Оценка устойчивости откосов отвалов вскрышных пород экспериментально-аналитическим Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 13

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© В.А. Бабелло, Ю.М. Овешников, В.А. Стетюха, В.Ю. Галинов, 2001

УДК 622.271.333

В.А. Бабелло, Ю.М. Овешников,

В.А. Стетюха, В.Ю. Галинов

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ ОТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИМ

Увеличение высоты отвалов при производстве горных работ приводит к сокращению затрат на устройство подъездных путей, уменьшению площади изымаемых земель, к сокращению затрат на перевозку породы. В тоже время при некоторой предельной высоте отвала в нем возникают напряжения, которые могут привести к потере устойчивости отвала и к появлению недопустимых деформаций. Достоверная оцен-ка состояния откоса при заданных геометрических параметрах и физикомеханических характеристиках пород является актуальной проблемой горного производства. Устойчивое состояние

отвалов при заданных геометрических размерах определяется физикомеханическими параметрами слагающих их пород: углом внутреннего трения ф, удельным сцеплением с, плотностью р, модулем деформа-

ции Е. Для оценки степени влияния перечисленных параметров на устойчивость отвалов проведена серия вычислений. Варьирование физикомеханических параметров массивов пород отвалов задавалось в пределах реально наблюдаемых на объектах величин в условиях Уртуйского угольного разреза. Рассчитаны ярусы отвалов высотой Н=20 м и с углом наклона откоса а=350 Вычисления выполнены на основе методических указаний [1]. Приводимые на рис. 1 результаты позволяют оценить степень влияния параметров с и ф на величину коэффициента запаса устойчивости откоса Ку. Анализируя графики, можно сделать вывод, что изменение параметров с и ф в пределах установленной об-

ласти на 10 % приводит к изменению коэффициента Ку на 7 %. Влияние обоих параметров на Ку примерно одинаково.

Приводимые на рис. 1 графики имеют и практическое значение. Они позволяют оценивать устойчивость откосов с заданными геометрическими параметрами в зависимости от физикомеханических характеристик отсыпаемых в них пород.

Проведено исследование влияния параметров с, ф и Е на напряженное состояние массива пород в отвале. Применено упругопластическое решение задачи с использованием модели Кулона Прандтля и метод конечных элементов [2]. Отвал и основание разбивались на треугольные конечные элементы.

Результаты вычисления горизонтальных напряжений стх в элементах указанных на рис. 2, приводятся в таблицах 1, 2, 3. Величина каждого из исследуемых параметров варьировалась в пределах 10 %. В таблицах указаны изменения напряжений стх в %. Наибольшее влияние на горизонтальные напряжения стх отмечается при изменении удельного сцепления с. Изменение угла внутреннего трения ф влияет на напряжения в меньшей степени, а изменения модуля деформаций отражаются на величине горизонтальных напряжений стх совсем незначительно.

Рис. 1. Зависимость коэффициента запаса устойчивости от параметров С и ф

Таблица 1

ЗАВИСИМОСТЬ НАПРЯЖЕНИЙ ох ОТ МОДУЛЯ ДЕФОРМАЦИИ Е

Номера точек Напряжения Стх при Е=8800 кПа Разница в % Напряжения стх при Е=8000 кПа Разница в % Напряжения стх при Е=7200 кПа

1 204.5 0.9 202.7 1.1 200.5

2 151.2 0.8 150.0 1.5 147.8

3 91.4 0.1 91.3 0.1 91.2

4 81.6 0.1 81.5 0 81.5

Таблица 2

ЗАВИСИМОСТЬ НАПРЯЖЕНИЙ ох ОТ УДЕЛЬНОГО СЦЕПЛЕНИЯ с

Номера точек Напряжения стх при с=72кПа Разница в % Напряжения стх при с=80 кПа Разница в % Напряжения стх при с=88 кПа

1 220.0 8.5 202.7 4.8 193.0

2 162.4 8.3 150.0 4.9 142.7

3 99.5 9.0 91.3 4.9 86.9

4 90.7 11.3 81.5 6.1 76.5

Таблица 3

ЗАВИСИМОСТЬ НАПРЯЖЕНИЙ ох ОТ УГЛА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ <р

Номера точек Напряжения стх при ф=17.20 Разница в % Напряжения стх при ф=180 Разница в % Напряжения стх при ф=19.80

1 205.0 1.1 202.7 2.4 197.9

2 151.3 0.9 150.0 2.5 146.2

3 92.4 1.2 91.3 2.4 89.1

4 82.8 1.6 81.5 3.1 79.0

Проведенный анализ касается только одного из главных вопросов проблемы устойчивости отвалов -влияния механических свойств отвальных пород на устойчивость отвала в предположении, что его разрушение происходит в результате сдвига определенного объема пород, т.е. предельное состояние в породных массах возникает по условию сопротивлению сдвигу. В этом случае значения параметров сопротивления сдвигу отвальных пород играют главенствующую роль. С другой стороны для процесса деформации отвалов характерна неравномерность осадки их массивов. Внешним признаком таких деформаций могут служить трещины отрыва, возникающие, как правило, на границе разноуплотненных зон складирования породных масс в отвале. Причем возникновение трещин может происходить при состояниях

его устойчивости, далеких от предельного. Для количественной оценки осадок массивов отвальных по-

род определяющими факторами будут являться модуль общей деформации пород и вертикальные напряжения сту.

Результаты проведенных расчетов и анализ ранее выполненных НИР по проблеме устойчивости откосов отвалов убедительно свидетельствуют, насколько важна точность в определении механических свойств пород в отвале. Так, изменение величины угла внутреннего трения породы всего на несколько градусов, равно как и незначительное уменьшение величины коэффициента сцепления, в ряде случаев может привести к нарушению устойчивости откосов отвалов.

В связи с этим высокая чувствительность состояния отвалов по отношению к прочностным свойствам отвальных пород требует их достоверного определения в условиях площадки. На наш взгляд методика определения прочностных свойств пород отвалов по средневзвешенным характеристикам по процентному содержанию (или по мощно-

сти) для различных литологических разностей в условиях естественного залегания не всегда может обеспечить требуемую точность расчетов устойчивости отвала. Таким образом, задача определения прочностных параметров пород в отвале в большинстве случаев носит вероятностный характер. Это связано, прежде всего, с валовой технологией отвалообразования, когда нет организации потоков вскрыши, четко различающихся составом пород и физико-механическими свойствами. Известно несколько путей решения этой задачи:

• получение полной информации о дифференциации пород при разгрузке отвальных масс автосамосвалами по периметру отвального фронта (проведение хронометража и отбора проб пород при отсыпке отвала);

• проведение инструментальной съемки устойчивых и деформиро-

Рис. 2. Нумерация точек на части отвала

вавшихся участков существующего отвала. Использование материалов съемки по методу обратных расчетов позволяет получить характеристики прочности пород на сдвиг;

• бурение скважин в створах профилей инструментальной съемки отвала с отбором образцов для установления его строения и определения физико-механических свойств отвальных пород в лабораторных условиях;

• определение прочностных характеристик пород в отвале по результатам натурных сдвиговых испытаний.

Особое значение приобретает разработка новых и совершенствование известных методов и средств, направленных на получение объективной информации о свойствах пород отвалов. Предпочтение должно отдаваться программам исследований с заранее заданной чувствительностью метода к тем или иным изменениям состава, состояния и свойств пород отвалов в период их возведения вплоть до рекультивации. В данном случае вопрос заключается в использовании научнообоснованных и проверенных на практике методах получения информации, являющейся результатом инженерно-геологических и гидрогеологических исследований. Такими методами являются известные методы сдвиговых испытаний отвальных пород, результаты которых обладают повышенной информативностью и легко интерпретируются графически.

Характерной особенностью лабораторных и полевых испытаний сопротивления пород сдвигу является необходимость выполнения условий моделирования натурных закономерностей деформирования отвалов (соответствие физических свойств и напряженного состояния пород натурным условиям в изучаемых зонах). Исходя из этого полевые, или натурные, способы определения свойств пород отвалов обладают преимуществом по сравнению с лабораторными - возможностью

учета всей совокупности влияющих на сопротивление сдвигу факторов. Однако вследствие недостаточной разработки теоретических основ отдельных методов, а также из-за трудоемкости работ и необходимости значительных затрат средств и времени на их осуществление некоторые полевые методы еще не получили широкого распространения в практике горного производства. Таким образом, назрела необходимость поиска таких методов исследований, которые, будучи реализованы в виде специальных технических решений, обеспечивали бы получение объективной максимально полной информации о свойствах пород отвалов при разумной увязке предлагаемых решений с экономическими факторами.

Одним из путей оптимального решения этой проблемы является создание системы оперативного контроля за параметрами отвальных пород в процессе отсыпки и эксплуатации отвалов.

Такая система предполагает возможное сочетание разных способов определения параметров пород, выполняемых последовательно или одновременно. Причем рациональное сочетание полевых и лабораторных методов применительно к конкретным ситуациям может являться одним из условий правильного определения важнейших характеристик исследуемых пород.

Основным элементом рассматриваемой системы, на наш взгляд, должна являться универсальная установка для натурных испытаний горных пород на сдвиг и сжимаемость. Установка должна отвечать следующим требованиям:

• простота и незначительная стоимость проведения опытов силами сотрудников горного предприятия на постоянной основе;

• достоверность получаемых результатов;

• мобильность;

• возможность изготовления в условиях механических мастерских горного предприятия;

• достаточно низкая стоимость изготовления;

Одной из попыток реализации этой идеи можно назвать создание в Читинском государственном техническом университете и внедрение в производство мобильной установки для прямого определения прочностных и деформационных свойств отвальных пород в натурных условиях. По классификационным признакам установка относится к конструкциям, с помощью которых в полевых условиях производят сдвиг целиков пород без отделения испытуемого образца от массива. Схема проведения опытов по определению прочностных свойств пород рассматриваемой установки заключается в следующем:

• на целик породы путем вдавливания плотно надевают обойму и передают на него определенное вертикальное давление;

• к обойме с целиком прикладывают отдельными ступенями горизонтальное усилие вплоть до достижения максимального значения, соответствующее сдвигу целика;

• производят сдвиги других целиков одной и той же породы при значениях нормальных давлений, отличающихся от давления, переданного на первый целик.

Для определения значений угла внутреннего трения и удельной силы сцепления необходимо произвести три испытания одной и той же породы при различных нормальных давлениях с одними и теми же значениями влажности и плотности. Полученные опытные данные используют для построения графика зависимости сдвигового усилия от нормального давления.

Особенностью описываемой установки является возможность изучения деформационных свойств горных пород, как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях на том же уровне, где проводились сдвиговые испытания. В частности, можно оценить анизотропию горных пород, что в ряде случаев имеет

решающее значение при выборе расчетной схемы отвалов.

К другим конструктивным особенностям установки, расширяющих ее функциональные возможности и упрощающих проведение опытных работ, следует отнести:

• рычажную схему передачи вертикальной и горизонтальной нагрузок на целик породы с возможностью перемещения рабочих органов установки по высоте;

• оформление нагрузочных и сдвигового устройств в виде единой шарнирной системы, устанавливаемой на санях-волокуше и транспор-

тируемой непосредственно к месту испытаний.

В результате проведенных производственных испытаний установки на отвале “Восточ-ный” разреза “Уртуйский” получены сведения о свойствах отвальных пород с аналитической оценкой устойчивости отвала. Таким образом показана возможность успешной увязки результатов определения устойчивости отвалов аналитическими методами с методическими особенностями экспериментального определения механических свойств пород в условиях конкретной площадки.

Выводы

1. Для повышения надежности геомеханического обоснования параметров отвальных откосов представляется целесообразным внедрение в практику горного производства системы оперативного контроля за свойствами вскрышных пород в процессе их отсыпки и дальнейшей эксплуатации отвалов.

2. Одним из путей оптимального решения проблемы увеличения емкости отвалов является сочетание оперативного контроля за свойствами пород с аналитической оценкой их устойчивости непосредственно в стадии отсыпки.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов, уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. Л. ВНИМИ, 1972. - 165 с.

2. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М. Недра, 1987. - 221 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Со

Бабелло В.А., Овешников Ю.М., Стетюха В.А., В.Ю. Галинов - Читинский государственный технический университет.