CC BY
23
УДК 624. 131
Федорова Елена Алексеевна Elena Fedorova
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ОТВАЛОВ, НАГРУЖЕННЫХ ШАГАЮЩИМ ЭКСКАВАТОРОМ ПРИ ПОДРЕЗКЕ ОТКОСОВ
MODELING OF DEFORMATIONS EMBANKMENTS LOADED BY A WALKING EXCAVATOR OF THE SLOPES
Методом физического моделирования изучаются деформации отвалов, нагруженных шагающим экскаватором. Условия его работы анализируются при подрезке откосов отвалов различной высоты
Ключевые слова: отвалы, деформирование откосов, шагающий экскаватор
In this article the method of physiological model used in study deformations embankments loaded by a walking excavator is described. Conditions of a walking excavator are analyzed at undermin-ing of the slopes with different height
Key words: embankments, deformation of slopes, walking excavator
Публикация осуществлена при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (государственный контракт № 02.740.11.0363)
Открытый способ добычи россыпного золота, угля и ряда др. видов твердых полезных ископаемых выгодно отличается от подземного по себестоимости и производительности труда. Однако в результате выборочной отработки месторождений поверхностного типа для освоения остались сложные и глубокие залежи. В ряде случаев отработка богатых, глубоко залегающих залежей открытым способом эффективна, но сопряжена с существенным увеличением глубины карьеров и площадей, занятых отвалами. Повышения эффективности вскрышных работ и снижения экологической нагрузки на окружающую среду в таких условиях добиваются за счет применения шагающих экскаваторов большой единичной мощности, использования в качестве их рабочих площадок свежеотсыпанных песчано-глинистых отвалов и подрезки их откосов.
Однако при размещении драглайнов на отвалах ухудшаются условия их эксплуатации вследствие развития в основании их опорных элементов кренов и осадок, недопустимых по условиям безопасности.
Несмотря на многолетний опыт исследований деформаций экскаваторных отвалов, методики и результаты которых описаны в работах [1... 8 и др.], решены далеко не все вопросы, связанные со специфическими условиями разработки месторождений глубинного типа.
Так, при ведении вскрышных работ по бестранспортной схеме на наиболее глубоком участке Красноармейского месторождения россыпного золота возникла проблема обоснования возможности использования предотвала в качестве рабочей площадки шагающего экскаватора марки ЭШ-20/90, а также подрезки его откоса на заключительной стадии отработки заходки. С целью решения этой проблемы были проведены исследования на физических моделях, удовлетворяющих критериям подобия метода эквивалентных материалов, позволяющего моделировать деформации пород-
ных массивов. Результаты, полученные при реализации этого метода в различных условиях передачи дополнительных нагрузок на породные массивы, а также требования, предъявляемые к эквивалентным материалам, приведены в работах [7... 12идр.].
Сущность метода эквивалентных материалов заключается в воспроизведении изучаемого процесса или явления с сохранением его физической природы на моделях, выполненных из более «слабых» искусственных материалов, показатели физикомеханических свойств которых находятся в определенном соотношении с аналогичными показателями пород реального объекта. На основании общих положений теории подобия процессы разрушения массивов, воспринимающих дополнительные нагрузки, описываются следующей системой критериев:
с = а, х а хс ;
т і у п’
Чфт = №;
Р = Р а/За~1,
т п і у 5
где а1 — линейный масштаб модели;
(1)
а„
отношение удельного веса поро-
Масштаб моделирования из соотношения (4) составил
ЪФт ~ »; (2)
(3)
ст « сп1
а1 1 = ¡¡Ь =
с у
т/ п
с у
п/ т
с у
т/ п
(4)
(5)
ды в массиве ут к удельному весу эквивалентного ей материала уп;
с тс — сцепления;
пт ' 7
tgq>n и tgq>m — коэффициенты соответственно породы и эквивалентного ей материала;
Р и Р — вес экскаватора и эквивалеи-
п т 1
тная ему величина дополнительной нагрузки.
Условиям (2) и (3) и отвальной породе с характеристиками сп = 29,15 кПа, tgq>n =
0,55 и уп = 18,213 кН/м3удовлетворил искусственный материал, содержащий 97 % кварцевого песка и 3% веретенного масла, с характеристиками ст = 0,3588 кПа, tgфm = 0,51 шут = 14,512 кН/м3. Масштаб моделирования из соотношения (4) составил 1/65. В соответствии с условиями (5) и (6) в качестве модели базы экскаватора ЭШ-20/90 использован диск диаметром — ёт = 22,3 см, передающий на основание нагрузку — Р =62 кН.
* т
СпГт
Р = Р а- у I у (6)
т п I / п / / т.
На следующем этапе подбиралось покрытие основания. Условию равенства величине tgфm коэффициента трения на контакте основания с эквивалентным материалом удовлетворил брезент, пропитанный машинным маслом. На подготовленную таким образом поверхность перед формированием моделей отвалов наносились концентрические окружности, отстоящие друг от друга на расстояние, соответствующее увеличению угла откоса модели на 5”.
Модели готовились следующим образом. На подготовленной площадке из эквивалентного материала формировалась модель отвала в форме усеченного конуса, нижняя граница которого совпадала с нанесенной на основание окружностью, имеющей максимальный радиус. Затем устанавливался диск, имитирующий базу экскаватора.
В ходе эксперимента откос каждой модели подрезался по часовой стрелке до границы, отмеченной очередной окружностью. Цикл повторялся, если на сформированном откосе модели не появлялись признаки оползня. Всякий раз после изменения угла откоса по всему периметру проводились необходимые измерения. Положение центра диска контролировалось с помощью про-гибомера, а его крен измерялся уклономером.
Подрезка откоса первой модели, имеющей высоту Нт = 0,1 м, закончилась при угле откоса, равном 90 °. В процессе подрезки и в дальнейшем откос сохранял устойчивость. Осадка диска после подрезки откоса по всему периметру со временем стабилизировалась. Изменения положения
диска относительно горизонтальной плоскости не отмечено.
Модель высотой Нт = 0,2 м сохраняла устойчивость при угле откоса 80 °. Первый оползень начал формироваться, когда зона с углом откоса 85 0 расширилась до пределов сектора, равного 185°. Деформации откоса предшествовало образование в средней части этой зоны двух радиальных трещин. После смещения блока, отсеченного трещинами, с двух сторон от него появились новые трещины и сформировались новые блоки. В дальнейшем трещины образовывались и отсеченные ими блоки смещались до тех пор, пока границы оползня не достигли границ сектора. В дальнейшем очередной блок отделялся от откоса при расширении сектора на 4...6 °. В момент обрушения первого блока значение осадки
Рис. 1. Начальное состояние модели
увеличилось и продолжало расти в течение периода образования трещин и обрушения блоков. После подрезки откоса до угла 85 0 по всему периметру модели осадка стабилизировалась. В ходе опыта не зарегистрировано отклонение диска от первоначального положения.
Откосы моделей высотой 0,3 и 0,4 м теряли устойчивость при подрезке до углов соответственно 70 ° и 50 ° в пределах секторов 57 ° и 45 ° соответственно. В обоих случаях диск получал заметный крен. В третьем опыте (Нт = 0,3 м) его величина достигла 9 °, а в четвертом (Нт = 0,4 м) диск, получив крен в 21 °, сполз вниз по откосу.
О состоянии модели высотой 0,3 м на начальном и заключительном этапах ее подрезки дают представление рис. 1и2.
\ * 1
Рис. 2. Конечное состояние модели
В конце 2, 3 и 4 опытов, после снятия диска с модели, ее разрезали на две равные части тонкой пластиной из плексигласа, затем одну из частей убирали, а на пластину наносили контур линии скольжения. Очертания полученных контуров представлены на рис. 3.
Планы моделей и границы секторов изображены на рис. 4.
В результате анализа полученных результатов установлено:
— очертания верхних и нижних бровок откосов осесимметричных отвалов, использующихся в качестве рабочих площадок драглайна, после обрушения сохраняют
форму окружностей. Сдвиг отдельных блоков происходит после подрезки откоса до определенного угла в пределах сектора определенного размера. По мере увеличения высоты установки драглайна сектор, в пределах которого подрезка откоса приводит к развитию оползня, сужается, а крен в основании базы экскаватора увеличивается до значения, при котором становится возможным падение экскаватора;
— очертания верхних и нижних бровок откосов после обрушения сохраняют форму концентрических окружностей;
— профили обрушившихся откосов состоят из двух крайних, наиболее прямо-
линейных участков и среднего участка, в пределах которого кривизна линии существенно изменяется. Верхний участок линии профиля не является вертикальным и все больше отклоняется от теоретического положения по мере увеличений высоты модели. В пределах среднего участка угол наклона линии скольжения к горизонту принимает значения 65...82 °, не превы-
шающие теоретической величины (58,5 0) ненагруженного плоского откоса. Теоретическое значение угла наклона поверхности скольжения на ее нижнем участке равно 31, 5", его величина выходит за диапазон 50...55°, соответствующий второй модели, диапазон 43...45 °, соответствующий третьей модели, и диапазон28...30°, соответствующий четвертой модели.
Рис. 3. Характерные профили четырех моделей:
1 — профили откосов до разрушения; 2 — профили поверхностей скольжения
2 3 4 5
Рис. 4. Планы четырех моделей:
1 — границы секторов; 2, 3 ,4 и 5 — нижние бровки откосов моделей высотой 0,1;0,2;0,3и0,4м, подрезанных соответственно до углов: 90, 85, 70и50°
1
Экспериментально установлено, что процесс подрезки откоса модели отвала сопровождается осадкой в основании диска, имитирующего базу экскаватора, степень неравномерности которой повышается по мере увеличения высоты откоса. При высоте нагруженного отвала, равной 14 м, крен достигает первого критического уров-
ня. При большей высоте модели возникает угроза потери экскаватором устойчивости при подрезке откоса отвала даже в пределах небольшого сектора.
Таким образом, подрезать откосы песчано-глинистых отвалов высотой 15 м и более до критических углов даже в пределах небольших секторов не рекомендуется.
Литература
1. Демин А.М. Закономерности проявления деформаций откосов в карьерах. — М.: Наука, 1981. - 144 с.
2. Демин А.М. Устойчивость открытых горных выработок и отвалов. — М.: Недра, 1973. — 232 с.
3. Ермаков И.И. Обоснование предельных параметров отвалов, формируемых из разно-прочныхпород: автореф. дне. ...на соискание степени канд. техн. наук. — Л.: ЛГИ, 1988. — 14 с.
4. Загоруйко Л.П. Повышение устойчивости отвалов с помощью технологии открытых гор-ныхработ. — Киев, 1969. — 69 с.
5. Панюков П.Н., Ржевский В.В., Истомин В.В. и др. Геомеханика отвальных работ на карьерах. — М.: Недра, 1972. — 184 с.
6. Попов И.И., Окатов Р.П. Борьба с оползнями накарьерах. — М.: Недра, 1980. — 239 с.
7. Малюшицкий Ю.Н. Центробежное моделирование насыпей отвалов. — Киев: Науково думка, 1985. — 168 с.
8. Шпаков П.С., Поклад Г.Г., Рыбалкин Б.Д. Механизм деформирования пород в отвалах // Механикагорного массива. — Караганда, 1985. — С. 9-17.
9. Козлов Ю.С., Мочалов А.М. Подбор и определение физико-механических и деформационных характеристик при моделировании откосов // Сдвижение горных пород. — Л.: ВНИИ горной геомеханики и маркшейдерского дела, 1955. — Сб. № 59. — С. 6-9.
10. Кузнецов Г.Н., Ардашев К.А., Филатов H.A. и др. Методы и средства решения задач горной геомеханики. — М.: Недра, 1987. — 248 с.
11. Пушкарев В.И. Результаты моделирования предельного равновесия изотропных откосов круглых выемок // Сдвижение горных пород. — Л.: ВНИИ горной геомеханики и маркшейдерского дела, 1975. — Сб. № 96. — С. 116-120.
12. Сапожников В.Т. Моделирование откосов // Изв. вузов. — Горн, журн., I960. —№9,— С. 38-49.
Коротко об авторе________________________________________________ Briefly about the author
Федорова E.A., канд. техн. наук, доцент, Читинс- Е. Fedorova, F. Doctor of Technical Science, Assistant
кий государственный университет (ЧитГУ) Professor, Chita State University
Служ.тел.: (3022) 41-66-82
Научные интересы: механика грунтов и горных Scientific interests: rock and soil mechanics, physi-
пород, физическое и численное моделирование де- ological and computer model deformations of the em-
формаций отвалов bankments
