CC BY
37
© В.А. Стетюха, 2002
УДК 622.271
В.А. Стетюха
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОТТАИВАЮЩИХ ОТКОСОВ ТЕХНОГЕННЫХ ГОРНЫХ МАССИВОВ
У
величение емкости отвальных насыпей с одновременным обеспечением их устойчивого состояния является актуальной проблемой горного производства. Оптимальное размещение пород из вскрышной заходки в выработанном пространстве, некоторые конструктивные и технологические мероприятия позволяют сократить расходы на транспортирование и переэкскава-цию, уменьшить размеры горного отвода. Для достижения этих целей применяют увеличение угла откоса и высоты отвала, армирование, управляемую отсыпку пород с различными свойствами на отдельные участки. Устойчивость отвала с увеличением его угла откоса и высоты может обеспечить естественное промораживание при укладке пород.
Последующая организация технологического цикла при добыче полезного ископаемого должна осуществляться с учетом оттаивания пород на откосе в весенний период и их возможного оползания. Характер поведения породы приот-косного массива с наступлением теплого периода в значительной мере определяет возможность проведения последующих этапов горных работ. В целях безопасного выполнения очередных этапов работ у подошвы откоса состояние пород оттаявших откосов должно достоверно прогнозироваться. С этой целью проведены исследования устойчивости откосов по ряду параметров, влияющих на их состояние. К таким параметрам отнесены глубина оттаивания, высота отвала, влажность пород, угол откоса.
На глубину сезонного оттаивания пород значительное влияние оказывает экспозиция склонов. В условиях Забайкалья глубина оттаивания на
склонах южной экспозиции может достигать 4-5 м, на склонах северной экспозиции 2-3 м [1]. Кроме того, глубина оттаивания в значительной степени зависит от влажности и состава пород. Многочисленными исследованиями установлен характер изменения влажности деятельного слоя пород с изменением сезонов. Зимой при наличии двух фронтов промерзания влага одновременно перемещается из средней зоны деятельного слоя к его поверхности и к нижней границе. Весной при оттаивании пород влажность у поверхности массива до глубины около 0.5 м уменьшается. Уменьшается она и у границы мерзлых пород. Это происходит за счет высыхания поверхностных слоев и в результате миграции влаги к средней зоне деятельного слоя. По результатам наблюдений [1] повышенная влажность отмечалась на глубине (0.5-0.7)* И, где И - высота оттаивающего слоя. При этом колебания влажности в нижней и средней зонах слоя составляют до 5%. Колебания влажности верхнего слоя - более значительны и зависят от характера и интенсивности увлажнения поверхности под действием внешних факторов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ
Высота отвала Н, м Состояние откоса при оттаивании пород на глубину Ь, м
1,4 2,8 4,2
Влажность Ш=25%
10 Состояние откоса устойчивое. Зоны пластических деформаций отсутствуют Состояние откоса устойчивое. У бровки отвала образуется зона разрыва. Состояние откоса устойчивое. У бровки отвала образуется зона разрыва.
20 1 1 1 1 1 1
30 1 1 1 1
Влажность Ш=30%
10 Состояние откоса устойчивое. Зоны пластических деформаций отсутствуют Состояние откоса устойчивое. Отмечаются единичные разрывы у бровки отвала Вдоль всей границы контакта мерзлых и талых пород отмечается пластическое состояние. В верхнем слое у бровки отвала - разрывы.
20 1 1 У бровки в верхней части отвала образуются зоны разрыва. 2/3 границы контакта мерзлых и талых пород, начиная сверху, переходят в пластическое состояние Вдоль всей границы контакта мерзлых и талых пород отмечается пластическое состояние. В верхней части у бровки отвала и у его подошвы появляются разрывы.
30 1 1 1 1 Откос теряет устойчивость. Талая порода перемещается вниз.
Влажность Ш=35%
10 Состояние откоса устойчивое. Зоны пластических деформаций отсутствуют Вдоль всей границы контакта талых и мерзлых пород - пластическое состояние. В верхнем слое у бровки отмечается зона разрыва Все талые породы находятся в пластическом состоянии. У бровки и у подошвы отвала отмечаются разрывы.
20 1 1 Вдоль всей границы контакта талых и мерзлых пород - пластическое состояние. У бровки и у основания отвала -разрывы. Откос деформируется. Откос теряет устойчивость. Талая порода перемещается вниз.
30 1 1 1 1 Откос теряет устойчивость. Талая порода перемещается вниз.
Влажность отсыпаемых пород определяет физико-механические характеристики массива пород в зоне оттаивания. Минимальное сопротивление сдвигу отмечается в самом влажном слое оттаявшей породы, который расположен вблизи от зоны фазового перехода. Как следует из результатов экспериментов Г.И. Бондаренко [2] и других исследователей, с увеличением влажности сцепление породы с и угол внутреннего трения ф значительно уменьшаются.
В работе исследуются вопросы сохранения устойчивого состоянии пород отвалов при их оттаивании в теплый период года. Схема расположения талых и мерзлых пород формируется на основе вычислений [3] с использованием теории тепло-массопереноса, физико-технических характеристик пород на площадке и информации о природноклиматических условиях региона. Анализ устойчивости отвалов про-
изводился с помощью вычислений методом конечных элементов. Применялось упругопластическое решение задачи с использованием модели Кулона-Прандтля [4]. При напряжениях меньших предела текучести поведение породы согласно этой модели считается упругим. При напряжениях превышающих предел текучести, учитывается равнообъемное пластическое течение. Сформулированная упругопластическая задача решалась методом начальных напряжений с использованием итерационной процедуры.
Выполнены исследования устойчивости оттаивающего отвала с углом откоса а = 35°, приводимого на рисунке. Высота отвала Н варьировалась от 10 до 30 м. Оттаявшая часть породы по одному из вариантов расчетных схем обозначена серым тоном. Светлая часть массива находится в мерзлом состоянии. На рисунке показана разбивка расчетной схемы отвала на конечные эле-
менты. В качестве характеристик мерзлой породы были приняты: Е = 106 кПа, V = 0,3, с = =1000 кПа, ф = 17° и у = 20 кН/м3. Физикомеханические характеристики талых пород (суглинков) у поверхности отвала изменялись в зависимости от влажности в соответствии с рекомендациями работы [3].
Результаты оценки устойчивости откосов, оттаивающих на глубину 1,4, 2,8 и 4,2 м, приводятся в таблице. Представленные результаты расчета откосов методом конечных элементов позволили оценить их напряженное и деформированное состояние в зависимости от высоты отвалов, влажности оттаявших пород и глубины оттаивания.
Анализ некоторых итогов вычислений показывает, что откос, оттаивающий на глубину 1,4 м, при любом из рассматриваемых вариантов сохраняет устойчивое состояние при полном отсутствии в породах пластических деформаций. С уве-
личением глубины оттаивания до 2,8 м состояние откоса в значительной степени зависит от увлажнения породы. При влажности 25% состояние откоса по-прежнему остается устойчивым при любой из высот, хотя у бровки отвала образуются незначительные зоны разрыва. При влажности 30% значительная часть слоя на границе талых и мерзлых пород переходит в пластическое состояние, но откос не деформируется. Деформирование откоса, оттаявшего на указанную глубину, происходит при влажности 35% и высоте 20 м. При оттаивании откоса на глубину 4,2 м при влажности 25% и достижении отвалом высоты 30 м вдоль границы контакта талых и мерзлых пород образуется обширная зона пластических деформаций, выделенная на рисунке тем-
ным тоном. С увеличением влажности до 30% зона пластических деформаций в талой породе при любой высоте отвала распространяется на всю его высоту. При достижении отвалом с указанной влажностью талого слоя высоты 30 м порода перемещается по фиксированной поверхности вниз.
Откосы с углом а = 45°, оттаивающие на глубину 1,4 м, при любой высоте и влажности сохраняют устойчивое состояние. При оттаивании слоя 2,8 м с влажностью Ш = 35% откосы теряют устойчивость при всех рассмотренных вариантах высоты, при влажности 30% - только при высоте Н = 30 м. При оттаивании слоя 4,2 м с влажностью Ш = 35% талый грунт перемещается на откосе при всех вариантах высоты,
а при влажности 30% - начиная с высоты 20 метров.
В результате расчета откоса по рассмотренной методике на устойчивость отслеживается влияние отдельных факторов на его состояние. Такой подход позволяет для конкретных горно-геологических условий региона подбирать оптимальные размеры отвалов. На основании прогноза устойчивости отвалов могут быть получены графики их отсыпки для каждого конкретного месяца и технологические схемы проведения добычных работ на смежных участках. Экономический эффект от предлагаемых мероприятий может быть достигнут за счет увеличения высоты отвала или его отдельных ярусов, а также за счет разницы в расстояниях транспортирования отвальной массы.
1. Сальников П.И. Устойчивость фундаментов зданий на мерзлых грунтах в Южном Забайкалье.- Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН, 1996.-208 с.
2. Бондаренко Г.И. Исследование сопротивления сдвигу и влажности сезоннооттаивающих грунтов, откосов и склонов. Сб.: Реология грунтов и инженерное мерзлотоведение .- М.: Наука, 1982.- С. 148-153.
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Стетюха В.А. Прогноз водно-теплового режима горных пород и грунтов в условиях распространения многолетней мерзлоты: Учебное пособие .- Чита: Чит-ГТУ,1999 .- 77 с.
4. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике.- М.: Недра, 1987.- 221 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Стетюха Владимир Алексеевич - доцент, кандидат технических наук, Читинский государственный технический университет.
