожного полотна из строя.

Тем не менее, несмотря на кажущуюся сложность строительства и эксплуатации дорог с применением армированной пространственной полимерной решетки «ГЕОКОРД®», была доказана экономическая эффективность такой конструкции. За счет увеличения скорости движения по участкам дорог, производительность рудника повышается в ряде случаев на 8–12%. Расход топлива снижается на 10%. Снижается износ механизмов и подвески, так как в процессе движения отсутствуют резкие рывки и толчки. Снижается потребность в дорогостоящем ремонте техники. До 10 % снижаются потери полезной породы при транспортировке. Также повышается ресурс шин на величину до 8%.

Технология строительства насыпного дорожного полотна с применением армированной пространственной полимерной решетки «ГЕОКОРД®» в условиях подземных рудников показала свою высокую эффективность (рис. 6).

Использованные источники:

1. Roger Thompson, Rodrigo Peroni, Alex T. Visser Mining Haul Roads: Theory and Practice 1st Edition // Published byCRC Press, Leiden, The Netherlands, 2019

2. Jie Hann Principles and practice of ground improvement // published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2015

3. Добров Э.М., Шкицкий Ю.П. Учет влияния продольной жесткости геосот на эффективность армирования одежд» // Наука и техника в дорожной отрасли. 2014. № 2 (68). С. 31-33.

4. ОДМ 218.3.032-2013 «Методические рекомендации по усилению конструктивных элементов автомобильных дорог пространственными георешетками (геосотами)»

5. Добров Э.М., Шкицкий Ю.П. Анализ влияния сил трения и сцепления на эффективность армирования геосотовыми материалами» // Наука и техника в дорожной отрасли. 2012. № 3 (62). С. 14-17.

6. Красковский С.В., Лыщик П.А. Методы расчета дорожных конструкций, упрочненных объемными георешетками» // Лесная и деревообрабатывающая промышленность. 2010. № 2. С. 96-100.

7. Матвеев С.А., Немировский Ю.В. Армированные дорожные конструкции. Моделирование и расчет», г. Новосибирск, изд. Наука, 2006.

8. Пшеничникова Е.С., Хусаинов И.Ж. Расчет нежесткой дорожной одежды, армированной объемной георешеткой // Наука и техника в дорожной отрасли. 2006. № 4 (39). С. 21-23.

Поделиться

©1998-2022, ООО «ПРЕСТОРУСЬ».
Геосинтетические материалы от производителя. Все права защищены.

Сайт разработан в M2