Управление геомеханическим состоянием откосов при разработке железорудных месторождений КМА Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

3. Исследование пространственного напряженно-деформированного состояния обделки наклонного хода станции метрополитена глубокого заложения/ А.Г. Протосеня и [др.] // Труды 8-й Научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». Воркута, 2010. Т. 1. С. 133-137.

4. Козин Е.Г., Савков Б.М., Хуцкий В.П. Исследование процесса сдвижения земной поверхности на участке между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» в Санкт-Петербурге//Метро и тоннели. 2006. №4. С. 32-35.

I.K. Suprun, A.G. Protosenya

SPATIAL PREDICTION OF STRESS-STRAINSTATE SOIL MASS IN THE BOTTOM HOLE IS OFTEN THE CASE WITH TUNNELING CONTLEDGE OF THE FACE The analysis of reinforcing effect, which appears during the process of the drilling of tunnels with using of contledge of the face which applied in tunnel boring machines, is ad-duced.By applying of the finite-elements method the family of graphical relations, which reflects the processes of the development of displacements, is approached. For the reason of analysis of these relations the optimal value of contledge of the face if maximum permissible displacements of the earth surface are known have been suggested.The influence of the main strength characteristics of Couloumb-Mohrs’s theory of strength on stability of the face of the tunnel and the necessary value of contledge of the tunnel’s face are defined.

Key words: tunnel, contledge, displacement, strain, stress, earth’s surface yielding,

scour.

Получено 20.04.11

УДК 622.341:624.137.2

Б.А. Храмцов, канд. техн. наук, доц., 8(4722)-301161, khramtsov@bsu.edu.ru,

А.А. Ростовцева, канд. техн. наук, ст. преп., 8-(4722)-301161, rostovtseva@bsu.edu.ru,

О.А. Рыбка, асп., 8(4722)-301161 oksana rybka@mail.ru

(Россия, Белгород, Белгородский гос. нац. исслед. университет)

УПРАВЛЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ОТКОСОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КМА

Разработан аналитический метод расчета коэффициента запаса устойчивости откосов, построены графики, позволяющие определить предельные параметры откосов сучетом их геомеханического состояния.

Ключевые слова: геомеханическое состояние откоса, предельно допустимые параметры откоса, обрушение, призмы, оползень, коэффициентзапаса устойчивости, физико-механические свойства пород, высота откоса.

В настоящее время при разработке железорудных месторождений Курской магнитной аномалии наблюдается увеличение добычи железной

руды открытым способом, в результате чего все большую актуальность приобретают безопасность и эффективность отвалообразования, которое предусматривает транспортировку и укладку на территории горнообогатительных комбинатов в пределах земельного отвода вскрыши, представленной на 50 % слабыми глинистыми и песчано-глинистыми породами. Годовой объем отсыпаемых в отвалы вскрышных пород на Лебединском, Стойленском и Михайловском ГОКах находится в пределах 40 млн м , а затраты на отвалообразование составляют до 15 % себестоимости одной тонны добытой руды. На данных работах занято от 12 до 20 % общего штата рабочих карьеров. В настоящее время размещение пород вскрыши осуществляется за счет увеличения приемных емкостей отвалов, в основном, за счет увеличения их высоты. От успешного решения проблемы выбора оптимальных параметров отвалов будут зависеть не только технико-экономические показатели работы карьера, но и рациональное использование и охрана недр и окружающей среды.

На железорудных карьерах КМА наибольшее распространение получило экскаваторное отвалообразование с использованием экскаваторов типа механических лопат и драглайнов, а также железнодорожного и автомобильного транспорта (80 %) [1, 2].

Углы откосов отвалов и ярусов, сложенных слабоглинистыми и песчано-глинистыми породами, в подавляющем большинстве изменяются в диапазоне 12...30 °.

Различают два направления ведения горных работ в технологии отвалообразования, отличающиеся геомеханическим состоянием отсыпаемых пород в отвалы. Первое направление, традиционное, связанное с обеспечением устойчивости откосов отвалов независимо от стадии их формирования и второе, в режиме управляемых деформаций, когда допускается наличие постоянно деформирующихся откосов отвалов.

Устойчивость внешних отвалов зависит от их геометрических параметров, физико-механических свойств пород оснований под отвалами, а также отсыпаемых пород в отвал и технологии отвалообразования.

Наиболее опасным и довольно распространенным видом деформаций отвальных масс при разработке железорудных месторождений КМА являются оползни (25 %), когда происходит смещение пород по поверхности скольжения, от положения которой относительно основания различают надподошвенные, подошвенные и подподошвенные оползни. Такой наиболее опасный вид деформаций откосов как оползни всегда возникает только при превышении параметров отвала, несоответствии физикомеханических свойств пород в теле и основании отвала расчетным, т.е. тогда, когда в приоткосной части массива сдвигающие силы превышают силы сопротивления сдвигу и происходит нарушение предельного равновесия по наиболее слабой поверхности скольжения.

При малых углах внутреннего трения пород и угле наклона а <(п/4 ~ф/2) в откосе происходит смещение пород по поверхности

скольжения, положение которой способствует образованию подподошвен-ного (рис. 1) и подошвенного (рис. 2) оползней.

Рис.1. Схема для определения коэффициента запасаустойчиеости откоса при подподошеенном оползне

Коэффициент запаса устойчивости откоса с учетом схемы, представленной на рис. 1, определяется с помощью следующего выражения:

| Р е°8 8{Ав + Р0 е°8 ¡л + Р1 е°8 ¡1 + Р2 е°8 8*

п

90°

■ +

+

90°-а

+ Р^т ¡1 + Р2 8Ш 8* + С (1 + 11 + 12 )

(1)

90°

Рис.2. Схема для определения коэффициента запасаустойчиеости откоса при подошвенном оползне

о

0

0

Pq = Rsin ß- H90 -(Rcos (a-ß)- Н)|х

2

Н90 + 0,5^ Rsin ß-H90 -(Rcos (a-ß)-H)j

R =

90

H = H'+ h Hctga + a

ju= 45o, 2

2c

H™ =— ctg^ P

cos ß- sin (a-ß) Pi = 0,5ph2ctg^ , P2 = 0,5ph2ctga ,

l = R

^90o -a^x

180

l1 =| Rsin ß- H90 -(Rcos (a-ß)- H cos ß ,

l = _*_

±/-> •>

sin ß

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

где а - угол наклона откоса; Н’ - высота откоса; Н90 - высота вертикальной трещины отрыва; И - глубина выпора МЫ; Р! - масса элементарного столбца в 1-й точке криволинейной поверхности скольжения; §1 - угол наклона элементарной площадки скольжения к горизонту в 1-й точке; Я - радиус поверхности скольжения; Р0 - вес блока обрушения СВЕБ; Р1 - вес блока ЬМЫ; Р2 - вес блока МА8Ы; с - удельное сцепление пород, слагающих откос; ф - угол внутреннего трения пород, слагающих откос; р - плотность пород, слагающих откос; 1 - длина криволинейного участка поверхности скольжения БУС8Ы; 11 - длина прямолинейного участка поверхности скольжения ЕБ; 12 - длина прямолинейного участка поверхности скольже-*

ния ЬЫ; 5 - угол наклона линии N8 к горизонту; а0 - вспомогательная величина, равная отрезку ВС.

Угол наклона линии N8 к горизонту определяется по формуле

(

W

8* = 0,5 arcsin--------sin (a-и) + и.-а • (12)

^ t Rtga V И})) И

Величина а0 меняется от a0min до a0max, которые определяются по формулам:

Hctga( cos (а -ß)~ sin ß)-( H - H90)( cos^ - sin (a - ß))

a

0 min

tg^(cos ß - sin(a - cos ß - sin(a - ß)~ cos(a -ß) + sinßj

(13)

a

(cos /л- sin (a -^))( H - H90)

0max

Hctga

(14)

cos (a- ¿)- sin ^

Вес элементарного блока определяется по формуле

Pi = phidLcos^i ; (15)

dL = Rd0 ; (16)

З = 90-»-в. , (17)

где dL - длина элементарной площадки; 6i - угол между OVи радиусом R; hi - высота элементарного блока.

Из схемы, представленной на рис. 1, высота элементарного блока при вг є [0; в* ] определяется по формуле

h. = Rsin+ )-(Rcos(^-«)-H) . (18)

При 0. е[#* 90-а]

h = Rsiniju + 6. i-R(cos(^-a)-tgasin+

/ \ (19)

+Rtgacosy^-6^).

Проинтегрировав выражения из формулы (1), получим следующие значения интегралов:

90o -а

J p cos^d# = pR (sin2 + sin2^A2 + cos2 juA3)

0

90 °-¡л

JP sin8td6 = pR

0

90o-a

J Pisin £;d0 = pR

sin 2^

2

A\ +2cos2pA'2 -

, sin 2^

2

A

900

sin2/i . .. „ „ ... sin2/i . ..

-----— A"1 + 2cos2^A"2-------- A "3

|90o -a І0 ;

i 90 ° -ц І0 ;

|90o-a І900-ц ,

(20)

(21)

(22)

(

Ax = Rsin^u

cosa —

з Л cos a

V

(

+ Rcos^u

1 - sin a

-(Rcos(^-a)- H)|

cos0* sin0* в*Л

-R (cos tgasin

+Rtgacos^

*

cosasina-sinocos#* 90~{a+6 )

V

f 3

cos a _*

cosa--------------sin# +

V

í 3 /л* • з Л

cos в - sin a

A2 = Rsin ¡u

Rcos ¡u---------(Rcos(¡u - a) - H)

1 - cos в

-R(cos(¡u - a) - tga sin(^ - a))

cos2 в - sin2 a

cos3 a - sin3 Q , .4

+Rtga------------------(cos ц - sin ¡j.),

. . cos а

A3 = Rsin ц,— ------------ъ Rcos ц,

С sin3 а + 2

sina l-(Rcos(ß-a)-H)

sin#* cos#* 6* ^

„/ / ч . / 4\cosasina-sin#*cos#* +а-в*

-R ^ cos {¡и-a)-tga sin {¡и-а))---------------------------ь

„ cos3«- sin3#* „

+Rtga cos ц,---------------Rtga sin ц,

С sin3 a- cos3#*

Л

+ cos# - sina

„3 ,Л

co^ U 1 - sin3 U ) / , 4 TT\f cos#*sin#* Q*

cosц- — + Rcosц - -MRcosHJl- -h —

-R (cos (ß-a)- tgasin (¡u-a^) +Rtgacos ¡u

cos¡usinju-sin#* cos#* 90~(ß + 6 )

^ cos3 ц _» sin3#* ^

-------sin# +-------------

cos ß-

(л • 3 Л

1 - sin ^ '

- Riga sin ¡u

С cos3#* - sin3 ^

2 n*

1 -cos #

3

2n -‘2

/ / ч . / 4\cos #- sin и

-R ^cos yß -aj- tga sin -a)J-----------------------------ъ Rtga

cos3 # - sin3 #

(cosß - sin ¿i),

A'3 = Rsin^co^ ^ + Rcos^u sin ^ + 2 _sin^|-(Rcos(^-a)-H)

sin 0* cos 0* в

-R(cos (¡u-а)- tga sin-a))

cos^sin ц-sin#*cos0* + ^-0*

+Rtga cos ¡.icos ^—sin ^ - Rtga sin ^

^ sin3 u- cos3#* .. Л

------------------h cos# - sin и

I 3 J

A''j = (Rsin ß+Rtga cos ß)

^cos3 Ц- cos3 a

Л

sin ^-sin a

-R (cos (^-a)- tga sin (^-a))

cosasina - cosцsin/u-a + ß

✓_ . 4sin3 u- sin3 a 4cos3 a - cos3 u

A 2 = ^R sin ß + Rtga cos ß )-----------------------h (R cos ß - Rtga sin ß )---------------------

R (cos - a ) - tga sin - a ))

sin ß - sin a

A ''3 = (R sin ß + Rtga cos ju)

2

cos3 a - cos3 ^

+

+(Rcos^ - Rtga sinц)

sina + sin ц

-R (cos (ц-a) - tga sin -a))

cos ¡л sin ß- cosa sina + a - ß

Подставив аналитические выражения из формул (2)-(22) в формулу (1), определим значение коэффициента запаса устойчивости откоса.

Угол наклона откоса а, градус

Рис. 3. Графики зависимостейусловной высоты откоса отугла

наклона откоса.

Области оползней: I - надподошвенного оползня, II - подошвенного оползня, III - подподошвенного оползня

Для выбора безопасных параметров откоса на языке Turbo Pascal была составлена программа для ЭВМ Otkosl.1.

В программе отстраивается множество поверхностей скольжения для различных значений ширины призмы возможного обрушения BD=Bo, меняющихся В пределах ОТ 0 ДО аОтах.

Применение разработанной программы Otkosl.1 и ранее разработанных программ Otkosl, Otkos2 позволило построить графики зависимости условной высоты откоса Нг от угла наклона откоса а (рис. 3) и условной ширины призмы возможного обрушения B’0 (рис. 4) и определить области использования методов расчета для различных геомеханических процессов, происходящих в приоткосном массиве горных пород : I - для надподошвенного оползня, II - для подошвенного оползня, III - для подподошвенного оползня.

^=15° ^=10°

Условная ширина призмы возможного обрушения В'о

Рис. 4. Графики зависимостиуслоеной высоты откоса от условной ширины призмы возможного обрушения.

Области оползней: I - надподошвенного оползня, II - подошвенного оползня, III - подподошвенного оползня

Использование вышеуказанных графиков позволит управлять гео-механическими процессами, происходящими в откосах уступов и бортов карьеров и ярусов отвалов, разрабатывать мероприятия, направленные на обеспечение безопасности производства горных работ при разработке железорудных месторождений.

Список литературы

1. Попов И.И., Шпаков П.С., Поклад Г.Г. Устойчивость породных отвалов. Алма-Ата: Наука, 1987. 224 с.

2. Трубецкой К.Н., Краснянский Г.Л., Хронин В.В. Проектирование карьеров. М.: Изд-во. Академии горных наук, 2001. 1054 с.

B.A. Khramtsov, A.A. Rostovtseva, O.A. Rybka

MANAGEMENT OF THE GEOMECHANICAL CONDITION OF SLOPES BY DEVELOPMENT ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ OF DEPOSITS KMA

In clause the analytical method of calculation of factor of a stock of stability of slopes, the schedules are constructed, allowing to define limiting parameters of slopes in view of their geomechanical condition.

Key words: a geomechanical condition of a slope, maximum permissible parameters of a slope, обрушение, prisms, a landslip, factor of a stock of stability, physicomechanical properties of breeds, height of a slope.

Получено 20.04.11