Об устойчивости формируемого автосамосвалом и отвалообразователем борта отвала Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ОБ УСТОЙЧИВОСТИ ФОРМИРУЕМОГО АВТОСАМОСВАЛОМ И ОТВАЛООБРАЗОВАТЕЛЕМ БОРТА ОТВАЛА

Арестакес Арамович Крамаджян

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН), 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, к.т.н., с.н.с. лаб. повышения устойчивости оснований, тел. (383) 217-01-71, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

Евгений Павлович Русин

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН), 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, к.т.н., с.н.с. лаб. повышения устойчивости оснований, тел. (383) 217-07-38, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

Станислав Борисович Стажевский

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН), 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, д.т.н., заведующий лаб. повышения устойчивости оснований, тел. (383) 217-07-63, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

Гил Нам Хан

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.

Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН), 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, к.ф.-м..н., с.н.с. лаб. повышения устойчивости оснований, тел. (383) 217-05-78, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

В ИГД СО РАН разработана компьютерная программа для моделирования механических процессов, протекающих в массиве горных пород при нагружении. Адекватность алгоритмов программы подтверждена сравнением расчетных и экспериментальных данных. Проведено моделирование нагружения отвального массива при его формировании автосамосвалом и отвалообразователем. Установлены механические параметры массива, при которых на всех стадиях его нагружения борт отвала сохраняет устойчивость.

Ключевые слова: метод дискретных элементов, отвал, автосамосвал, отвалообразова-тель, устойчивость.

ON THE STABILITY OF A WASTE PILE SLOPE FORMED WITH A DUMP TRUCK AND A SPREADER

Arestakes A. Kramadjian

N.A. Chinakal Institute of Mining Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny Pr., Base Stability Enhancement Lab, PhD, senior researcher, phone +7_(383) 217-01-71, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

Evgeny P. Rusin

N.A. Chinakal Institute of Mining Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny Pr., Base Stability Enhancement Lab, PhD, senior researcher, phone +7_(383) 217-07-38, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru Stanislav B. Stazhevsky

N.A. Chinakal Institute of Mining Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny Pr., Base Stability Enhancement Lab, DrSc, laboratoty head, phone +7_(383) 217-07-63, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

Guil Nam Khan

N.A. Chinakal Institute of Mining Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny Pr., Base Stability Enhancement Lab, PhD, senior researcher, phone +7_(383) 217-05-78, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

A computer code is developed at the Institute of Mining SB RAS to model mechanical processes in a rock mass being under the action of loads. The program algorithms’ adequacy confirmed by comparison of calculated data to experimental results. A waste pile loading when forming the pile with a dump truck and a spreader was modeled. The waste pile mechanical parameters were found providing for the pile slope stability at all stages of loading.

Key words: discrete element method, waste pile, dump truck, spreader, stability.

Одной из составных частей открытых горных работ является отвалообра-зование вскрышных пород, когда наибольшее количество горной массы доставляется в отвалы автотранспортом. Большегрузные самосвалы разгружаются вблизи бровки таких насыпей или по периферии отвального фронта [1]. Возникающие при этом нагрузки на формируемый массив способны спровоцировать в нем оползневые явления и таким образом привести к аварийным ситуациям и значительному ущербу. В ИГД СО РАН с целью обеспечения безопасности работ при автомобильном отвалообразовании создан отвалообразователь [2, 3]. Он позволяет увеличить расстояние от зоны разгрузки самосвала до бровки создаваемого отвального уступа и тем самым уменьшить опасность потери последним устойчивости.

Для оценки такой угрозы при формировании уступа указанным способом создана компьютерная программа DEM2D. В ее основу положены метод дискретных элементов [4] и разработанная в ИГД СО РАН модель дискретной среды [5, 6]. Программа предназначена для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород, сыпучих материалов и грунтов, в частности, массива, находящегося под воздействием статических и динамических нагрузок от машин и механизмов, которые применяются при отвалообразова-нии.

С целью проверки адекватности алгоритмов, заложенных в программу DEM2D, численно смоделировано квазистатическое вдавливание штампа в область, примыкающую к верхней бровке песчаной насыпи, и сделано сравнение результатов расчетов с данными лабораторных опытов (рис. 1 и 2). Эксперименты проводились в плоском стенде с прозрачными стенками с привлечением методов просвечивания [7] (см. рис. 1а, б) и визиопластичности [8] (см. рис. 2а, б). Это дало возможность проследить за трансформацией деформированного состояния отвала при нагружении и происходящими внутри массива структурными изменениями.

а а

Рис. 1. Деформирование насыпи при вдавливании в нее штампа: экспериментальные картины деформирования (а, б), и расчетное поле скоростей частиц, слагающих насыпь (а' б'); (рт = 17° (а, а'); (рт = 34° (б, б')

а а'

Рис. 2. Развитие деформаций в массиве под действием штампа: эксперимент (а, б), расчет (а’, б’); 8= 0.25 (а, а’), 8= 0.5 (б, б’)

Эксперименты проделаны в стенде с двумя типами днища - гладким и шероховатым. Угол (рт трения материала насыпи по ним составил 17 и 34° соответственно. Установлено, что в первом случае в насыпи от дальнего по отношению к ее бровке угла вдавливаемого штампа и вплоть до основания нарезается полоса скольжения, которая практически параллельна свободному откосу

(см. рис. 1а). Во втором случае от того же угла штампа в нагружаемом массиве прорастает поверхность скольжения, выходящая на его свободную границу выше подошвы насыпи (см. рис. 1б). Картины деформированного состояния последней, полученные численным моделированием, (рис. 1а', б' ) аналогичны проявившимся в опыте.

Эксперименты и расчеты показали, что поведение штампа под нагрузкой зависит от отношения 8 его продольного размера I к высоте к насыпного массива (рис. 2). При 8= 0.25 (см. рис. 2а, а') штамп в ходе внедрения в насыпь поворачивается в направлении от ее откоса, при 8= 0.5 - опрокидывается в противоположную сторону (см. рис. 2 б, б').

Из рис. 1 и 2 видно, что полученные в геосреде расчетом полосы скольжения и поворот штампа при внедрении в нее соответствуют наблюдаемым в экспериментах. Отсюда следует, что алгоритмы, заложенные в программу БЕМ2Б, позволяют для процессов, протекающих в геосредах при нагружении, получать адекватные качественные и количественные оценки.

С использованием программы БЕМ2Б проведены исследования эволюции НДС насыпного массива в ходе его формирования с помощью отвалообразова-теля. Учитывались нагрузки на поверхность массива, создаваемые самосвалом, отвалообразователем и падающей в него из кузова автомобиля породой. При этом соблюдалась последовательность приложения нагрузок к свободной поверхности насыпи, соответствующая последовательности операций отвалообра-зования.

Численное моделирование позволило проследить эволюцию НДС искусственного массива на протяжении всего цикла отвалообразования, который включает выгрузку породы из кузова самосвала 1 в отвалообразователь 2, перемещение его ковша в сторону откоса 3 и разгрузку на него породной массы (рис. 3). Для пород насыпи расчетом получены критические значения величины сцепления С, при которых на всех стадиях нагружения ее борт сохраняет устойчивость.

Результаты численного моделирования показали, что при любом значении С наиболее опасным с точки зрения потери бортом отвала устойчивости является последний этап цикла его нагружения - выгрузка породы из отвалообразо-вателя (рис. 3в). Критической ситуация становится при относительно низком сцеплении насыпных пород (рис. 4). Влияние на устойчивость массива динамических нагрузок, возникающих в ходе обрушения породы из кузова самосвала в отвалообразователь, является сравнительно невысоким.

Таким образом, исследованиями подтверждена адекватность алгоритмов, заложенных в программу БЕМ2Б. С ее помощью выполнены расчеты устойчивости отвала при его формировании комплексом автосамосвал - отвалообразо-ватель. Выяснены механические параметры насыпного массива, при которых на всех стадиях его нагружения борт отвала сохраняет устойчивость.

и '-ОЬ^О-О „ О* —А—1

-0.04 -0.03 -0.05

-0.08 -0.08 -0.08

-0.15 -0.16 -0.17

Рис. 3. Эволюция НДС насыпи при С = 0.02 МПа в ходе одного цикла отвалообразования: 1 - автосамосвал; 2 - отвалообразователь; 3 - откос отвала; а - массив под нагрузкой от отвалообразователя и груженого самосвала;

б - стадия перегрузки пород из самосвала в ковш отвалообразователя; в - крайнее положение его ковша при разгрузке; а', б', в'- вертикальные напряжения (МПа) в насыпи; а", б", в" - горизонтальные

напряжения ах (МПа)

а б

шшт ^ %

\

Ч||к

Рис. 4. Деформированное состояние (а) насыпи со сцеплением С = 0.015 МПа и поле скоростей в ней (б) в ходе потери устойчивости при крайнем положении ковша разгружаемого отвалообразователя БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Полтавский Н.Н., Синельников Л.М. Совершенствование отвалообразования при большегрузном автотранспорте. - Материалы научн.-практ. конф. "Вопросы повышения безопасности горных работ на шахтах". - Кемерово, 2003. - С. 71-76.

2. Левенсон С.Я., Гендлина Л.И., Усольцев В.М., Морозов А.В., Голдобин В.А. Вибрационный отвалообразователь. - Патент РФ на ПМ №121800, БИ, 2012, № 31.

3. Левенсон С.Я., Гендлина Л.И., Морозов А.В., Усольцев В.М. О формировании автомобильных отвалов при открытой разработке полезных ископаемых. - Горный информационно-аналитический бюллетень, 2012, № 11. - С.32-37.

4. Хан Г.Н. О несимметричном режиме разрушения массива горных пород в окрестности полости // Физическая мезомеханика. - 2008 - Т.11. - №1. - C. 109-114.

5. Хан Г.Н. Моделирование методом дискретных элементов динамического разрушения горной породы // ФТПРПИ. - 2012. - №1. - С. 110-117.

6. Cundall P.A., Strack O.D.L. A discrete numerical model for granular assemblies // Geotechnique. - 1979. - V.29. - P.47-65.

7. Крамаджян А.А., Русин Е.П. О методе исследования процессов деформирования и структуры сыпучего материала в проходящем свете. - Гео-Сибирь-2010. Т.2. Недропользование. Горное дело. Новые направления и технология поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Ч. 2: сб. матер. VI Междунар. научн. конгресса «Гео-Сибирь-2010», 19-29 апреля 2010 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2010. - с. 164-169.

8. Backofen W.A. Deformation Processing. - Addison-Wesley Pub. Co., Reading, Massachusetts, USA, 1972. - 326 p.

© А.А. Крамаджян, Е.П. Русин, С.Б. Стажевский, Г.Н. Хан, 2013