Численно-аналитический способ расчета устойчивости карьерных откосов с учетом временного фактора Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© П. С. Шпаков, С.Б. Ожигина, Б.Н. Цай, С.Г. Ожигин,

А. П. Шпакова, 2005

УДК 622.1:622.271

П. С. Шпаков, С.Б. Ожигина, Б.Н. Цай,

С. Г. Ожигин, А.П. Шпакова

ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ СПОСОБ РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ КАРЬЕРНЫХ ОТКОСОВ С УЧЕТОМ ВРЕМЕННОГО ФАКТОРА

Семинар № 1

арактерной особенностью совре-

-¿V менного этапа развития открытой добычи полезных ископаемых является увеличение предельной глубины и интенсивности горных работ на действующих карьерах и вовлечение в эксплуатацию сложно-структурных месторождений. В этих условиях вопрос об определении оптимальных параметров бортов карьеров и обеспечении их устойчивости приобретает первостепенное значение. Правильное решение вопросов обеспечения устойчивости карьерных откосов зависит от максимально учета геологических и горнотехнических условий разработки месторождений, к которым относятся: геологическое строение месторождения, физико-механические свойства горных пород, структурно-тектонические особенности, трещиноватость прибортовых массивов карьера, технология ведения горных работ, тип применяемого технологического оборудования, срок службы карьера и т.д.

Численно-аналитический способ расчета устойчивости карьерных откосов, имеющий широкое применение, [1, 2] позволяет учесть ряд природных и техногенных факторов, влияющих на равновесие прибортового массива, таких как литологическая неоднородность, пликативная и дизъюнктивная тектоническая нарушенность, трещиноватая структура пород, слагающих откосы уступов и борта карьеров, гидрогеологические условия месторождения, проведенные горные выработки, инженерные и транспортные сооружения, внешние нагрузки от горно-транспортного оборудования, сейсмическое воздействие взрывов, влияние инженерных средств, укрепляющих откосы и борта карьера и т.д. Использование данного способа расчета обеспечивает оперативность, точность и детальность расчетов.

Численно-аналитический способ обладает высокой чувствительностью к изменению влияющих факторов, что позволяет установить наиболее достоверные параметры предельных откосов. Универсальность данного способа расчета позволяет учитывать при расчетах устойчивости карьерных откосов и временной фактор т.е. изменение прочности пород во времени.

Из многочисленного ряда факторов, влияющих на устойчивость бортов карьеров, прежде всего, следует выделить прочностные и деформационные свойства горных пород, слагающих прибортовые массивы карьеров. Известно [3, 4], что механические характеристики пород зависят от временного фактора (времени нагружения или скорости деформирования), поэтому, безусловно, устойчивость прибортового массива будет зависеть от времени обнажения пород в карьерном откосе.

Принципиальная возможность учета временного фактора следует из кинетической теории прочности [5], согласно которой значение касательных разрушающих напряжений может быть представлено в виде

, (1)

7

где к - константа Больцмана; Т - абсолютная температура твердого тела; Г0 - период колебания атома в кристаллической решётке; Г -время нагружения; Ц0 - начальная энергия активации разрушения, у - коэффициент структуры.

Установлено [6], что макроскопические прочностные свойства горных пород определяется деформационными и разрывными

Рис. 1. Разрез по разведочной линии А

процессами, происходящими на микро- и мезоскопическом

уровнях, а временные эффекты в виде реономности определяются скоростью протекания этих процессов на указанных уровнях.

Сопротивление срезу на элементарной площадке тг- = т^т2а =

т^т(90о-р) (где а - угол наклона площадки скольжения; р - угол внутреннего трения), тогда, принимая во внимание (1) можно получить уравнение огибающей

Т --

kT(ln t -ln t)+U

У

sin(900 —p)'

(2)

В [6] установлено, что коэффициент структуры у и угол (коэффициент) внутреннего трения р независимы от временного фактора, а изменяются при варьировании бокового давления а2 и что между у и tg р существует корреляционная связь.

Уравнение Кулона - Море имеет вид

т-K+а • tgp, (3)

i п

где К - сцепление породы, определяемое как точка пересечения касательной к огибающей с осью ординат, ап - нормальное напряжение на элементарной площадке.

Учитывая криволинейный характер огибающей, сцепление породы К = varia, tg р = varia. С учётом изложенного, подставив выражение (2) в (3) и преобразовав его получим

(4)

K =

kT (ln t -ln t)+U° rOJ

sm[9°° -^Оз)]-antgp(aj

Уравнение (4) можно выразить главные напряжения &] и а2 как

через

kT (ln t -ln t)+U

K --------°---------°■sin[90°-p(a )]-

3 (5)

-|ст1 [90 -р(оз)]+о2-008 (90 -p(0з)ygp(0J

Так как у = / ^р), то можно сделать вывод

о сложной взаимосвязи сцепления со структурными особенностями породы, временно - температурным фактором и параметрами, характе-литы; аргиллиты; переслаивание песчаноглинистых пород и глины. Прочностные ха-

ризующими деформационные и разрывные процессы на микроскопическом уровне, а также напряженное состояние.

Используя способы нахождения и0 и у, приведенные в [6], можно определить сопротивление Срезу Гг- сцепленные породы К И угол внутреннего трения р с учетом временного фактора. Выполненные теоретические исследования дают возможность учета фактора времени при решении практических задач обеспечения устойчивости карьерных откосов.

Согласно [7] в расчетах устойчивости бортов карьеров используют характеристики прочности пород, соответствующие концу отработки карьера. В то же время на практике часто возникают задачи обеспечения временной устойчивости борта карьера.

Так, например, при отработке пласта 1В1 в западной части северного борта Шубар-кольского угольного разреза (рис. 1) возникла необходимость обеспечения нормативной устойчивости борта карьера на срок 1 = 5 месяцев.

К этому времени на месте выемки угля должна быть отсыпана упорная призма из вскрышных пород для обеспечения долговременной устойчивости борта.

Задачи такого типа могут быть успешно решены, если установить расчетные характеристики прочности для заданного интервала времени нагружения (в нашем примере 1 = 5 месяцев).

Приоткосной массив горных пород в районе выходов угольных пластов 1В и 2В представлен аргиллитами, алевролитами, окисленными углями и глинами. Борт карьера нагружен отвалом вскрышных пород. На основе анализа результатов исследований выделены три основные литологические разности: выветрелые аргил-

рактеристики пород асж следующие: выветрелые аргиллиты (глубина- 10-20 м) - 2,0

МПа; переслаивание песчано-глинистых пород - 7,4 МПа; аргиллиты - 11,0 МПа. Прочность глин принята не больше чем у выветре-лых аргиллитов. Окисленные угли и алевролиты представлены незначительно

Численно-аналитический способ расчета устойчивости карьерных откосов позволяет успешно решать вопросы обеспечения устойчивости с учетом временного фактора. Расчеты выполнены на основе методики, разработанной учеными КарГТУ основные положения, которой представлены выше, с использованием специальной программы 8р08Ь33.

Прочностные характеристики горных пород сцепление к и угол внутреннего трения р для основных литологических разностей прибортового массива, полученные с учетом временного фактора (времени нагружения борта), приведены в табл. 1.

В отличие от сцепления к величина угла внутреннего трения р не изменяется во времени. Изменение сцепления во времени представлено на рис. 2.

Анализ показывает (табл. 2), что временное сцепление ^ (5дней, 5мес., 5 лет) для всех разновидностей пород выше долговременного к (50 лет).

Отсюда следует вывод: если за небольшой промежуток времени произвести выемку угля и затем пригрузку откоса вскрышными породами устойчивость откоса будет обеспечена.

Исследованиями [6] подтверждено, что величина угла внутреннего трения, полученного в лабораторных условиях на образцах, за счет масштабного фактора (размер структурных блоков) снижается. Расчетные прочностные характеристики горных пород, полученные с учетом масштабного фактора для различного времени нагружения борта, приведены в табл. 3.

Кроме прочности пород по массиву в расчетах устойчивости карьерных откосов нас интересует и контактная прочность пород. В силу физической сущности процессов деформирования пород можно также предположить, что кратковременная контактная прочность аналогично выше долговременной.

Поэтому, принятые параметры контактной прочности можно использовать, введя в характеристики сцепления коэффициент к '/к = 1,27 (для 1 = 5 мес.) учетом коэффициента запаса и3=1,3 для расчета по контактам приняты следующие параметры прочности: углистые породы к =4,88*10-2 МПа; р =140; аргиллиты к =5,86*10-2 МПа; р =18,10; песчано-глинистые породы к =1,95*10-2 МПа; р =13,20.

Выполненный расчет показывает, что устойчивость прибортового массива в течение 1 = 5 мес. обеспечивается в пределах нормативного запаса устойчивости.

Сводная ведомость расчета устойчивости борта разреза по разведочной линии А:

Расчет по программе 8ро8Ъ33 Разведочная линия А ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ количество узловых точек ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ МШ= 5

Рис. 2. Изменение сцепления во времени

Результаты определения коэффициента запаса устойчивости н3.у

Время нагружения борта Угол откоса борта ач>=350

Нгф.=180м Нгф.=110м Нир.=27м

5 дней 1,089 1,115 1,234

5 мес. 1,053 1,080 1,140

5лет 1,026 1,039 1,069

50 лет 1,000 1,000 1,000

1 Х=-4 У= 14 пто= 1

2 Х= 90 У= 33 пго= 0

3 Х= 112 У= 40 пго= 0

4 Х= 144 У= 60 пго= 0

5 Х= 175 У= 87 пго= 0 БОРТА NNN1= 10

1 Х1=-4 У1= 14 пго1= 1

2 Х1= 0 У1= 20 пго1= 0

3 Х1= 5 У1= 20 пго1= 0

4 Х1= 47 У1= 42 пго1= 0

5 Х1= 57 У1= 42 пго1= 0

6 Х1= 62 У1= 47 пго1= 0

7 Х1= 114 У1= 65 пго1= 0

8 Х1= 123 У1= 65 пго1= 0

9 Х1= 170 У1= 91 пго1= 0

10 Х1= 175 У1= 87 пго1= 0

КОЛЛИЧЕСТВО СЛОЕВ п1= 2 контактов горных пород пк= 1 контакт N 1

количество узловых точек кЬ= 2 ш= 0

0 40 0

109 40 0

оо= 3.415 £й= 13.60068 gg= 2.125

1 о= 4.88 0%= 4.88 й= 14 fiw= 14 g=

2.25 gh= 2.25

2 с= 1.95 cw= 1.95 fi= 13.2

&«= 13.2 g= 2 gh= 2

ук 1.034655

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА К.З.У. ПО И= 1 К.З.У. ПО С= 1

к.з.у по силам п= 1.034655 ffi= 13.77295 сс= 3.70797

gg= 2.093122 а1= 23.87077 h= 77 Б= 53.02054 г= 195.6021 h90=0

Для получения качественной картины изменения параметров предельных откосов в

зависимости от времени нагружения борта произведен расчет предельной высоты Ипр, предельного угла апр и коэффициента запаса устойчивости п3 у для заданных типов пород (выветрелые аргиллиты, аргиллиты, переслаивание песчано-глинистых пород). Результаты расчетов представлены в табл. 4, 5.

Результаты определения изменения коэффициента запаса устойчивости п3 у в за -висимости от времени нагружения борта для параметров бортов, соответствующих предельному состоянию откосов при времени нагружения 50 лет (табл. 5).

Изменение параметров предельных откосов во времени составили для предельной высоты Ипр 1,37^1,51 раза, для предельного угла апр 1,10^1,4 раза, коэффициент запаса устойчивости пзу изменяется в 1,09^1,23 раза.

Выводы.

Приведенные примеры показывают, что имеется достаточно широкий диапазон параметров предельных откосов в зависимости от времени стояния (нагружения), поэтому можно с успехом управлять временной устойчивостью откосов на горных предприятиях.

Полученные результаты исследований могут быть использованы при решении ряда оперативно-технологических задач, например, определение параметров временного внутреннего отвала на заданном участке борта карьера, определение допустимой внешней нагрузки на откос для заданного интервала времени, отработка полезного ископаемого с последующей засыпкой отработанного пространства и другие задачи.

---------------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шпаков П. С., Попов И.И. Расчет параметров 2. Шпаков П. С., Поклад Г.Г., Ожигин С.Г., Омаров

карьерных откосов на основе численно-аналитических С. Т. Расчет устойчивости реальных карьерных откосов

методов /Горный журнал. - 1988, №1. - С.26-28.

для геомеханической модели неоднородного массива Известия ВУЗов. Горный журнал, 1991, №9, с.51-55.

3. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность торных пород. - М.: Недра, 1979, 301 с.

4. Кучерявый Ф.И, Михалюк А.В., Демченко Л А. Энергия активации и энергоемкость разрушения горных пород //Изв.вузов. Горн.журн. - 1980. - №5.

5. Регель В.Р., Слуцкер А.К., Томашевский Э.К. Кинетическая природа прочности твердых тел. - М.: Наука, 1974, 376 с.

6. Окатов Р.П., Низаметдинов Ф.К., Бондаренко Т.Т. Учет временного и температурного факторов при построении критериев прочности горных пород. Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых, №2, 2003, с. 38-42.

7. Методические указания по определению углов наклона бортов откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. - Л: ВНИМИ, 1972. - 164 с.

Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------------

Шпаков П.С. - профессор, доктор технических наук, Муромский институт Владивостокского государственного университета.

Ожигина С.Б. -ст. преподаватель,

Цай Б.Н - доцент, кандидат технических наук,

Ожигин С.Г. - доцент, кандидат технических наук,

Карагандинский государственный технический университет.

Шпакова А.П. - студентка, Муромский институт Владивостокского государственного университета.

----------------------------------------------- © С. С. Мининг, 2005

УДК 622.271:622.357.4 С. С. Мининг

НОРМИРОВАНИЕ ЗАПАСОВ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ ПО СТЕПЕНИ ПОДГОТОВЛЕННОСТИ К ДОБЫЧЕ В КАРЬЕРЕ ОАО «ЛЕБЕДИНСКИЙ ГОК»

Семинар № 1

¥ ¥ ормирование запасов по степени под-Л.Л. готовленности к добыче регламентируется в настоящее время инструктивнометодическими руководствами [1-3], выполненными в основном в восьмидесятые годы прошлого века применительно к требованиям плановой экономики СССР. Со времени утверждения указанных документов прошел значительный срок, изменились не только подчиненность предприятий, но и весь экономический строй, претерпели резкое изменение технико-экономические показатели комбинатов.

В действующих инструкциях расчеты нормативов готовых к выемке запасов выполня-

лись с учетом требований к усреднению лишь одного полезного компонента - железа.

Основной упор должен быть сделан на совершенствование методики нормирования готовых к выемке запасов с учетом следующих основных изменений:

• необходимость в рыночных условиях усреднения добываемых железистых кварцитов по технологическим типам руд;

• резкое ужесточение требований к стабилизации качества добываемых руд.

В процессе нормирования решались следующие задачи:

• анализ геологических, горнотехнических, технологических и других факторов, оп-