CC BY
51
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив, серия Б. Естествени и хуманитарни науки, т. XV, 2013 г. Научна сесия „Техника и технологии, естествени и хуманитарни науки", 25-26 X 2012 Scientific researches of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series B. Natural Sciences and the Humanities, Vol. XV, ISSN 1311-9192, Technics, Technologies, Natural Sciences and Humanities Session, 25-26 oktober 2012.
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТТА НА ОТКОСИ С ОТЧИТАНЕ НА РИСКА
Евгения Александрова, Мариана Трифонова Минно-геоложки университет „Св. Иван Рилски"
ASSESSMENT OF SLOPES STABILITY TAKING THE RISK INTO CONSIDERATION
Evgenia Aleksandrova, Mariana Trifonova University of Mining and Geology "St. Ivan Rilski"
Abstract: The assessment of slopes' stability of open cast mines' steps is an important assignment related to the safe and effective running of mining works. The choice of one or other scheme of calculations and method at concrete natural conditions and mining and technological factors of the deposits in exploitation is risky. In the present work are offered qualitative as well as quantitative indicators for assessment of the risk.
Откритото разработване на находища на полезни изкопаемо е свързано с прокарването на открити минни изработки и изграждането на изкуствени съоръжения (външни и вътрешни насипища, хвостохранилища и др.). За безопасното и високопроизводително водене на минните работи е необходимо на първо място да се осигури стабилитета на откосите на стъпалата, на бордовете на откритите рудници и на насипищата. Разнообразието в инженерно-геоложките условия и природните дадености предопределят минния масив като сложна многофазна дисперсна система, тъй като в повечето случаи той е изграден от отделни литоложки разновидности с различни физични свойства и якостни показатели, променящи се вертикално и латерално. Създаването на изчислителни модели, които максимално точно да отразяват напрегнатото деформирано състояние на масива и неговата пригодност за инженерни цели е трудна задача, поради липса на достатъчен брой данни и наблюдения за посочените характеристики. Решенията трябва да се търсят въз основа на теорията на надеждността в следните направления:
1) Използване на общаматематическатеория нанадеждността на многокомпонентни технологични системи;
2) Използване на приложенията за решаване на задачи от строителната механика въз основа на теорията на надеждността;
3) Приложение на изчислителни методи за оценка на устойчивостта на изкуствени откоси и естествени склонове, основани на теорията на граничното равновесие;
4) Разработване на изчислителни методи за оценка на устойчивостта на откоси с отчитане на свойствата на масива като многофазна среда;
5) Апробация на резултатите от статистическите и вероятностните методи за
оценка на устойчивостта на откоси с отчитане на стохастичния характер на физико-механичните показатели на масива като природна многофазна среда.
Под надеждност на технологичното управление на устойчивостта на откосите следва да се разбира способността им да се противопоставят на съвкупността от външни въздействия (натоварване, природно-климатични и технологични фактори) в продължение на зададен период от време с цел осигуряване на безопасни условия на работа и висока ефективност.
Въз основа на математическата статистика и теорията на вероятностите е заложена концепцията, че за всеки откос съществува вероятност от възникване на свлачищен процес, т.е. налице е риск от локална или пълна загуба на устойчивост [1].
Рискът се изчислява за такива наблюдавани събития, настъпването на които винаги е вероятно и може да бъде оценено. Числената стойност на риска често пъти съвпада със стойността на вероятността на събития в отделни опростени задачи, но има специален смисъл, позволяващ по-добре да се решат сложни технологични задачи. С помощта на теорията на риска, например, се предоставя възможността да се установи степента на достоверност на динамични параметри, заложени в изчисленията за влиянието на сеизмичността върху устойчивостта. За определяне на вероятността за възникване на свлачище е необходимо да се установят началните и граничните условия, които съответстват на този процес. Първият фактор, който трябва да се има предвид при решаването на задачата е анализ на влиянието на разуплътняването и изменението на естественото водно съдържание. Така например, в зоната на плъзгателната повърхнина глините претърпяват структурни изменение, в резултат на което съпротивлението на срязване намалява.
Обработването на данните от наблюденията за напрегнатото деформирано състояние трябва да се извършва с отчитане на теорията на риска. В основата на метода е заложен статистически обоснован неизбежен риск, при който откосът може да се свлече при конкретни условия. За оценка на риска се задава период от време, през който трябва да се осигури устойчивостта на откоса.
Вторият фактор е значимостта (категорията) на съоръжението, която може да се определи в зависимост от разходите за възстановяване на евентуални щети при възникване на свлачище. Като правило, увеличаването на риска намалява разходите за изземване на допълнителни обеми откривка, изграждане на външни насипища на по-малка площ за сметка на по-голямата височина и ъгъл на откосите на стъпалата и т.н., но в тези случаи свлачището може да се активизира по-рано от предвидения срок. За различните участъци в открит рудник или насипище очакваният риск също ще бъде различен. За получаване на оптимална стойност за риска трябва да се обезпечи устойчивостта на борда на рудника или насипището като цяло. Задава се целевата функция и обикновено оптимизацията е свързана с минимизиране на разходите за изземване, транспортиране и насипване на откривката. Най-рационалният метод за определяне на коефициента на надеждност е статистическото изчисляване с използване на теорията на риска.
Понастоящем за оценка на риска се използват качествени, количествени и смесени подходи. Качествената и смесената оценка на риска се основават на квалификацията и опита на специалистите и се приема в условията на недостатъчно данни. За количественото определяне на опасността от загуба на устойчивост на откосите на стъпалата и бордовете в открити рудници е необходима съответната количествена оценка на факторите, способстващи за развитието и активизирането на геодинамични процеси и явления (свлачища, срутища, сипеи и др.), респ. възникването на риск.
За отчитането на риска при оценка на устойчивостта на откоси може да намери приложение вероятностния математически модел, основан на метода на геодинамичния потенциал, предложен от Анисимова [1]. Идеята е да се изследват онези фактори, които най-силно влияят на устойчивостта. Като се предполага, че тези фактори действат независимо
един от друг се намира така наречения геодинамичен потенциал ^^^^^ •
Изчисляване стойността на геодинамичният потенциал става по формулата:
= 1 -П(1 - Рк)
(1) к=
където: рк е вероятността от възникване или активизиране на свлачище с определен признак k (водна и ветрова ерозия, неотектонски движения, техногенни въздействия и др.)
Като количествен показател за вероятността от възникване на деформационни процеси и явления по отношение на устойчивостта на откосите може да се използва т.нар. емпиричен риск, дефиниран в [2]. Рискът е представен с класическата формула за вероятност:
r=i - m
(2)
където m е броят на резултатите, при които задържащите сили са по-големи или равни на свлачищните, т.е. FS > 1; n - общият брой на резултатите от проведените изчисления за оценка на устойчивостта на откос.
В качеството си на пример е направена оценка на устойчивостта на работно стъпало при апроксимиране на плъзгателната повърхнина с уравнения от вида y=ax2+bx и y=ax3+bx2+cx, минаващи през петата на откоса. Необходимите входни параметри са: височина на стъпалото h (m), ъгъл на откоса на стъпалото a (...°), физични свойства - обемна плътност g, (t/m3), якостни показатели: ъгъл на вътрешно триене j (...°) и кохезия с (t/m2). Технологичните параметри могат да се вземат от реален профил за открит рудник и тъй като стойностите им се изменят в малък диапазон, в примера по-долу са приети за детерминирани, съответно h=14m, a=50°. Физичните свойства и якостните характеристики на масива се дават въз основа на лабораторни изпитвания на пробни тела, взети от различни участъци в рудника, по различно време (в случая са заимствани данни за синьозелените глини от надвъглищния комплекс в Източномаришкия въглищен басейн - 61 броя). Поради тази причина като входни параметри ще се използват получените за тях статистически разпределения, представени на фиг.1.
а)
б)
в)
1.71.751.81.851.91.95 2
Обемна плътност, t/m3
15 12 £ 9 I 6
3 0
5 5.5 6 6.5 7 7.5 8
Ъгъл на вътрешно триене, град.
12 1 / / /
10 /„ // /7 //■
' Из 8 /7 // / /
Ü 6 // //
t? 4 7/ у //
2 V / // '/ /;
0 7 / / / ' / /
3 3.5 4 4.5 5 5.5 6
Кохезия, t/m2
Фиг.1 Статистически разпределения на физико-механичните свойства
В таблица 1 са посочени стойностите на физичните и якостните показатели на синьозелените глини.
n
0
Таблица 1
Означение Минимална стойност Максимална стойност Средна стойност
Обемна плътност, у , г / ш3 1,7 2,0 1,84
Ъгъл на вътрешно триене, <р,...° 5 7 6,08
Кохезия, с, г / ш2 3 6 4,40
Използвайки класическите методи и схеми за оценка на устойчивостта на откоси [3" е разработена компютърна програма SlopeStabBG (автор гл.ас.М. Трифонова). Стартовият прозорец на програмата (фиг. 2) включва възможностите за въвеждане на входните параметри и получените резултати. В горната половина на прозореца се задават стойностите за технологичните параметри на стъпалото и физичните и якостните показатели. Предвидено е те да бъдат задавани като детерминирани величини (стойността им се задава в съответното текстово поле) или вероятностно в случай, че някой от входните параметри се представя с вариационен ред, т.е. приема се за случаен. Тогава трябва да се избере предвиденият за него бутон „Чети", при което се отваря нов прозорец, в който е необходимо да се определи файла, съдържащ натрупаните за въпросния параметър множество стойности. След прочитане на файла се намира комулативната функция за този параметър, с която функция се работи по-нататък в програмата, а в текстовото поле на параметъра (вляво от съответния бутон „Чети") се визуализира средната му стойност. Изборът на вида на повърхнината на плъзгане се извършва от списъчното поле в горния ляв ъгъл на прозореца. Към настоящия момент възможностите за избор са две: квадратна парабола или кубична функция.
" И1Ч»1СЛЛВ«Ч» МАвфниИНЛТ не ЧН1в4Т - У.
Фиг. 2. Основен прозорец на програмата за изчисляване на коефициента на устойчивост
В долната половина на прозореца чрез избора на бутона „Изчисли" се дава визуализацията на получените резултати. Програмата е апробирана за данните посочени в табл.1 и фиг.1. Получените резултати по-казват, че при така зададените входни параметри рискът от загуба на устойчивост при апроксимиране на плъзгателната повърхнина с парабола е R=40%. Увеличаването на степента на апроксимиращата функция от квадратна в кубична, води до намаляване на риска -R=35%, което трябва да се има предвид при технологичното управление на устойчивостта на откосите. Нашата цел е да намерим най-слабата повърхнина, която се получава при квадратната парабола
и следователно като основа за технологичните решения трябва да служи по-високият риск.
В заключение следва да се отбележи, че предложеният подход за оценка на устойчивостта на еднородни откоси с отчитане на риска, дава възможност да се отчете неопределеността на входните параметри (технологични и природни) и да се прогнозира вероятностно възникването на деформационни процеси. Разработеният програмен продукт SlopeStabBG дава възможност да се проиграят на практика значителен брой изчисления. Имайки предвид сложните инженерно-геоложки условия на разработване на находищата по открит начин, програмата може да бъде надградена с отчитане на допълнителни условия като сеизмични натоварвания, наличието на вода при изцяло потопени откоси или ниво на подземните води и други, което е предмет на бъдеща разработка.
Литература
1. Анисимова , И.И. Определение факторов риска активизации оползней. Сборник тезисов, Материалы XV Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-15, Кемерово-Томск), АСФ России, 2009. С.528-529.
2. Стоева, П. , Г.Трапов, П.Златанов. Оценка на устойчивостта на откоси с отчитане на прекъснатостта на масива. Годишник на МГУ "Св. Иван Рилски", Том 49, Св. II, Добив и преработка на минерални суровини, 2006.с.71-73.
3. Стоева, П., П. Златанов, Е.Александрова. Устойчивост на откоси и отводняване в открити рудници и кариери. София, 2005.
Рецензент: доц. д-р Светлозара Лилкова - Маркова
