О совершенствовании метода расчета осадок горнотранспортного оборудования при его работе на отвалах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--© В. А. Бабелло, А.П. Криворотов,

2006

УДК 624.131.438

В.А. Бабелло, А.П. Криворотов

О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ МЕТОДА РАСЧЕТА ОСАДОК ГОРНОТРАНСПОРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ЕГО РАБОТЕ НА ОТВАЛАХ

звестно, что проходимость тяжелого горно-транспортного оборудования при его работе на отвалах зависит от величины осадок отвальных пород под его опорными поверхностями. Величину осадок в соответствии с «Методическими указаниями по расчету устойчивости и несущей способности отвалов» [1] прогнозируют путем использования метода послойного суммирования, основанным на теории линейно-деформируемой среды. Как видно из [1], осадка горно-транспортного оборудования определяется величиной действующих вертикальных сжимающих напряжений и значениями деформационной характеристики отвальной породы. Вычисление напряжений производится по формуле А. Лява или соответствующим таблицам. Не вдаваясь в подробный анализ этого метода определения напряжений отметим, что к настоящему времени накоплено достаточно много экспериментальных данных, свидетельствующих о концентрации напряжений вдоль центральной вертикали загруженного участка массива по сравнению с результатами решений, базирующихся на теории упругости. Результаты опытов Э.В. Арининой, Д.С. Баранова и др., Г.М. Бор-ликова, Б.М. Кованева и др., А.П. Криво-ротова и В.А. Бабелло, Г.М. Ломизе и др., А.И. Полищука, А.И. Работникова и др., Г. А. Скормина и др., В.М. Чикишева показали, что измеренные в опытах с квадратными (круглыми) и полосовыми штампами значения вертикальных напряжений в точках центральной вертикали штампов

отличаются от соответствующих напряжений в упругом решении в несколько раз.

Основным этапом расчета осадок горнотранспортного оборудования согласно [1] является определение осадок породы в каждом выделенном слое от веса породы и внешней нагрузки. Для этого, как правило, используют результаты испытаний отвальных пород на уплотнении в условиях их компрессионного сжатия. Рекомендуется использовать приборы с большой площадью поперечного сечения (диаметр кольца более 200 мм) с предварительным измельчением кусков породы до крупности 1/10-1/20 диаметра кольца. Относительные осадки, вызванные весом горнотранспортного оборудования, например, экскаватора, определяют как разницу между суммарной относительной осадкой 1пэ вызванной внешней нагрузкой и весом вышележащей толщи пород и относительной осадкой 1п только от собственного веса пород. Упомянутые параметры находят по соответствующей кривой уплотнения отвальных пород. Значения абсолютных осадок в каждом слое находят путем умножения относительных осадок породы от внешней нагрузки на мощность каждого слоя. В методике определения осадок отвальных пород [1] значения их деформационной характеристики принимаются только в зависимости от ожидаемого в отвале уровня вертикальных сжимающих напряжений. Причина такого подхода объясняется видимой простотой и малой трудоемкостью определения деформационных свойств пород, наличием необходимого для

их определения оборудования и приборов. Однако при сопоставлении результатов расчета и наблюдений за осадками штампов между ними часто наблюдаются существенные расхождения. Это связано прежде всего с недостоверной оценкой параметров деформируемости горных пород.

Многочисленными опытами установлена зависимость упомянутых параметров не только от уровня действующих в массиве пород напряжений, но и их соотношений [2, 3, 4]. При изменении внешней нагрузки значения деформационных свойств пород следуют изменению напряженного состояния в различных точках массива. Процесс изменения рассматриваемых свойств непрерывен, он не ограничивается фазами напряженного состояния массива. Следует отметить и проблему определения начального напряженного состояния и начальных значений деформационных характеристик отвальных пород. Процесс формирования массива отвальных пород часто протекает при изменяющихся условиях. Так, в соответствии с наиболее распространенной валовой технологией от-вало-образования, вскрышные породы поступают из разных забоев в различных соотношениях литологических разностей. Таким образом, породные отвалы в рассматриваемых условиях сложены на отдельных участках чистыми разностями пород, на других -смешанными породами, соотношения которых спрогнозировать довольно сложно. К началу нагружения такого отвала весом горнотранспортного оборудования он отличается существенной деформационной, прочностной неоднородностью и анизотропией. В этой связи выбор метода определения деформационных свойств отвальных пород может оказать решающее влияние на конечный результат расчета осадок горнотранспортного оборудования. В [1] рекомендуется использовать значения характеристик сжимаемости отвальных пород, установленными как натурными (с помощью штампа), так и лабораторными методами.

Что касается штампового модуля деформации Еш, характеризующего систему «штамп-массив пород», то бесспорным является экспериментально установленный факт зависимости этого показателя от размеров, формы, заглубления штампа при прочих равных условиях. С учетом этих обстоятельств нам представляется, что в формуле определения осадок отвала методом послойного суммирования правильнее использовать значения модуля деформации, установленные компрессионными испытаниями породы.

В этой связи возникает вопрос дальнейшего совершенствования методики подготовки и отбора образцов пород, а также технологии проведения испытаний.

Нами предлагается определять деформационные и прочностные свойства отвальных пород непосредственно на отвале, в т. ч. и в начальной стадии его уплотнения. Для этого:

- на поверхности яруса отвала 16 или на определенной его глубине подготавливают призму отвальной породы 1 , диаметр которой превышает диаметр кольца компрессионного прибора 2 (рис. 1);

- «Устройство для определения механических характеристик горных пород» (патент № 2199105) устанавливают над подготовленной призмой 1 , на поверхность призмы устанавливают кольцо компрессионного прибора 2, накрывают его металлической пластиной 3 и при помощи упомянутого устройства на кольцо 2 передают нагрузку N1, тем самым вдавливают призму 1 в кольцо с одновременным удалением излишков породы;

- плиту 6 через направляющие каналы 8 с помощью наклонных анкерных стержней 7 фиксируют на зачищенной поверхности выработки 4. Одновременно наклонные анкерные стержни 7 служат и для ликвидации возможности осадок плиты 6 (рис. 2);

Рис. 1

V с- г; ^ л 1

ч - -У*у * * * * - ч л> - г„

Рис. 2

Рис. 5

- кольцо 2 с породой при помощи режущего приспособления отделяют от массива отвальных пород с зачисткой верхнего и нижнего торца до горизонтальной поверхности; - поверхность выработки 4, где производился отбор кольца зачищается для возможности установки стальной плиты 6;

- на плиту 6 устанавливается компрессионный прибор 5, в который помещается кольцо 2 с породой, на верхнюю поверхность которой помещают штамп 9, соединенный с приборами для регистрации деформаций отвальной породы 10;

- с помощью «Устройства для определения механических характеристик горных пород» (патент № 2199105) к штампу 9 отдельными ступенями прикладывается вертикальная нагрузка N с фиксацией абсолютных и относительных деформаций отвальной породы от каждой ступени нагрузки. Величины нагрузки передаваемые на образец породы принимаются с учетом воз-можности отсыпки выше-лежащих ярусов отвала и веса горнотранспортного оборудования, например нагрузки от базы экскаватора 17 (рис. 4);

- полученные опытные данные используют для построения графика зависимости относительной величины сжатия в условиях компрессии ек от давления, вызываемого нагрузкой

Определение второй группы механических характеристик отвальных пород - прочностных может производиться в той же точке без изменения положения «Устройства для определения механических характеристик горных пород» (патент № 2199105). Для этого на цилиндр с отвальной породой 11, не отделенной от основного массива пород, устанавливают обойму 12, а на верхнюю поверхность породы, находящейся в цилиндре 11 устанавливают штамп 13 (рис. 3). В отличие от известной методики определе-

№

--к'-.-А

Рис. 4

ния прочностных свойств пород, изложенной в патенте № 2199105, перед началом испытания массив отвальных пород, расположенный ниже цилиндра с отвальной породой 11, подвергается обжатию вертикальной нагрузкой N передаваемой с помощью стального пригрузочного кольца 14;

- к штампу 13 прикладывают с помощью «Устройства для определения механических характеристик горных пород» вертикальную нагрузку N а к обойме 12 отдельными ступенями горизонтальное усилие Q вплоть до наступления момента среза породы по плоскости среза 15;

- полученные данные для трех испытаний одной и той же породы при различных значениях вертикальной нагрузки N используют для построения графика зависимости сопротивления породы срезу от вертикального давления с дальнейшим вычислением угла внутреннего трения и сцепления.

Необходимость применения пригру-зочного кольца 14 объясняется следующим образом. Рассматриваемые испытания проводятся по схеме незаглубленного срезаемого образца, так что нормальные уплотняющие образец напряжения на площадке среза не должны превышать величины первой критической нагрузки на массив пород. Эти нагрузки особенно для несвязных или малосвязных пород невелики. С другой стороны вертикальные напряжения от собственного веса вышеле-

жащих пород и веса экскаватора могут достигать достаточно больших величин. Произвольное назначение этих величин в программе испытаний отвальных пород на срез может привести к образованию зон пластических деформаций ниже предполагаемой плоскости среза с возникновением глубинного сдвига. Увеличение уплотняющих (сжимающих) давлений, действующих на образец, испытываемый в натурных условиях без отделения его от массива пород, можно обеспечить путем пригрузки поверхности этого массива, примыкающего к образцу. В предлагаемой схеме испытаний такая пригрузка осуществляется с помощью пригрузочного кольца 14 и прилагаемой к нему с помощью домкратов нагрузки N распределенной по подошве пригрузочного кольца 14 в виде вертикальных сжимающих давлений ст. При этом нагрузки N и N1 прикладываются одновременно.

Последующие расчеты осадок горнотранспортного оборудования выполняются в такой последовательности:

- производится разбивка отвала на расчетные слои 18 (рис. 4);

- в середине каждого расчетного слоя в точках 19 на вертикальной оси симметрии базы экскаватора определяют расчетом значения вертикальных ст1 и горизонтальных напряжений ст2 = ст3, вызванных собственным весом пород и весом экскаватора, а также их отношение а = ст1/ст3; при этом значении ст2п = ст3п вызванные собственным весом пород рассчитываются по формуле ст2п = ст3п = ^стД где \ - коэффициент бокового давления породы, принимаемый средним между гидро- и геостатическим, равным 0,7.

ЗночениялвюТ=досТовырныннынаиеним

aeéíaBafipsHKHpXAigjBitetTaoOfpBpíygexalío»

РОД =з аПХтеМ! ]К|ОР1?ерде[р|ОвкчкО®ффОТНОЯ|Т Т^ьнойавезйачёъйжа®^ войПреДдаХэТ:ОМз формуле е®на р^азрн^р!1 ОЙДеГлр61 нелОТНОМТЬ ЩдакныйФшиенроды,8 1=р ^ глуби ндеае

Гания срааСлетнОгк). слощениячислполиечаюТ пржнним ]®{'Темр(незв»диедс!ТвенНОр8ауОтвАт

ЛЯВа. применением кОлец с диамеТрами, сООТвеТС^ВУляюбимОТнОТрйбОвания^каЛМнюх ии¥ёрииОНТалзайий напpа6гчеí{lйУCJ;o,йчíИ(o(т= ВТИсТíву^€CУiйеíПрëДеЛOбiOOCТИ;(OТ^OЯйlВ.J ПО>: РНДЮур|зи19Т87^ прАменяюТ^ Тлдвие прло-

ж®енйОК;^лОйе;-МОра для связной пОрОдю - находях разницу между скОррекТирО-

1 р Sin. Ú9 11 i

важными с пОмОщью коэффициента k значениями ^ВТноСигелшОгО сжаТия пород каждого слоя от суммарной нарружи (все

породыеи⧧но)кскавадыэа5»8=пэ и-п^вызва»-

ными весом пород еэ = епэ - еп; используются Значения парамеТров проч- полученные результата ОТносительных

HO:CТ(Ик-пOГlO^ТIВSH»sЭKCIТPВгíТOPаcPуМíí(ЦiПа--

юния мОЩносТч(каждОгО1сыТны1м пуТем не-^рвдйыннюТдаодаш мосТаод^евсиз-

росчеТн°1Хвслйе1в и получаюТ общую осадку; - выгаисляюТ ОТношение верТикальных

и Г°ризжвщыхо®пражшй допускао-

миыХ к<°МаaреCCИ°HсHKíiВХlТ°рíЫIТíанl°Жиaкае^М](IМ[ (ра&чеТв&ым) . кщффсйвваниНуасоонасппро-дТаыв;ления делаюТ вывод о проходимосТи экскаваТора по ОТвалу.

-СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ-

1. Методические указания по расчету устойчивости и несущей способности отвалов. - Л.: ВНИМИ, 1987. - 123 с.

2. Рассказов Л.Н., Якиманская Т.А. Исследование прочностных и деформационных характеристик сафедобской супеси в приборе трехосного сжатия.// Науч. Тр. ВНИИ ВОДНЕО,- Вып.33.- Гидротехника. - М, 1972. - С. 68-72.

3. Лобанов И.З. Влияние напряженного состояния на деформируемость сыпучих грунтов// Тр. НИИЖТа.- Вып.28/ Вопросы инженерной геологии, оснований и фундаментов.-Новосибирск, 1962.- С.107-120.

4. Криворотов А.П., Райс П.П. Результаты экспериментального исследования изменяемости деформационных и прочностных характеристик песка при сложном напряженном состоянии// Изв. Вузов. Строительство и архитектура.- 1982. № 3. - С.28-32.

— Коротко об авторах -

Бабелло В.А. - кандидат технических наук, доцент Читинского государственно] Криворотов А.П. - доктор технических наук, профессор Новосибирского госу хитектурно-строительного университета