CC BY
88
УДК 539.3/.4:622.023.23 © О.Г. Бесимбаева, Е.Н. Хмырова, С.П. Оленюк, Е.А. Олейникова, О.В. Старостина, 2018
Обоснование расчетных прочностных характеристик горных пород баритового месторождения
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-4-54-59
БЕСИМБАЕВА Ольга Газисовна
Канд. техн. наук, доцент кафедры «Маркшейдерское дело и геодезия» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, e-mail: bog250456@mail.ru
ХМЫРОВА Елена Николаевна
Канд. техн. наук, заведующая кафедрой «Маркшейдерское дело и геодезия» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, e-mail: hmyrovae@mail.ru
ОЛЕНЮК Сергей Петрович
Канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры «Маркшейдерское дело и геодезия» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, e-mail: savml@mail.ru
ОЛЕЙНИКОВА Елена Алексеевна
Магистр техн. наук, старший преподаватель кафедры «Маркшейдерское дело и геодезия» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, e-mail: panasenkoelena@mail.ru
СТАРОСТИНА Ольга Васильевна
Канд. техн. наук, доцент кафедры «Маркшейдерское дело и геодезия» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, e-mail: o.starostina@kstu.kz
В статье рассматриваются вопросы обоснования расчетных значений прочностных характеристик горных пород баритового месторождения. Для решения данной научно-практической задачи были построены паспорта прочности пород по классической схеме, которые отражают физико-механические свойства горных пород в образце, далее был определен коэффициент структурного ослабления пород X, учитывающий влияния трещиноватости массива, размеров структурных блоков, влажности горных пород и других факторов и который позволил перейти к прочностным характеристикам пород в массиве. Для оценки принятых расчетных значений прочностных характеристик горных пород в массиве выполнено сравнение результа тов их определения по методике ВНИМИ и по компьютерной программе Иоск1эЬ. Анализ проведенных исследований показал хорошую сходимость результатов определения значений прочностных характеристик горных пород, которая лежит в пределах3-5%, что подтверждает правильность принятых решений. Ключевые слова: прочность пород, одноосное сжатие и растяжение пород, паспорт прочности пород, коэффициент структурного ослабления пород, сцепление и угол внутреннего трения пород.
ВВЕДЕНИЕ
Для решения научно-практической задачи по обоснованию устойчивости бортов и уступов карьера главным моментом является обоснование расчетных прочностных характеристик горных пород месторождения. По значениям пределов прочности горных пород баритового месторождения на одноосное сжатие и растяжение, определенным по результатам лабораторных испытаний, были построены паспорта прочности пород по классической схеме, которые отражают физико-механические свойства горных пород в образце [1].
Ниже приведен расчетный метод построения паспорта прочности по данным определения пределов прочности при одноосном сжатии и растяжении по ГОСТ 21153.8-88 с построением паспорта прочности.
МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ ПАСПОРТА ПРОЧНОСТИ
Метод предусматривает определение координат точек огибающей кривой расчетным путем, с использованием данных определения пределов прочности при одноосном сжатии и растяжении по эмпирическому уравнению:
(
3
2 2 как + а ,
(1)
где тшах - максимальное сопротивление породы срезу (сдвигу) при гипотетически полностью закрывшихся под действием нормального давления трещинах и порах; стК - нормальное напряжение относительно начала координат, перенесенного в точку пересечения огибающей кривой с осью абсцисс; а - параметр формы огибающей кривой.
Для удобства расчетов и табулирования уравнение огибающей переводят в безразмерные координаты I и К, связанные соотношением:
I = 0,73 •
K2
K2 +1
(2)
Вводят безразмерные радиусы предельных кругов Мора для одноосного растяжения д1 и одноосного сжатия д2 и, используя отношение д2 / д1 = стсж / стс последовательно вычисляют:
- значение параметра формы огибающей кривой:
a = -
lq2
(3)
- значение параметра переноса начала координат: ст0 = а • (К + д) (4)
где д2 и (К1 + д1) определяют по подготовленной таблице для соответствующего значения отношения д2/д1 (промежуточные значения определяют интерполяцией).
Вычисляют координаты ст и т отдельных точек огибающей кривой: ст = аК - ст0 = К х а - ст0, т = 1 • а.(5)
2
CT
к
X = X
8
200 100 ö.xrfcM'
Рис. 1. График огибающей кривой Fig. 1. Sompound curve chart
i
н
44 510 _ tor
Рис. 2. Паспорт прочности Fig. 2. Strength certificate
По совокупности парных значений ст и т в координатах ст - х наносят семейство точек, которые соединяют кривой линией (рис. 1).
Контроль правильности расчетов и построения огибающей выполняют проведением полуокружностей радиусами стр /2 и стсж/2 с координатами центров (-стр/2; 0) и (стсж /2; 0). Если расчеты и построение выполнены правильно, то полуокружности должны коснуться огибающей кривой (рис. 2).
В соответствии с приведенной методикой выполнены построения паспортов прочности основных типов горных пород, слагающих прибортовые массивы карьера. Приведены график огибающей кривой и паспорт прочности для типа породы - известняков от темно-серых до розовато-серых (см. соответственно рис. 1, рис. 2).
Согласно паспорту прочности для известняков от темно-серых до розовато-серых предельное сопротивление срезу (сцепление) равно хс = К0 = 87 кг/см2, а угол внутреннего трения составляет ф = 31°.
Результаты построения паспортов прочности и определения прочностных характеристик горных пород баритового месторождения сведены в табл. 1.
Представленные в табл. 1 прочностные характеристики основных типов горных пород соответствуют характеристикам пород в образце. Для использования их в расчетах по оценке устойчивости откосов уступов и бортов карьера необходимо иметь значения прочностных характеристик в массиве с учетом влияния трещиноватости, размеров структурных блоков, влажности горных пород и других факторов.
КОЭФФИЦИЕНТ СТРУКТУРНОГО
ОСЛАБЛЕНИЯ ПОРОД Хд
Для практического использования физико-механических свойств горных пород, полученных в лабораторных условиях, необходимо знать коэффициент структурного ослабления пород Х0, который учитывает влияние вышеприведенных факторов на состояние горных пород в массиве.
Трещиноватость горных пород при открытой разработке месторождений оказывает влияние на устойчивость откосов и является ослабляющим фактором, подлежащим учету при решении задач устойчивости и выборе оптимальных средств разрушения трещиноватых сред.
Трещиноватость пород служит основанием для подбора и разработки расчетных методов по определению оптимальных параметров уступов и бортов карьера и позволяет решать задачи по рациональной отработке прикон-турных лент и постановке уступов на проектный контур. Поэтому в процессе отработки месторождения необходимо проводить съемку трещиноватости, элементов залегания трещин, линейных элементов структурных блоков, выделение систем трещин, наиболее неблагоприятно ориентированных относительно простирания уступов.
В работе [2] приведена эмпирическая зависимость между сцеплением в образце и массиве при наличии поверхности скольжения, не совпадающей с поверхностями ослабления, из которой была выведена формула расчета коэффициента структурного ослабления пород.
Углы внутреннего трения пород в образце и массиве для одного и того же типа пород отличаются не существенно, поэтому их значения можно принять равными ро6раз ~ рм.
Таблица 1
Прочностные характеристики горных пород в образце
Тип пород s , кг/см2 сж s , растяж кг/см2 Сцепление, кг/см2 Угол внутреннего трения, градус
Песчаники трещиноватые выветрелые 462 42 80 33
Песчаники баритизированные и окварцованные 789 104 161 30
Известняки темно-серые до розовато-серых иногда слоистые 518 44 87 31
Переслаивание песчаника с алевролитами и углисто-кремнистыми 509 95 121 25
I
Таблица 2
Значение коэффициента а для основных типов пород карьера
Группа пород Наименование пород и характер трещиноватости из методических указаний Типы пород прибортового массива баритового месторождения Величина сцепления в монолите, кг/см2 Величина коэффициента а
Уплотненные песчано-глинистые, Аральские глины с примесью песка и 10-20 0,5 III в основном нормально-секущей галечника трещиноватости
II Уплотненные песчано-глинистые с развитой кососекущей трещиноватостью, каолинизирован-ные изверженные Песчаники трещиноватые выветрелые 30-80 3
II Слоистые средней крепости Известняки темно-серые, 100-150 3 до розовато-серых, иногда слоистые
Слоистые средней крепости Переслаивание песчаника с алевролитами и углисто-кремнистыми 100-150 3
Слоистые средней крепости Песчаники баритизированные 170-200 4 преимущественно нормальносекущей и окварцованные
Сцепление пород, полученное по паспортам прочности, может быть в десятки раз больше, чем для той же породы в массиве. Согласно исследованиям ВНИМИ, эти величины связаны между собой коэффициентом структурного ослабления Х0, который может быть определен по формуле: 1
(6)
1 + а ln
H
т
где а - коэффициент, зависящий от прочности породы в монолитном образце и характера трещиноватости; Н -
отношение глубины залегания пород к среднему размеру элементарных блоков.
Коэффициент структурного ослабления пород определяется относительной величиной интенсивности трещиноватости массива. Величина коэффициента а определяется из «Методических указаний по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах» по величине сцепления и характеру трещиноватости, значения которых для разных типов пород приведены в работах [3].
Для условия баритового месторождения на основании данных о трещиноватости массива и полученных прочностных характеристик горных пород в образце (см. табл. 1) были определены значения коэффициента а для основных типов горных пород, слагающих прибортовой массив, которые приведены в табл. 2.
Для определения размеров элементарных блоков использовались результаты экспериментальных работ, выполненных на карьерах Казахстана, в работе «Механика скальных массивов и устойчивость карьерных откосов» [4]. В работе [4] методами математической статистики и корреляционного анализа была произведена обработка замеров элементов структурных блоков в зависимости от глубины залегания пород. Обобщающие результаты экспериментальных работ по бортам карьеров Казахстана по определению изменения размеров структурных блоков в зависимости от глубины залегания в недрах приведены на рис. 3, из которого следует, что размер структурных блоков с увеличением глубины разработки увеличивается.
Средние размеры структурных блоков I, отдельных разностей в массиве для условий баритового месторождения, были приняты на основании данных по классифика-
l, м
1,5
1,0
0,5
1 \ *
3 2 / / / / /
J J J d 4 /
7/ о - групповые т очки замеров (30 40 шт.)
0 60 120 180 H, м
Рис. 3. Графики изменения средних размеров структурных блоков от глубины залегания пород на карьерах: 1 - «Карагайлинский»; 2 - «Саякский»; 3 - «Топарский»; 4 - «Алексеевский» [4, с. 51]
Fig. 3. Charts of change in the average size of structural blocks from the depth of occurrence of rocks in open-pits: 1 - "Karagaylinsky"; 2 - "Sayaksky"; 3 - «Toparsky»; 4 - «Alekseevsky» [4, P. 51]
ции скальных пород по степени трещиноватости и содержанию крупных кусков (табл. 3).
Результаты вычисления коэффициента структурного ослабления Х0 для условий исследуемого баритового месторождения сведены в табл. 4.
Таблица 3
Размера структурных блоков по глубине залегания
Глубина залегания Средние размеры
горных пород Н, м структурных блоков 1, м
50-75 0,3
75-100 0,5
100-125 0,7
125-150 1,1
Таблица 4
Обоснование коэффициента структурного ослабления Х0
Типы пород Глубина залегания пород Н, м Средний размер элементарных блоков 1, м Величина коэффициента а Коэффициент структурного ослабления Х0
Песчаники трещиноватые выветрелые 75 0,3 3 0,057
Известняки темно-серые, до розовато-серых, иногда слоистые 160 1,1 3 0,044
Переслаивание песчаника с алевролитами и углисто-кремнистыми 125 0,7 3 0,039
Песчаники баритизированные и окварцованные 70-150 0,7 4 0,040
Таблица 5
Расчетные значения сцепления и угла внутреннего трения основных типов пород месторождения к и р
■ п ■ п расч. г расч.
Тип породы Сцепление в образце, кПа Коэффициент структурного ослабления, \ Сцепление в массиве, кПа Сцепление расчетное, кПа, при пз=1,3 Угол внутреннего трения, р
Песчаники трещиноватые выветрелые 8000 0,057 456 350 33
Известняки темно-серые, до розовато- 8700 0,044 383 294 31
серых, иногда слоистые
Переслаивание песчаника 12100 0,039 472 363 25
с алевролитами и углисто-кремнистыми
Песчаники баритизированные 16100 0,040 644 495 30
и окварцованные
Необходимо отметить, что при оценке устойчивости откосов уступов [5] размеры структурных блоков имеют второстепенное значение, более существенным и определяющим фактором являются протяженность и взаимная направленность трещин, состояние их поверхностей, вид заполнителя и ориентирование поверхностей ослабления относительно простирания откосов уступов и бортов карьера.
Сцепление горных пород в массиве определяется с использованием коэффициента структурного ослабления по формуле:
к = к .Д.. (7)
м обр 0
В табл. 5 представлена величина сцепления и угла внутреннего трения основных типов пород определенных по методике ВНИМИ на основании построенных паспортов прочности горных пород и коэффициента структурного ослабления.
Для получения расчетных прочностных характеристик согласно исследованиям ВНИМИ [1, 3], необходимых для оценки устойчивости откосов уступов и бортов карьера, в ранее полученные к и ф значения в зависимости от
мм
свойств пород, структурных особенностей месторождения и срока службы бортов карьера вводится коэффициент запаса п = 1,3.
Рис. 4. Окно программы «RocLab» Fig. 4. RocLab program window
Таблица 6
Прочностные характеристики горных пород массива баритового карьера, определенные с использованием программного комплекса «РосЬаЬ»
Тип пород Предел прочности на растяжение, МПа s , сж МПа Прочность на сжатие, МПа Геологический индекс прочности-GSI Расчетные значения сцепления к, кПа Расчетные значения угла трения, градус
Песчаники от средне- и мелкозер- -0,003 18 0,041 30 135 11
нистых до алевротистых, активно
выветрелые
Песчаники трещиноватые -0,006 45 0,168 30 334 22
выветрелые
Песчаники баритизированные -0,008 80 0,299 35 472 28
и окварцованные
Известняки темно-серые, до -0,005 50 0,113 30 277 18
розовато-серых, иногда слоистые
Переслаивание песчаника с алевро- -0,007 50 0,187 35 349 22
литами и углисто-кремнистыми
Аральские глины -0,005 2 0,033 25 79 8,43
Гематитовые руды -0,005 100 0,226 30 507 27
Таблица 7
Сравнение значений прочностных характеристик горных пород, определенных двумя методами
Метод ВНИМИ Программный комплекс «Rocklab»
Типы пород Коэффициент Сцепление Угол Сцепление, кПа Угол
структурного ослабления Х0 расчетное, кПа, при пз = 1,3 внутреннего трения, градус внутреннего трения, градус
Песчаники трещиноватые выветрелые 0,057 350 24 334 22
Известняки темно-серые, до розовато- 0,044 294 20 277 18
серых, иногда слоистые
Переслаивание песчаника 0,039 363 21 349 22
с алевролитами и углисто-кремнистыми
Песчаники баритизированные 0,040 495 30 472 28
и окварцованные
Ррачс. = arctg *
(8Ри
(8)
и р представлены в
Вычисленные значения табл. 5.
Для надежного обоснования расчетных прочностных свойств горных пород в массиве карьера был использован программный комплекс «КосЬаЬ».
Программа «КосЬаЬ» [6] обеспечивает простую и понятную реализацию критерия разрушения Hoek-Brown'a, позволяя пользователям легко получать надежные оценки свойств массива горных пород и прямо на экране (в интерактивном режиме) видеть изменения огибающих разрушения (кривых прочности) при изменении параметров (рис. 4).
На основании выполненных построений огибающих разрушения основных типов пород, слагающих прибортовые массивы, определены расчетные прочностные характеристики (сцепления и угла внутреннего трения) горных пород в массиве, которые приведены в табл. 6.
Для оценки принятых расчетных значений прочностных характеристик горных пород выполнено сравнение результатов двух способов их определения: по методике ВНИМИ и с использованием компьютерной программы КосИаЬ. Результаты определения расчетных значений прочностных характеристик горных пород двумя способами приведены в табл. 7.
Анализ проведенных исследований показал хорошую сходимость результатов определения значений прочностных характеристик горных пород, которая лежит в пределах 3-5%, что подтверждает правильность принятых решений.
Список литературы
1. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. Л.: ВНИМИ,1972. 165 с.
2. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М.: Недра, 1965. 378 с.
3. Методические указания по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. Согласованы приказом Комитета по государственному контролю за чрезвычайными ситуациями и промышленной безопасностью Республики Казахстан от 22 сентября 2008 г. № 39.
4. Попов И.И., Окатов Р.П., Низаметдинов Ф.К. Механика скальных массивов и устойчивость карьерных откосов. Алма-Ата, 1986. 256 с.
5. Попов И.И., Окатов Р.П. Борьба с оползнями на карьерах. М.: Недра, 1980. 239 с.
6. Hoek, Evert, (2006), A Brief History of the Hoek-Brown Failure Criterion, unpublished document.
к
м
К
n
n
з /
MINERALS RESOURCES
UDC 539.3/.4:622.023.23 © O.G. Besimbayeva, E.N. Khmyrova, S.P. Olenyuk, E.A. Oleynikova, O.V. Starostina, 2018 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 4, pp. 54-59
Title
VALIDATION OF DESIGN STRENGTH CHARACTERISTICS OF BARITE FIELD ROCKS
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-4-54-59
Authors
Besimbayeva O.G.1, Khmyrova E.N.1, Olenyuk S.P.', Oleynikova E.A.1, Starostina O.V.1 ' Karaganda State Technical University (KSTU), Karaganda, 100027, Republic of Kazakhstan
Authors' Information
Besimbayeva O.G., PhD (Engineering), Associate Professor of Department "Mine Surveying and Geodesy", e-mail: bog250456@mail.ru Khmyrova E.N., PhD (Engineering), Head of Department "Mine Surveying and Geodesy", e-mail: hmyrovae@mail.ru Olenyuk S.P., PhD (Engineering), Senior Lecturer of Department "Mine Surveying and Geodesy", e-mail: savml@mail.ru Oleynikova E.A., Master of Engineering, Senior Lecturer of Department "Mine Surveying and Geodesy", e-mail: panasenkoelena@mail.ru Starostina O.V., PhD (Engineering), Associate Professor of Department "Mine Surveying and Geodesy", e-mail: o.starostina@kstu.kz
Abstract
The paper considers issues of validation of design values of strength characteristics of the barite field rocks. In order to solve this applied research task, rock strength passports were built according to the classical scheme, which reflect the physical and mechanical properties of rocks in the sample, then one determined the structural rock loosening coefficient A0, which takes account of the effects of massif broken condition, structural block sizes, moisture content of rocks and other factors, and which allowed to proceed to the strength characteristics of rocks in the massif. In order to assess the design values of strength characteristics of rocks, one performed a comparison of the results of their determination using the VNIMI method and the Rocklab computer program. Analysis of the conducted studies showed a good within-run precision of determining values of strength characteristics of rocks, which lies within the limits of 3 to 5%, which confirms the correctness of the decisions taken. Figures:
Fig. 1. Sompound curve chart Fig. 2. Strength certificate
Fig. 3. Charts of change in the average size of structural blocks from the depth of occurrence of rocks in open-pits: 1 - "Karagaylinsky"; 2 - "Sayaksky";3 - «Toparsky»; 4 - «Alekseevsky» [4, P. 51] Fig. 4. RocLab program window
Keywords
Rock strength, Simple compression and tension of rocks, Rock strength passport, Structural rock loosening coefficient, Bond and angle of internal rock friction.
References
1. Metodicheskie ukazaniya po opredeleniyu uglov naklona bortov, otkosov ustupov i otvalovstroyashchikhsya i ekspluatiruemykh kar'erov [Methodical instructions for determining angles of inclination of the sides, slopes of ledges and dumps of the open-pits being built and operated]. Leningrad, VNIM Publ.,1972, 165 p.
2. Fisenko G.L. Ustoychivost' bortov kar'erov i otvalov [Stability of open-pits and dump sides]. Moscow, Nedra Publ., 1965, 378 p.
3. Metodicheskie ukazaniya po nablyudeniyam za deformatsiyami bortov, otkosov ustupov i otvalov na kar'erakh i razrabotke meropriyatiypo obespecheniyu ikh ustoychivosti [Methodical instructions for observations of deformations of sides, slopes of ledges and dumps in open-pits and for development of measures for ensuring their stability]. Agreed by the order of the Committee for State Control over Emergencies and Industrial Safety of the Republic of Kazakhstan dated September 22, 2008, No. 39.
4. Popov I.I., Okatov R.P. & Nizametdinov F.K. Mekhanika skal'nykh massivov i ustoychivost'kar'ernykh otkosov [Mechanics of rock massifs and stability of open-pit slopes]. Alma-Aty, 1986, 256 p.
5. Popov I.I. & Okatov R.P. Bor'ba s opolznyami na kar'erakh [Open-pit slide control]. Moscow, Nedra Publ., 1980, 239 p.
6. Hoek, Evert (2006), A Brief History of the Hoek-Brown Failure Criterion, unpublished document.
Пресс-служба АО ХК «СДС-Уголь» информирует
Инженеры ООО «СИГД» стали победителями Всероссийского конкурса «Новая идея»
УГОЛЬ
Специалисты ООО «Сибирский Институт Горного Дела» (входит в состав АО ХК «СДС-Уголь») стали победителями Всероссийского конкурса «Новая идея» на лучшую научно-техническую разработку среди предприятий и организаций ТЭК в номинации «Лучшая инновационная идея» в секции «Экология, охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов».
Конкурс «Новая идея» направлен на раскрытие и стимулирование научно-технического потенциала молодых специалистов топливно-энергетического комплекса России и проводится под эгидой Министерства энергетики Российской Федерации, при поддержке общественных и профессиональных организаций.
Всего в 2017 г. на конкурс подано более 250 заявок по 17 тематическим секциям из 100 отраслевых организаций.
Представленные конкурсантами работы посвящены актуальным проблемам развития топливно-энергетического комплекса России. Экспертами выступают специалисты ведущих отраслевых компаний и научно-исследовательских организаций России.
Специалисты ООО «СИГД» представили конкурсной комиссии «Лучшую инновационную идею» по проблеме обеззараживания воды и пути ее решения, разработав обеззараживающий комплекс для повышения качества очищенных сточных вод. В своей работе инженеры предложили использование полимерных реагентов в качестве основных компонентов, доказав не только экономическую эффективность эксплуатации данного комплекса, но, главное - обосновав отсутствие риска возникновения и развития чрезвычайной ситуации.
Торжественное награждение победителей Всероссийского конкурса «Новая идея» планируется в апреле.
