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

Подождите немного. Документ загружается.

ваются в масштабах соответствующих длинам базисов и масштабам съемок.

По установленной методике вычисляются углы наклона генеральной линии

падения и определяются параметры нарушений: а ширина

складки, - амплитуда складки, после чего вычисляется коэффициент кри-

визны В случае криволинейности бортов, в рассчитанные значения

генеральных углов падения поверхностей ослабления, вводят поправки за от-

клонение от линии простирания бортов.

в своей работе [52] было предложено съемку по-

верхностей ослабления производить угломерным маркшейдерским инстру-

ментом с базиса длиной 5м, разбитого перпендикулярно простиранию отко-

са. В камеральных условиях определять координаты съемочных точек и

по которым отстраивается профиль снимаемой поверхности ослабления и

определяются ее элементы, так же им была предложена методика по опреде-

лению, в полевых условиях, формы и распространения микронеровностей

поверхностей ослабления горного массива с использованием специального

шаблона. По данной методике проведены исследования поверхностей ослаб-

ления на Топарском и Карагайлинском карьерах, по полученным результа-

там разработана классификация неровностей (шероховатостей) поверхностей

ослабления (таблица

Таблица 10 - Классификация неровностей поверхностей ослабления горного

массива.

Класс

Характеристика

поверхностей

ослаблений гор-

ных пород

Гладкая

Шероховатая

Мелкая

Средняя

Крупная

Весьма крупная

Размеры неровностей

Амплитуда из-

0,05-0,50

0,5-5,0

5-20

Ширина из-

гиба м

0,25-2

2,5-25

> 100

Область исполь-

зования

При определе-

нии прочност-

ных характери-

стик по поверх-

ностям ослабле-

ния

При расчетах

устойчивости

откосов

уступов

При расчетах

устойчивости

откосов уступов

и бортов

При расчетах

устойчивости

бортов карьеров

Анализ приведенных данных показал, что существующие на сегодняш-

ний день способы съемки структурно-тектонических особенностей прибор-

массивов, по определению геометрических элементов нарушений при

решении вопросов устойчивости откосов уступов, громоздки, малоточны,

основаны на использовании устаревшего оборудования. Это указывает на

необходимость дальнейшего их совершенствования с использованием со-

временных электронных приборов, позволяющих увеличить достоверность и

оперативность получаемой информации.

1.3 Анализ существующих методов расчета и оценки

устойчивости карьерных откосов

Сложность горно-геологических и горнотехнических условий открытых

разработок обусловила развитие различных методов расчета и оценки для

успешного решения проблемы устойчивости карьерных откосов.

В настоящее время при расчетах устойчивости карьерных откосов ши-

рокое применение получили способы расчета, основанные на теории пре-

дельного равновесия. Ранее этот метод расчета рассматривался в работах

Л.Н. Бернацкого, Н.В. В. Феллениуса, М.Н. Гольдштейна,

Шахумянца, Ю.Н. Г.Л. Фисенко, Н.А.

вича, Н.Н. В.П. Будкова, Э.Л. В.И. Пушкарева и других

исследователей.

Г.Л. Фисенко в работе [9] анализирует существующие к тому времени

методы расчетов устойчивости откосов, приводит их классификацию, в ко-

торой в качестве основного признака принята круглоцилиндрическая форма

поверхности скольжения.

М.Е. Певзнер [54] указывает, что к настоящему времени учеными раз-

работано около способов и приемов расчета устойчивости свободных

откосов и предлагает анализ методов расчета устойчивости откосов делать

на основе двух групп критериев: общих и частных. Общие критерии базиру-

ются на строгой математической основе для отыскания общего способа ре-

шения основных инженерных задач, а частные - на определенных допущени-

ях согласно горно-геологических условий и способа расчета.

институтом анализ [55] свидетельствует о су-

ществовании более методов расчета устойчивости откосов. В настоящее

время число их значительно возросло. Многообразие методов расчета приве-

ло к необходимости их классификации по условиям применения, предло-

женным в работах Г.Л. Фисенко и М.Е.

Большую работу провели П.С. Шпаков, Г.Г. Поклад [7] по обоснованию

геомеханических моделей и расчетных схем горного массива, соответст-

вующих определенным горно-геологическим и горнотехническим условиям

разработки месторождений, а также по разработке численно-аналитического

способа расчета параметров устойчивых карьерных откосов на базе исполь-

зования ЭВМ.

P.P. Чугаев [56] отмечает, что практическая приемлемость того или ино-

го способа расчета, основанного на различных допущениях, может быть ус-

тановлена только на основании сопоставления его с данными опыта, практи-

ки или сравнения с другим способом.

В настоящее время разработано множество расчетных схем, учитываю-

щих поверхности ослабления в горном массиве, которыми могут быть тре-

щины отдельностей большого протяжения, поверхности сместителей текто-

нических нарушений, контакты напластований пород. К ним относятся рабо-

ты Г.Л. Фисенко Н.Н. Куваева [57], Л.В, Савкова [58], Д.Н. Кима [59],

Сапожникова [60], В.В. Комарова [61], И.И. Попова [62], Попова

[63], Э.Л. [64], Р.П. Окатова [65], П.С. Шпакова [66], П.Д

ковой [67], Г.И. Черного [68], Ф.К. Низаметдинова [69], А.И. Анашкина [53]

и других авторов. Существующие схемы расчета устойчивости откосов, ус-

тупов и бортов карьеров учитывают практически все возможные случаи со-

четания плоских поверхностей ослабления, образующих призму возможного

обрушения.

В работах Абрамова и В.Т. Сапожникова 60] рассмотрены спо-

собы расчета устойчивости откосов с в сторону выемки

слоями и для откосов с круто падающими слоями. Решение задач устойчиво-

сти слоистых откосов пологого и наклонного залегания рассматривали также

A.M. [70], П.Д. Мячикова [67], В.Г. Зотеев [71], Р.П. Окатов [72].

Ряд авторов Л.В. Савков [58], В.Н. Попов [63], Д.П. Ким [59], В.Т. Са-

пожников [60], Э.Л. [64], Р.П. Окатов [72], В.В. Комаров [61] и

П.С. Шпаков [66] дают решения по определению высоты устойчивого отко-

са уступа, подсеченного диагональными трещинами, образующими клин

сползания. При этом поверхности ослабления принимаются плоскими, хотя

в практике чаще всего этого и не бывает.

При рассмотрении устойчивости откосов со сложными поверхностями

ослаблении Г.Л. Фисенко [9] рекомендует использовать графический способ

расчета.

Г.И. Черный в своей работе [68] приводит расчетные схемы по опреде-

лению устойчивости, в которых предлагает производить учет неровностей

поверхностей скольжения.

Р.П. Окатов в работе [72] указывает, что если в массиве горных пород

залегает несколько поверхностей ослабления с различными прочностными

характеристиками по ним, то расчет устойчивости откосов необходимо вес-

ти с учетом этих различных характеристик, не усредняя их. Автором пред-

ложена методика горно-геометрического анализа структурно-тектонических

особенностей скальных и полускальных трещиноватых массивов, учиты-

вающая все основные случаи пространственного залегания поверхностей ос-

лабления и отличающаяся тем, что для нахождения действительных напря-

женных поверхностей скольжения ломаной конфигурации, использован экс-

тремальный способ.

Большой вклад в рассмотрение вопроса о параметрах поверхностей ос-

лабления, имеющих характер нарушений внес Ф.К. Низамет-

динов [52], который впервые на моделях изучил механизм деформирования

откосов при обрушении их по волнообразным поверхностям скольжения,

разработал аналитические решения для определения параметров откосов,

учитывающие пликативную нарушенность и получил количественную их

оценку в сопоставлении с плоскими поверхностями ослабления. Им же усо-

вершенствован метод изучения структуры горного массива, позволяющий

учитывать изменчивость поверхностей ослабления.

А.И. и П.С. [73] была предложена методика

расчета параметров предельного откоса, основанная на методе интегрирова-

ния сил, действующих по наиболее напряженной поверхности скольжения,

которую было предложено аппроксимировать синусоидой. Положение наи-

более напряженной поверхности в массиве устанавливается на основе ре-

зультатов расчета на ЭВМ. Коэффициент запаса устойчивости борта карьера

по ряду поверхностей скольжения определялся с использованием метода по-

следовательных приближений. Параметры складок предложено усреднить,

если значения их не отличаются более чем в 2 раза.

1.4 Цель и задачи исследований

Проведенный обзор и анализ литературных результатов ра-

бот научно-исследовательских учреждений по исследованию устойчивости

откосов уступов и бортов карьеров и данных практики позволяет сделать

следующие выводы.

Существующие способы определения и изучения прочностных свойств

горных пород соответствуют требованиям решения задач устойчивости карь-

ерных откосов. Однако, зачастую сложность горно-геологических условий

месторождений требует более комплексного подхода к выбору расчетных

показателей прочностных характеристик контактов пород. Известно, что

проведение как лабораторных исследований, так и натурных испытаний гор-

ных пород и породных контактов процесс довольно трудоемкий и дорого-

стоящий, а получаемые результаты малоточны, из-за сложности сохранения

естественного состояния контактирующих поверхностей, то представляет

определенный интерес использовать метод аналогий, который позволяет с

некоторыми допущениями рекомендовать значения сцепления k и угла внут-

реннего трения р для некоторых типов породных контактов. Для этого необ-

ходимо систематизировать данные всех авторов и выявить граничные диапа-

зоны изменения прочностных характеристик для каждого породного

та.

совершенствовать существующие способы съемки струк-

турно-тектонических особенностей массивов, с использовани-

ем современных электронных приборов, для повышения достоверности, опе-

ративности при определении геометрических параметров нарушения.

Существующие на данный момент автоматизированные интерпретации

аналитических решений по определению устойчивости карьерных откосов

технически и морально устарели и требуют разработки новой методики ав-

томатизированного расчета по оценке устойчивости анизотропных откосов.

В соответствии с вышеизложенным возникает необходимость решения

следующих задач:

Выявить граничные интервалы изменения величин сцепления и угла

внутреннего трения, на основе анализа данных лабораторных и натурных ис-

пытаний породных контактов.

2. Усовершенствовать методику съемки элементов залегания складча-

той структуры на карьерах, при помощи современных электронных прибо-

ров.

3. Разработать методику автоматизированного расчета устойчивости

анизотропных карьерных откосов.

4. Установить аналитические зависимости коэффициента запаса устой-

чивости от прочностных характеристик породных контактов.

5. Определить отклонения коэффициента запаса устойчивости от изме-

нения значений прочностных характеристик породных контактов при оценке

устойчивости анизотропных откосов.

6. Выявить диапазоны необходимой точности определения прочност-

ных характеристик контактов пород.

2 Совершенствование методов съемки структуры прибортового

массива и определение интервалов изменения значений

прочностных породных контактов

Структурно-тектонические особенности массива горных пород (условия

залегания, состав и строение, трещиноватость, дизъюнктивная и пликативная

нарушенность) оказывают, как и прочностные свойства горного массива, оп-

ределяющее влияние не только на выбор схемы параметров систе-

мы и технологии разработки месторождения, но и на устойчивость откосов

уступов и ботов карьеров.

Структура залегания горных пород - это один из основополагающих

факторов по решению проблемы устойчивости карьерных откосов, ее изуче-

ние является первостепенной задачей инженерно-геологических изысканий

на стадиях проектирования и отработки месторождений. На первой стадии,

при разведке карьерных полей, наиболее достоверную информацию при изу-

чении структуры залегания пород дают геологические и геофизические ме-

тоды исследований [8, 9], дальнейшее изучение и уточнение элементов зале-

гания пород производится в процессе отработки месторождений на основе

инструментальных съемок [74].

На необходимость изучения в процессе отработки месторождений в от-

косах рабочих уступов карьеров структуры залегания горных пород, выявле-

ния природных поверхностей ослабления и определения параметров их зале-

гания с целью прогноза полученной информации на нижележащие горизонты

и проектные контуры карьеров, и в дальнейшем оценки устойчивости отко-

сов, указывают многие исследователи [9, 74, 75 и др ].

На современном этапе развития научно-технического прогресса, благо-

даря появлению новых, современных электронных приборов, решение во-

просов по проблеме обеспечения устойчивости откосов и бортов карьеров,

вышло на качественно новый уровень. Речь идет об усовершенствованных

методах съемки состояния массивов.

2.1 Изучение трещиноватости горных пород прибортового массива

Изучение структуры нарушений горного массива, как трещинной, так и

складчатой, должно быть основано на достоверных полевых наблюдениях с

последующей камеральной обработкой материалов.

Вследствие большого разнообразия вмещающих горных пород (осадоч-

ные, изверженные, метаморфические) и заключенных в них различных зале-

жей полезных ископаемых не представляется возможным рекомендовать

единую методику наблюдений и обработки материалов по трещиноватости

для всех месторождений. Методика должна учитывать условия и конкретную

геологическую обстановку исследуемого района или отдельного месторож-

дения, а также вопросы, для решения которых используются данные трещи-

новатости пород [76].

В комплекс изучения элементов залегания тектонических нарушений на

месторождениях, разрабатываемых открытым способом, входят:

- полевые работы, состоящие из разбивки поверхности откоса уступа на

замерные станции; замеров элементов залегания трещин и линейных элемен-

тов структурных блоков, образуемых трещинами; описания характера по-

верхности трещин, их заполнения, водоносности, следов

скольжения по ним;

- составление и обработка точечных и других диаграмм на основе дан-

ных полевых измерений для выявления систем трещин;

- построение участковых стереограмм систем трещин с помощью сте-

реографических сеток для выявления угловых соотношений между система-

ми трещин;

- обработка данных трещиноватости методом математической статисти-

ки для выявления пространственной ориентировки основных систем трещин;

- составление карты трещиноватости и построение структурных разрезов

по уступам и бортам карьера для выявления систем трещин наиболее небла-

гоприятно ориентированных относительно карьерных откосов, трещины ко-

торых могут служить поверхностями скольжения.

На территории Казахстана следующие карьеры имеют трещиноватую

нарушенность в залегании пород прибортового массива: Малый Спасский,

Средне-Спасский, Николаевский, Тастау и т.д. Примером наличия,

дислокаций в залегании пород прибортового массива, являются

карьеры Топарский известняковый, Алексеевский доломитовый,

ский железорудный и Тургайский бокситовый.

Методы измерения трещиноватости горных пород сводятся в основном

к непосредственным измерениям в обнажениях на поверхности, на откосах в

карьерах, по стенкам шурфов и горных выработок, к наблюдениям по кернам

геологических скважин. На открытых разработках при достаточно большой

площади обнажений горных пород наиболее эффективен метод непосредст-

венных измерений (массовых или по профильным линиям) с помощью гор-

ного компаса или других приборов.

Для повышения производительности труда при массовых замерах эле-

ментов залегания трещин по откосам уступов на карьерах, в условиях немаг-

нитных масс, обычный горный компас может быть усовершенствован за счёт

изменения его общей конструкции. В сконструированы и изготовле-

ны такие приборы, позволяющие измерять угол падения трещины и азимут ее

простирания при одном их прикладывании к поверхности трещины в точке

замера без отыскания её линий простирания и падения, что повышает точ-

ность измерений и сокращает время на производство замеров в 2-3 раза.

На железорудных месторождениях с сильными магнитными полями ис-

пользуются солнечные компасы и гироскопический компас конструкции

ВИОГЕМ.

Размеры структурных блоков (расстояния между трещинами) замеряют

обычной рулеткой.

При производстве замеров элементов залегания поверхностей

ния и размеров структурных блоков неизбежно возникает вопрос о необхо-

димом и достаточном их количестве. Малое число замеров снижает надёж-

ность и представительность результатов, а завышение ведёт к увеличению

объёма полевых работ без существенного увеличения точности результатов.

Число необходимых замеров при съёмке связано со степенью изменчи-

вости трещиноватости пород, наличием тектонических нарушений, количе-

ством систем трещин, и в производственных условиях вопрос о количестве

необходимых замеров на станции, как и о линейных размерах самой станции,

где будет произведена съёмка, решается по обстановке и интуитивно.

При изучении трещиноватости накапливается большое количество из-

мерений. Обработку и обобщение этих измерений производят с использова-

нием круговых, прямоугольных диаграмм, на основании которых строят

структурные разрезы и карты трещиноватости.

Круговые и прямоугольные диаграммы позволяют определить количест-

во систем трещин как на замерной станции, так и по карьеру в целом, преоб-

ладание тех или иных систем трещин, их элементы залегания. Стереографи-

ческие сетки Вульфа, Каврайского и другие позволяют определять угловые

соотношения между трещинами, выявлять положение трещин по отношению

к откосу.

При решении ряда задач, в основном связанных с вопросами устойчиво-

сти откосов на карьерах, требуется изобразить структуру массива на разрезах

в соответствии с установленной ориентировкой и частотой. Такого рода гра-

фик называется структурным разрезом или решёткой трещиноватости. Его

основная цель — оценить системы трещин с точки зрения влияния их на ус-

ловия работы или поведение массива. Необходимо отметить, что на струк-

турных разрезах показываются углы падения трещин в плоскости, перпенди-

кулярной откосу в связи с чем переход к ним от истинных значений уг-

лов падения осуществляется по формуле:

(2)

где ~ угол разворота трещины по отношению к откосу в плане (определя-

ется как разность азимутов простирания трещины и откоса).

Нами была произведена обработка результатов съемок трещиноватости

по карьеру (Киргизия).

На основе полученных в процессе полевых наблюдений данных были

выделены системы трещин (рисунок 2) согласно следующим критериям:

- отклонение положения отдельных наблюдений от центра системы

трещин не должно превышать некоторую заданную величину (условие па-

раллельности);

ЛИНИЯ 4226, ТОЧКИ 14-20

95 -

100

75;

-5 fl 20 30

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360

азимут простирания, градус

Рисунок 2 - Прямоугольная диаграмма.

- количество наблюдений, объединенных в систему, должно быть не

меньше некоторой критической величины, обеспечивающей достоверность

полученных результатов (условие представительности) [75].

Обработка результатов съемок трещиноватости с использованием пря-

моугольной диаграммы дает наглядное представление о концентрации тре-

щин на каждой замерной точке. Оконтуривание точек, относящихся к от-

дельным системам, производится путем группирования в интервалах угла

наклона и азимута простирания, равных 30°. Средние значения элементов за-

легания каждой системы трещин определяются графически как средневзве-

шенные путем последовательного нахождения их центра тяжести (рисунок 2)

[77]. Результаты определения центров систем трещин на карьере

приведены в таблице и на рисунке

Таблица - Результаты определения систем трещин на карьере «Кумтор».

Системы трещин

номер

системы

азимут

ния

угол

падения

вес

(кол-во

наблюд.)

Номер линии 4226, номер станции I,

точки

175

285

Номер линии 4226, номер станции II,

точки

120

192

238

314

276

265

Номер линии 4226, номер станции III,

точки

182

285

311

177

100

Системы трещин

номер

системы

азимут

прост-

ния

угол

падения

вес

(кол-во

наблюд.)

Номер линии номер станции

XII,

точки 1-6

ИЗ

148

267

Номер линии 4166, номер станции

VIII, точки 1-8

155

186

197

285

122

215

Номер линии номер станции XI,

точки

199

204

225

291

НО