Абельсеитова С.К. Совершенствование методов расчета устойчивости карьерных откосов в анизотропном массиве

Подождите немного. Документ загружается.

Каждая из систем имеет ряд достоинств и особенностей. Выбор и обос-

нование применения конкретной системы для предприятия производится в

соответствии с инженерно-геологическими, горнотехническими и экономи-

ческими условиями.

1.1.1 Анализ современного маркшейдерского обеспечения

открытых работ

Современная автоматизированная система маркшейдерского обеспече-

ния горного предприятия является составной частью автоматизированной

системы открытых горных работ. Она позволяет оперативно получать горно-

техническую информацию о фактическом положении горных работ на карье-

рах и отвалах, состоянии и движении запасов полезного ископаемого и

вскрышных пород, параметрах проектируемых и проводимых горных выра-

боток и транспортных коммуникаций, положении и состоянии оконтурен-

ных, обуренных и взорванных блоков, следить за состоянием и сдвижением

массивов, определять потери и разубоживание полезного иско-

паемого и мгновенно реагировать и координировать какие либо изменения

технологического процесса для обеспечения эффективной, экономичной,

экологичной и безопасной разработки месторождения полезных ископаемых.

Автоматизированная система производства маркшейдерских работ на

карьере включает в себя комплекс средств и оборудования для производства

полевых работ и камеральной обработки полевых измерений.

Обеспечение автоматизации полевых работ стало возможным в связи с

созданием и внедрением в производство маркшейдерско-геодезических при-

боров нового поколения, позволяющих производить угловые и линейные из-

мерения в автоматическом режиме с минимальным участием исполнителей

по имеющимся программам (ПО). К таким приборам следует отнести широко

известные во всем мире тахеометры автоматы марок Wild, Leica

и др. Из приборов изготовляемых в СНГ можно выделить тахеометры авто-

маты 2ТА5, ЗТА5 и др.

Программное обеспечение данных тахеометров предусматривает нали-

чие ряда стандартных программ для производства полевых измерений и на-

блюдений, выноса проектных точек на местности, перевода данных из инст-

румента в компьютер и обратно. Это позволяет вводить в базу данных ком-

пьютера большие массивы данных полевых измерений без участия исполни-

теля. Данные приборы позволяют обеспечивать при благоприятных условиях

линейные измерения до 3 км, а угловые с точностью до 2 секунд, что обеспе-

чивает их широкую приемлемость на открытых работах.

Для выполнения автоматизированной камеральной обработки полевых

измерений и создания полного комплекта маркшейдерско-геодезической до-

кументации горного предприятия, в настоящее время, широко используются

персональные компьютеры, принтеры, сканеры, дигитайзеры, модемы,

и другое информационное оборудование, работа которых поддержива-

ется программными продуктами.

Программное обеспечение камеральных маркшейдерско-геодезических

работ должно соответствовать применяемой на предприятии автоматизиро-

ванной информационной системе открытых горных работ и входить состав-

ной частью в нее. Разработчиками предусмотрена возможность создания

пользователем своих программ, позволяющих решать новые маркшейдерские

задачи, возникающие в процессе горного производства.

1.1.2 Анализ комплексных программ по расчету устойчивости

откосов уступов и бортов

С развитием и широким внедрением в практику (в СССР в начале 80-х

годов) вычислительной техники: появился целый ряд «новых» расчетных ме-

тодов так называемого «машинного счета». Одной из первых таких работ, по

всей видимости, следует считать метод динамического программирования,

предложенный Резниковым Однако, предложенный метод - это по

сути метод алгебраического поэтапного суммирования сил, в котором не уч-

тены некоторые важные моменты.

Известны работы в этом направлении В.К. Цветкова [2], Браверма-

на [3], Б.Д. Половова [4], Ю.В. Коробченко [5], П.С. Шпакова [6] и другие.

Безусловно, наиболее значимой из всех этих работ является работа под руко-

водством П.С. Шпакова при участии Г.Г. Поклада, С.Г. Ожигина, С.Т.

рова, в которой авторами были разработаны 6 основных геомеханических

моделей: однородного массива, откоса на слабом основании, слоистого отко-

са, неоднородного массива, отвала скальных пород, нагруженного откоса и

скального трещиноватого массива, каждая из которых была описана несколь-

кими расчетными схемами.

На основе этого был разработан пакет прикладных программ в

среде MS-DOS на языке ФОРТРАН -IV, которые в зависимости от постав-

ленных целей позволяли решать следующие задачи: определять параметры

предельного откоса (либо откоса с коэффициентом запаса устойчивости а

также элементы, необходимые для построения его контура и поверхности

скольжения,

графики зависимостей таблицей

их

значений для возможного анализа и графического построения. Недостатком

этих программ является, на сегодняшний день, слабое графическое решение,

а так же использование устаревшего языка программирования.

М.Б. Искаков [7] разработал автоматизированный метод построения

структурно-геометрической модели прибортового массива, наиболее соот-

ветствующей реальной горно-геологической ситуации для оценки устойчи-

вости бортов и уступов. Отличием данной модели от существующих является

учет иерархии объектов месторождения и отображение геометрических

свойств в единой координатной системе, что обеспечивает построение циф-

ровой модели как на уровне отдельного объекта, так и месторождения в це-

лом.

Повсеместная «компьютеризация», произошедшая в стране в последние

8-10 лет привела к бурному росту числа расчетных методов. Детальное изу-

чение этих решений показывает, что практически все они являются «компь-

ютерной версией» ранее разработанных. По существу произошла простая ав-

томатизация расчетных процессов.

Так сотрудниками института в 1999-2000 г.г. разработана

компьютерная программа выполненная в среде Borland Paskal под

управлением операционной системы Windows 95 и которая на основе ис-

пользования расчетных схем чл.корр. HAH PK Попова И.И., позволяет опре-

делять коэффициент запаса устойчивости борта в заданном геомеханическом

контуре при определенных физико-механических характеристиках пород [8].

Ими же была внедрена программа которая по известной методике

позволяет производить расчет напряженно - деформированного состояния

бортов карьеров.

1.2 Анализ факторов, влияющих на устойчивость карьерных

откосов

Факторы, влияющие на устойчивость карьерных откосов, делятся на две

основные группы: природные и горнотехнические [9,

К первой группе относятся: климатические (температура воздуха, коли-

чество осадков, режим ветров, температурный режим массива горных по-

род); геологические (состав, строение, состояние и свойства горных пород);

гидрогеологические (наличие поверхностных вод и водоносных горизонтов,

обводненность контактов и структурных нарушений).

Вторая группа характеризуется способом вскрытия карьерного поля,

системой разработки, способом отбойки горной массы,

и геометрическими параметрами карьера.

Напряженное состояние прибортового массива и условия его деформи-

рования складывается из совокупности всех этих факторов. Из всех вышепе-

речисленных, основными, влияющими на устойчивость откосов, являются:

- физико-механические свойства вмещающих пород и породных контак-

тов;

- структурно-тектонические особенности массивов;

- технология ведения горных работ при разработке месторождения от-

крытым способом.

Первые два фактора, присущи данному массиву, являются природными,

их нельзя изменить, а можно только изучить и учитывать в расчетах устой-

чивости откосов. Третий фактор - результат производственной деятельности

человека и он должен быть управляем при решении проблемы обеспечения

устойчивости карьерных откосов [8].

1.2.1 Методы исследований свойств горных

пород и породных контактов

Физико-механические свойства горных пород во взаимосвязи со струк-

турно-тектоническими особенностями горного массива определяют напря-

женное состояние карьерных откосов, возникающее под действием внешних

и внутренних сил [8]. Прочностные свойства горных пород зависят от целого

ряда переменных физико-механических показателей, замена которых сред-

ними или общими данными часто приводит к искаженным результатам. Оп-

ределение прочностных характеристик горных пород предусматривает со-

блюдения масштабного фактора, т.к. уменьшение линейных размеров образ-

цов, принятых для испытания, влечет за собой искажение результатов. Боль-

шой вклад в изучение физико-механических свойств горных пород внесли

ученые Протодьяконов Л.И. Барон [12], Г.Л. Фисенко [13], К.В.

Руппенейт [14], Г.Н. Кузнецов [15], ИМ. Попов [16], Б.Д. Ломтадзе [17], Е.И.

и А.И. Тедер [18], Г.К. Бондарик [19], М.Ю. [20] и дру-

гие.

Исследования прочностных свойств горных пород проводят в лабора-

торных условиях на образцах по существующим ГОСТам 22], натурны-

ми испытаниями при сдвиге породных призм [23], а также аналитически, ис-

пользуя метод обратных расчетов.

Методики для проведения лабораторных исследований определению

физико-механических свойств горных пород описаны в монографиях

Ломтадзе [17], Е.И. Ильницкой и Р.И. Тедера [18], Ю.М.

Матвеева, Г.В. Михнева [20], А.Б. Фадеева [24].

Полученные данные лабораторных испытаний по определению прочно-

стных свойств горных пород в образцах можно в какой-то мере приблизить к

данным в массиве. Согласно исследованиям [9, 20] установлено, что

угол внутреннего трения пород, полученный лабораторным способом, можно

принимать равным углу внутреннего трения в горном массиве. Для перехода

от сцепления в куске к сцеплению в массиве, которые значительно отлича-

ются друг от друга, используется коэффициент структурного ослабления Я:

где Н - глубина залегания пород;

£ - средний размер элементарных блоков;

а - коэффициент, зависящий от прочности породы в монолитном образце

и характера (таблица

По исследованиям ВНИМИ в прочностные характеристики горных по-

род и при производстве расчетов устойчивости откосов рекомендуется

вводить коэффициент запаса, учитывающий влияние погрешно-

стей лабораторного определения основных расчетных характеристик сопро-

погрешностей в определении влияния трещиноватости на

сопротивление сдвигу горных пород в массиве и другие факторы (таблица 2).

Таблица 1 - Значение коэффициента а.

Группа

пород

III

Наименование пород и

характер трещиноватости

Крепкие изверженные с развитой

кососекущеи трещиноватостью

Крепкие, преимущественно с нор-

мально секущей трещиноватостью

Средней крепости слоистые, пре-

имущественно с нормально-секущей

трещиноватостью.

Уплотненно песчано-глинистые, с

развитой кососекущеи трещинова-

тостью, извер-

женные

Сильно каолинизированные, извер-

женные

Уплотненные в

основном с нормально-секущей

трещиноватостью

Слабо уплотненные и слаботрещи-

новатые песчано-глинистые отло-

жения, сильно полнос-

тью каолинизированные, извержен-

ные

Величина

сцепления

в монолите

>400

>300

200-300

170-200

100-150

30-80

10-20

4-9

Величина

коэффици-

ента

0,5

Таблица 2 - Рекомендуемые величины коэффициента запаса.

Общая характеристика откоса

(или борта)

Нерабочий борт, сложенный глини-

стыми или трещиноватыми породами

Нерабочий борт с преобладанием пес-

чаных и пород

Рабочий борт

Откосы рабочих уступов и отвалов

Величина коэффициента запаса в

зависимости от срока службы

откоса

до 5 лет

1,20

1,15

1,20

более 5 лет

1,30

1,20

Продолжение таблицы 2

Откосы уступов нерабочего борта,

сложенного глинистыми и трещинова-

тыми породами

Откосы уступов нерабочего борта,

сложенного песчаными и

ми породами

1,50

1,15

2,00

1,20

Расчетные значения прочностных характеристик горных пород, в даль-

нейшем, используют при обосновании параметров бортов карьеров.

Сотрудниками 25] разработана классификация горных

род по их устойчивости в бортах карьеров, основанная на учете прочности

пород в образце, характеристики и степени

сти (стойкости) и растворяемости, склонности к разуплотнению и набуха-

нию, а также к пластическим деформациям (ползучести). В этой классифика-

ции в зависимости от прочностных свойств все горные породы разделены на

пять групп. При этом границей между крепкими и средней крепости порода-

ми принято в образце, равное 80 Это объясняется тем, что если у

пород > 80 МПа, то углы наклона бортов при их средней глубине 200-300

м зависят только от залегания элементов поверхностей ослаблении и не зави-

сят от прочности пород в образце. Границей между породами полускальны-

ми (средней прочности) и глинистыми (слабыми) принята 8 МПа из тех

соображений, что породы меньшей прочности имеют заметную склонность к

набуханию при снижении в них напряжений и наличии подтока воды и под-

вергаются пластическим деформациям при глубине карьеров более 200 м.

Для основных типов пород месторождений Центрального Казахстана д.т.н.

была предложена их классификация с учетом значе-

ний прочностных характеристик в образце и массиве (таблица 3). В первую

группу (прочные) входят породы и извер-

женные и метаморфические (представлено 18 типов пород). Вторая группа

(средней прочности) представлена разностями изверженных и

метаморфических пород, глинистыми и сланцами

(приведено 12 типов пород). Третья группа (слабые) представлена сильно-

или полностью дезинтегрированными изверженными и мета-

морфическими разностями осадочных пород и всеми разновидностями глин

(приведено 4 типа глинистых пород).

Для основных типов пород в каждой группе приведены усредненные

значения физико-механических свойств, таких, как что по-

зволяет при необходимости использовать эти значения при оценке состояния

горного массива.

Таблица 3 - Классификация горных пород месторождений Центрального Казахстана по степени прочности.

Группа

пород

Проч-

ные

(скальные)

Основные представители пород

изверженные метаморфи-

ческие и осадочные

2. Диориты

Песчаники

4. Туфы порфиров

5, Кварцевые диориты

6. Джеспилиты

7. Роговики

8. Диабазы

Мраморы

Скарны гранатовые

Известняки

Кварциты

Липариты

18. Алевролиты

Сопротивление на

сжатие

МПа

258,6

256,0

248,2

245,0

223,8

210,0

203,6

199,6

181,8

135,0

125,0

115,0

108,0

107,8

101,5

разрыв

МПа

15,7

21,5

14,0

18,5

12,3

18,1

15,5

16,4

17,1

13,5

14,7

14,5

8,5

16,2

13,0

15,9

11,3

13,3

Сцепление в

образце

, МПа

66,2

76,0

34,0

20,0

51,8

26,6

21,0

35,1

32,7

40,0

32,2

27,5

17,8

18,8

31,0

51,8

22,6

массиве

МПа

0,60

0,48

0,84

1,34

0,69

0,70

0,68

0,62

0,64

0,60

0,66

0,57

0,61

0,86

0,24

0,68

Угол внут-

реннего

трения,

Плотность

кг/м

2,72

2,90

2,72

2,63

2,70

2,32

2,70

2,89

2,69

2,70

3,30

2,67

2,68

2,67

2,72

2,96

2,60

2,76

Продолжение таблицы 3

2. Средней

прочности

(полу

скальные)

Слабые

(глини-

стые)

МПа

разности изверженных

и метаморфических пород,

глинистые и

сланцы:

Кварцевые сланцы

2. Песчаники

3. Туфы

4. Углисто-глинистые сланцы

5. Кремнисто-глинистые сланцы

7. Доломиты

8. Известняки углистые, мрамори-

9. Туфоалевролиты выветрелые

выветрелые

Диорит-порфировый

Граниты выветрелые

или полностью

дезинтегрированнные изверженные

и метаморфические разности оса-

пород, все разновидности

глин: Кора выветривания (суглин-

ки, глина)

Глинистые отложения

Глина (влажность W = 26%)

Глинистые сланцы выветрелые

79,0

78,0

74,9

75,0

55,2

54,2

51,0

48,0

30,2

28,9

24,9

1,2

7,9

10,1

12,6

10,1

9,8

7,2

5,1

4,5

3,9

3,6

4,9

3,3

12,5

22,0

23,3

18,2

12,5

16,4

8,7

10,7

10,2

6,4

9,4

5,4

0,41

0,16

0,41

0,20

0,62

0,024

0,67

0,48

0,67

0,40

0,48

0,51

0,064

0,51

0,054

0,029

0,016

0,041

0,046

2,70

2,71

2,74

2,77

2,66

2,80

2,67

2,52

2,59

2,79

2,23

2,00

2,03

1,92

Наиболее достоверные показатели прочностных свойств горных пород

могут быть получены при проведении испытаний в натурных условиях. Этим

исследованиям посвящены работы Г.Л. Фисенко Н.Н. Куваева [26], Г.К.

Бондарика [19], И.И. Попова [8], Р.А. Такранова [27], Фадеева и З.А.

Фрейберга [24], Ю.М. [20], П.И. Мануйлова [28], Окатова и

[29], Р. Мюллера [30] и других.

Г.Л. Фисенко в своей работе [9] приводит некоторые схемы сдвига по-

родных призм на откосах уступов, которые оконтуриваются прорезными

щелями с двух, трех и четырех сторон, применяя при этом гидравлический

домкрат и гидравлические подушки.

Н.Н. Куваев предлагает для получения достоверных усредненных харак-

теристик сцепления, как по поверхностям ослабления, так и в самом массиве

увеличить размеры образца, таким образом сдвигать призмы подготовленные

непосредственно в откосах уступов [26]. Однако отмечает, трудоемкость

производства массовых испытаний наиболее крепких пород с размером от-

дельности свыше 0,2-0,3 м, так как испытательные устройства должны разви-

вать большие усилия, а значит быть громоздкими. При проведении полевых

испытаний также предлагает использовать гидравлические подушки и

домкраты.

Г.К. П.С. Комаров и др. в своей монографии [19] обобщили

исследования по проведению полевых испытаний породных призм, где опи-

сали все существующие способы основанные на сдвиге (обрушении) пород-

ных призм с использованием сдвигающих устройств в виде гидравлических

домкратов.

И.И. Попов внес существенный вклад в изучение прочностных свойств

горных пород на месторождениях Казахстана Предлагаемые им схемы

сдвига породных призм на дне шурфа позволяют создавать нормальные и ка-

сательные напряжения в плоскости среза одним гидродомкратом. Недостат-

ком подобных исследований является большой объем работ по подготовке

призм к сдвигу.

Р.П. и Ф.К. предложен способ натурных ис-

пытаний породных призм с одной прорезной щелью, необходимой лишь для

установки в ней гидродомкрата [29]. При этом размер щели по длине и глу-

бине определяется размерами используемых металлических плит, служащих

для упора гидродомкрата и равномерного сдвига призмы. Ширина щели за-

висит от длины гидродомкрата в сжатом виде и толщины металлических

плит. Испытания породных призм этим способом показали, что углы внут-

реннего трения для одних и тех же пород, полученные как одной, так и с

тремя - четырьмя прорезными щелями, практически одинаковы, а значения

сцепления пород на 30% больше, поскольку подготовка щелей приводит к

ослаблению горного массива. Производительность работ по определению

прочностных свойств пород с одной прорезной щелью в 2-3 раза выше, чем

при общепринятой методике. Существующие схемы натурных испытаний

породных призм на срез приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Натурные испытания горных пород.

Схемы испытаний породных призм на срез

Вид

за

При использовании одного гидродомкрата

А-А

Плоский

А-А

Косой

А-А

Косой

При использовании двух гидродомкратов

А-А

Косой