CC BY
197
УДК 622.02:622.831.3
Б.А. Храмцов, д-р техн. наук, проф., (4722) 30-11-61, khramtsov@bsu.edu.ru (Россия, Белгород, БелГУ),
A.A. Ростовцева, канд. техн. наук, ассист., (4722) 30-11-61, rostovtseva@bsu.edu.ru (Россия, Белгород, БелГУ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОБРУШЕНИЯ ОТКОСОВ
Рассмотрен графо аналитический метод определения физико-механических свойств пород, слагающих откос по результатам его обрушения с применением графиков зависимости условной высоты откоса от угла наклона откоса и условной высоты откоса от условной ширины призмы возможного обрушения. Используемые графики построены для логарифмической поверхности скольжения.
Ключевые слова: угол внутреннего трения, удельное сцепление, устойчивость откоса, обрушение откоса, высота откоса, ширина призмы возможного обрушения, угол наклона откоса.
В Белгородском государственном университете разработаны методы расчета устойчивости откосов, уступов и бортов карьеров по круглоцилиндрической и логарифмической поверхностям скольжения [1, 2]. Разработаны программы для ЭВМ, реализующие данные методы и прошедшие государственную регистрацию [3, 4].
Аналитические методы расчета устойчивости откосов были апробированы в условиях карьеров КМА и показали хорошую сходимость расчетных и фактических значений параметров: высоты откоса Н, угла наклона откоса а и ширины призмы возможного обрушения В0.
С применением разработанных программ были построены графики зависимостей условной высоты откоса от угла наклона откоса и условной высоты откоса от условной ширины призмы возможного обрушения для различных коэффициентов запаса устойчивости. Полученные графические зависимости позволяют определять фактическое значение высоты откоса и ширины призмы возможного обрушения по формулам
H = Н'С; (1)
Р
Во = Во'С, (2)
Р
где Н - фактическая высота откоса; Н’ - условная высота откоса; В0 - ширина призмы возможного обрушения; В’0 - условная ширина призмы возможного обрушения; с - сцепление пород, слагающих откос; р - плотность пород, слагающих откос.
Помимо этого графики зависимостей условной высоты откоса от угла наклона откоса (рис. 1) и условной ширины призмы возможного об-
рушения (рис. 2) при коэффициенте запаса устойчивости, равном 1, можно использовать для определения угла внутреннего трения ^ и сцепления с.
В приоткосном массиве при нарушении состояния предельного равновесия, когда сдвигающие силы превышают удерживающие, образуется поверхность скольжения, по которой происходит обрушение откоса, в результате чего на верхней горизонтальной площадке откоса образуется трещина отрыва, которая отстоит от верхней бровки откоса на расстоянии равном ширине призмы возможного обрушения В0. Имея данные о параметрах откоса до его обрушения (высота откоса, угол наклона откоса), и результаты маркшейдерской съемки после его обрушения, позволяющие определить положение трещины отрыва на момент обрушения, можно рассчитать физико-механические свойства пород в массиве.
угол наклона откоса а, градус
Рис. 1. Графики зависимостиусловной высоты откоса Н’ от угла наклона откоса а при п=1
Расчет физико-механических свойств в массиве горных пород состоит из следующих этапов:
1. Из формул (1), (2) следует, что
— = — = к, (3)
^0 В 0
тогда при известных высоте откоса Н и ширине призмы возможного обрушения В0 определяется значение коэффициента к
к = ^ . (4)
Во
2. По углу наклона откоса а до обрушения, пользуясь графиками зависимости условной высоты откоса от угла наклона откоса для коэффициента запаса устойчивости п = 1, определяем величины Н’ при различных значениях углов внутреннего трения ^ (рис. 1).
3. Наносим точки, соответствующие определенным величинам условных высота Н’ на график зависимости условной высоты откоса от условной ширины призмы возможного обрушения для различных значений углов внутреннего трения ^ и соединяем их между собой (см. рис. 2). Построенная прямая может быть описана уравнением
Н' = -аВ \ + Ь . (5)
условная ширина призмы возможного обрушения В’о
Рис. 2. Графики заеисимостиуслоеной высоты откоса Н' от условной ширины призмы возможного обрушенияВ'о при п = 1
4. Искомые значения условной ширины призмы возможного обрушения и условной высоты откоса определяем по формулам
Ь
В’о —; (6)
к + а
Н' = кВ 'о. (7)
5. Наносим точку А на построенную прямую, используя вычисленные значения условной высоты и условной ширины призмы возможного обрушения.
6. По графику (см. рис. 2) определяем значение угла внутреннего трения в массиве горных пород, используя вычисленное значение Н’.
Угол внутреннего трения определяется интерполяцией между ближайшими прямыми значений углов внутреннего трения по формуле
где ф1 - наименьшее значение угла внутреннего трения; ф2 - наибольшее значение угла внутреннего трения; Н'\- значение условной высоты откоса, соответствующее ф1ш; Н’2 - значение условной высоты откоса соответствующее ф2; Н’ - значение условной высоты откоса, соответствующее искомой точке.
6. Находим значение сцепления в массиве горных пород
Данный метод определения физико-механических свойств в массиве горных пород был апробирован при формировании откосов вскрышных уступов восточного борта железорудного карьера ОАО «Стойленский
Начиная с 1997 г. на восточном борту карьера ОАО «Стойленский ГОК» происходят постоянные обрушения вскрышных уступов в меломергельных породах. В 1997 г. при работе роторного комплекса КУ-800 при формировании уступа высотой 30 м (гор. +155 м) произошло обрушение, которое повлекло гибель машиниста комплекса. В 2005 г. произошло ещё четыре обрушения откосов вскрышных уступов на восточном борте карьера, характеристики которых приведены в таблице.
В качестве примера определения физико-механических свойств пород в массиве по предлагаемой методике рассмотрим обрушение уступа горизонта +166 м восточного борта, которое произошло 13.10.2005. Параметры обрушения следующие: высота откоса Н=28,3 м, угол наклона откоса а=53,4°, ширина призмы возможного обрушения В0=15 м. Вычисляем значение коэффициента к по формуле (3)
Ф=Ф, + я'2 Н'■ (Н'-Н\),
Ф2 -Ф1
(8)
ГОК»
Параметры обрушений ирезультаты определения физико-механических свойств мело-мергелъных пород
Объект дефор- мации (уступы восточ- ного борта) Дата обру- шения Высота уступа Н, м Угол наклона уступа а, градус Ширина призмы обрушения Во, м Рассчитанные физикомеханические свойства
Угол внутреннего трения ^, градус Сцепление С, кПа
Уступ гор. +166 13.10.05 28,3 53,4 15 19,3 52
Уступ гор. +162 м 13.10.05 31,6 60,5 17 19,9 49
Уступ гор. +150 м 03.11.05 27 55 15 18,5 56
Уступ гор. +150 м 03.11.05 30 55 18 20,4 47
Уступ гор. +163 м 04.07.96 20 41,5 7 18,1 50
При угле наклона откоса а=53,4° и углах внутреннего трения ф=5; 10; 15; 20; 25; 30; 35° значения условных высот откоса равны соответственно 6,2; 7,5; 9; 11; 14,2; 19; 26,5 (см. рис. 1).
С помощью графиков зависимости условной высоты откоса от условной ширины призмы возможного обрушения (см. рис. 2) определяем положение точки прямой, соответствующей формуле (5) с учетом значений условных высот и углов внутреннего трения.
Уравнение полученной прямой имеет следующий вид:
Н' = -11,85 '0 + 77,3. (11)
Значения условной ширины призмы возможного обрушения и условной высоты откоса, соответствующие условию (3) и уравнению прямой определяются по формулам (6) и (7):
В'0 =—77^— = 5,7, Н' = 1,89• 5,7 = 10,7 .
0 11,76 +1,89
Используя выражение (8) и значение условной высоты H’, равное 10,7, с помощью интерполяции между ближайшими значениями ^=15° и ^2=20° определим значение угла внутреннего трения пород в приоткосном массиве:
20° -15°
Ф = 15°+ _9 (10,7-9) = 19,3°.
Для определения удельного сцепления в массиве мело-мергельных пород используем выражение (9). При высоте уступа Я=28,3 м, условной высоте откоса H’=10,7 и объемной плотности пород р=19,8 кПа удельное сцепление
28,3• 1,98• 103 ,лз і 2
с =--------------= 5,2 • 10 кг/м = 52кПа
10,71
Параметры обрушений, полученные в результате проведенных маркшейдерских съемок, и результаты определения физико-механических свойств мело-мергельных пород, слагающих вскрышные уступы восточного борта карьера ОАО «Стойленский ГОК», с применением разработанного графоаналитического метода представлены в таблице.
Средневзвешенные значения характеристик физико-механических свойств в массиве мело-мергельных пород по результатам обрушений откосов равны: угол внутреннего трения пород ^=19,5° ± 1,42°, а сцепление пород Сер=51 ± 6 кПа.
Среднеквадратическая погрешность определения угла внутреннего трения в массиве мело-мергельных пород составила 7,3 %, а сцепления -
11,8 %.
Список литературы
1. Храмцов Б.А., Ростовцева A.A. Определение коэффициента запаса устойчивости откосов по круглоцилиндрической поверхности скольжения // Изв. ТулГУ. Сер. Естественные науки. Вып. 3. 2008. С. 155-158.
2. Определение безопасных параметров однородных откосов на карьерах КМА /С.В.Сергеев [и др.] // Маркшейдерия и недропользование. № 1 (39). 2009. С. 66-68.
3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ№2008615512 Otkos1. Расчет безопасных параметров откосов.
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ№2009616344 Otkos.log1. Расчет безопасных параметров откосов.
B.A. Khramtsov, A.A. Rostovtseva
Determination of rock mass physical-mechanical properties on the base of slope collapse results
Graphic-analytical determination method of slope rock physical-mechanical properties based on slope collapse results with the application of the diagrams reflecting dependencies between conditional slope height and slope inclination, conditional slope height and conditional width of possible collapse prism are considered in the article. Diagrams used are graphed for logarithmic sliding surface.
Key words: angle of internal friction, specific adhesion, stability of slope, slope failure, slope height, prism width of breaking, slope gradient.
Получено 22.09.10
УДК 621.039:628.398
C.A. Чесноков, канд. техн. наук, консультант, 8-905-501-8026, fVm38@mail.ru (Россия, Москва, Оргэнергострой),
A.Э. Кокосадзе, канд. техн. наук, зам. ген. директора, 8-905-501-8026, Achekhomov@kpr.mos.ru (Россия, Москва, Оргэнергострой),
B.М. Фридкин, д-р техн. наук, 8-905-501-8026, fvm38@mail.ru (Россия, Москва, МГСУ),
А.А. Лукина, инженер, 8-905-501-8026, fvm38@mail.ru (Россия, Москва, ЦНИИпроектстальконструкция)
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ САРКОФАГОВ НАД ОПАСНЫМИ НАЗЕМНЫМИ ОБЪЕКТАМИ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Рассматриваются основные проблемы строительства саркофагов над реакторами атомных электростанций.
Ключевые слова: атомная электростанция, вывод из эксплуатации, радиоактивные отходы.
Весьма сложная научно-техническая задача создания специальных инженерных сооружений - «саркофагов» в качестве сверхдолговременных безопасных укрытий возникает в случаях планового и аварийного выхода из эксплуатации энергоблоков атомных электростанций (АЭС), наземного размещения фрагментов реакторных помещений атомных судов, а также при создании комплексов наземных или приземных хранилищ радиоактивных атомных отходов (РАО) и отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).
Создание таких «саркофагов» в принципе способно решить важнейшую и исключительно актуальную проблему замыкания ядернотопливного цикла в атомной энергетике [1], в том числе с учётом таких факторов, как международный терроризм, военные угрозы, падение крупных метеоритов вблизи от рассматриваемых экологически опасных объектов [2].
По рекомендациям МАГАТЭ, процесс снятия с эксплуатации АЭС должен доводиться до так называемого уровня «зелёной лужайки», то есть
