Научная статья на тему 'Предельная высота подработанного откоса подземными выработками при действии объемных сил'

Предельная высота подработанного откоса подземными выработками при действии объемных сил Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
208
29
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВЫСОТА ОТКОСА БОРТА / УСТОЙЧИВОСТЬ / КОМБИНИРОВАННАЯ РАЗРАБОТКА / ТЕКТОНИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ / УГОЛ ПОГАШЕНИЯ / КОЭФФИЦИЕНТ ЗАПАСА УСТОЙЧИВОСТИ / БОКОВОЕ ТРЕНИЕ / ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / ОБЪЕМНОЕ НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ / ВЫСОТА ВЕРТИКАЛЬНОГО ОБНАЖЕНИЯ ПОРОД

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Кузнецова Татьяна Сергеевна, Мещеряков Юрий Борисович, Некерова Татьяна Валерьевна

Для комбинированной разработки большое экономическое значение имеет оптимальное соотношение геометрических параметров бортов карьера. В статье представлена формула для определения предельной высоты откоса подработанного борта карьера. Формула применима для откосов различного профиля, учитывает объемный фактор и действие тектонических напряжений.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Кузнецова Татьяна Сергеевна, Мещеряков Юрий Борисович, Некерова Татьяна Валерьевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Предельная высота подработанного откоса подземными выработками при действии объемных сил»

РАЗРАБОТКА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

УДК 622.271.333

Кузнецова Т.С., ІМещеряков Ю.Б., Некерова Т.В.

ПРЕДЕЛЬНАЯ ВЫСОТА ПОДРАБОТАННОГО ОТКОСА

_ _ _ _ _ _________ _ _ _ _А

ПОДЗЕМНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ ПРИ ДЕЙСТВИИ ОБЪЕМНЫХ СИЛ

Для комбинированной и открытой разработки месторождений, особенно для глубоких карьеров, большое экономическое значение имеет оптимальное соотношение геометрических параметров бортов карьера. Оптимальными параметрами следует считать такие, при которых соблюдается минимальный объем вскрыши и одновременно необходимый запас устойчивости откосов.

В настоящее время для определения параметров откосов бортов карьеров и оценки их устойчивости широко применяются методики ВНИМИ [ 1]. Эти методы учигы-ватот только составляющие напряжений, обусловленные действием гравитационных сил. Предельную вьсоту откоса находят решением уравнения равновесия удерживающих и сдвигающих сил го выбрангой поверхности в вертикальной плоскости. Однако они не учитывают объемно-напряженного состояния откоса.

Большинство авторов - Э.Л. Галустъян [2], О.В. Зо-теев [3], В. К. Цветков [4] и др. отмечают, что решение геомеханических задач применительно к объемно -напряженному состоянию приоткосных массивов позволит пересмотреть требования к соотношению ВЬЕОТЫ и угла откоса в конкретных горнотехнических условиях.

Предлагаемая формула определения высоты ус -тойчивого откоса борта карьера применима для откосов различного профиля и учитывает объемный фактор и действие тектонических напряжений.

Объектом исследования является изотропный массив горных пород. Для определения высоты откоса, подработанного подземными горными выработками, с заданными физико-механическими свойствами и требуемым коэффициентом запаса устойчивости рас -сматривается равновесие столба пород на элементарной площадке скольжения ёЛ (рис. 1).

Согласно рис. 1 сила сцепления по плошадке аЛ: ёхёх

с------ и сила трения на площадке аЛ: • tg ф про-

008 Р

тиводействуют элементарной сдвигающей силе ёТ.

В предельном напряженном состоянии

_ ёхёг

ёТ = с-----------ь ёЫ • tg ф,

008 В

где ёЫ = ёТ ■ ctg Р .

(1)

(2)

Касательное напряжение тр по линии скольжения ёТ с

Хр сЛ (Г- ctgР- tgф)

(3)

Из уравнения прямолинейной огибающей предельных кругов напряжений Мора для произвольной точки касательное напряжение запишется

Хр =с + ср- ^ ф . Приравниваем с + ^р ф =

(1 - 0tg Р- tg ф)

Зная, что ёх

Р = —,

ёу

ёх =

ёу tg а

(4)

(5)

(6) (7)

где у - текущая координата по оси ОУ, м; а - угол наклона борта карьера, град.

у =^Н" 1 (х^а) уА

Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Челябинской области.

с1А=

Рис. 1. Схемадействия сил наэлементарной площадке: Н - высота откоса, м; р - угол наклона элементарной площадки линии скольжения, град; С - сцепление пород в массиве, Па; ф - угол внутреннего трения, град;

Р - сила тяжести, Н; N - нормальная сила, Н;

Т - касательная сила, Н

с

Боковое трение, препятствующее деформациям откоса в сторону выработанного пространства (рис. 2), учтено в определении Ср:

ср =у - у ■ g ■ (Н - у) • (1 + tg ф),

,3.

(8)

где у - плотность пород, кг/м ; V - коэффициент бокового распора,

1 -Ц'

(9)

(у-у - g • (Н - у) • (1 + tg ф) + Т )ёу

_ С-у[\~

а

tgа- tgф

Н

I (V - у- g • (н - у) • (1+tg ф) + Т) ёу-

_ I С-л/ГТ^

(12)

(13)

а

^ tgа-^ф Проинтегрировав и упростив, получим:

Н п _ ч с'ч/1^

— .\.у.g • (1 + tg ф) —2-----

2 tg а - ^ Ф

а

■-Т. (14)

Выразим Н:

от горизонтальной ф0) и вертикальной (уж) плоскостей уравнение предельной вьеоты откоса примет вид

2•008ут • 00вРо • (с••у/ГП^^а -Т ■ (tgа-tgФ))

Н =-----------------------------------------------, (16)

(tg a-tg ф)-\-у-g-(1 + tg ф)

р0

где у я = агс^ ——;

81ПО

(17)

5 - угол отклонения результирующей боковых сил от горизонтальной плоскости, град.,

где ц - коэффициент Пуассона.

Также нельзя не учитывать влияния на устойчивость подрабатываемых бортов природных тектонических сил (Т). Исследования ПИ. Копача и В.К. Цветкова [4] подтверждают, что значение коэффициента запаса устойчивости завис иг от действия тектонических напряжений. Поле этих напряжений неоднородно и имеет сложный характер, его составляющие по-разному влияют на устойчивость горного массива. Обычно значения тектонических напряжений изменяется в интервале от 0 до 8,8 МПа.

Следовательно,

^р=^-у-g • (Н - у) • (1 + tg ф) + Т . (10)

Подставляя (10) в (5), получим

(у-у-g ■ (Н - у) • (1 + tg ф) + Т) • tg ф + с =

= с (11)

1 - ctg р- tg ф

Возведем в квадрат обе части уравнения и, упростив, получим:

5 = arctg —, z

(18)

где х - элементарная поперечная горизонтальная сила, Н, х =-2• с • otg^45° + ^; (19)

z - элементарная продольная горизонтальная сила, Н,

z = У-У g 'Н90, (20)

где Н90 - высота вертикального обнажения пород, м,

2 • с • otg I 45

Н 90 =■

Ф

У-у-g • (1 + tg ф)

(21)

насжимающиенапряжения (+стр):

+ст х - сжимающие поперечно-горизонтальные напряжения, МПа; а г - продольно-горизонтальные напряжения, МПа; I - боковоетрение по площадкам элементарного объема

Н = 2 • (с1 + tg2 а - Т • (tg а-tg ф)) (15)

(tg а-^ ф)-у-у-g • (1+tgф) '

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

С учетом углов отклонения результирующей силы всех составляющих объемного напряженного состояния

УГОЛ НАКЛОНА ОТКОСА БОРТА КАРЬЕРА, ГРАД

Рис. 3. Зависимость высоты устойчивого откоса подработанного борта от его угла наклона при С=0,3 МПа, Ф=28°, у=2500 кг/м3 без учета тектонических сил

Р0 — + агеео8 — - 45°; (22)

2 К

где г - результирующая действия сил бокового отпора, Н,

г = 7Х27Т7; (23)

К - результирующая действия всех сил объемного напряженного состояния массива, Н,

УГОЛНАКЛОНА ОТКОСА БОРТА КАРЬЕРА, ГРАД

Рис. 4. Зависимость высоты устойчивого откоса подработанного борта от его угла наклона при С=0,5 МПа, Ф=29°, у=2800 кг/м3 с учетом тектонических напряжений при Кзу=1

УГОЛ НАКЛОНА ОТКОСА БОРГА КАРЬЕРА, ГРАД

Рис. 5. Зависимость высоты устойчивого откоса подработанного борта от его угла наклона при С=0,5 МПа, Ф=29°, у=2800 кг/м3 с учетом тектонических напряжений при Кзу=1,1

УГОЛ НАКЛОНА ОТКОСА БОРТА КАРЬЕРА, ГРАД

Рис. 6. Зависимость высоты устойчивого откоса подработанного борта от его угла наклона при С=0,5 МПа, Ф=29°, у=2800 кг/м3 с учетом тектонических напряжений при Кзу=1,3

К — , (24)

где у - элементарная вертикальная сила, Н,

Зависимость высоты устойчивого откоса подработанного борта от его угла наклона

Угол откоса борта а, град Тектонические напряжения Т, МПа Сцепление, С, МПа Плотность у, кг/м3 Угол внутреннего трения Ф, град Высота откоса Н, м Кзу

30 0-6 0,3 2500 28 956-201 1

35 0-2 274-22

40 0-1 160-34

45 0-0,5 114-51

50 0-0,5 89-26

30 0-6 0,5 2800 29 2766-2103

35 0-4 462-20

40 0-2 253-32

45 0-1,5 175-9,7

50 0-1 134-24

30 0-6 0,8 2900 29 4272-3633

35 0-6 713-74

40 0-3 391-71

45 0-2 270-57

50 0-1,5 208-48

30 0-3 0,3 2500 28 440-46 1,1

35 0-1,5 202-4,8

40 0-1 131-0,2

45 0-0,5 98-32

50 0-0,5 79-13

30 0-3 0,5 2800 29 823-478

35 0-2 326-95

40 0-1,5 204-31

45 0-1 149-34

50 0-1 118-3,3

30 0-3 0,8 2900 29 1272-938

35 0-3 503-169

40 0-2 315-93

45 0-2 230-8,2

50 0,15 183-16

30 0-1,5 0,3 2500 28 222-12 1,3

35 0-0,5 136-66

40 0-0,5 98-28

45 0-0,5 78-7

50 0 64

30 0-2 0,5 2800 29 363-116

35 0-1,5 212-26

40 0-1 150-27

45 0-0,5 117-55

50 0-0,5 96-35

30 0-2 0,8 2900 29 561-323

35 0-2 327-89

40 0-1,5 232-53

45 0-1,5 181-2,1

50 0-1 149-30

у =У g • Н90 . (25)

Таким образом, для определения оптимальной высоты откоса подработанного борта карьера необходимо задаться физико-механическими свойствами пород с необходимым запасом устойчивости.

По приведенной формуле были выполнены расчеты предельной вьеоты откоса подработанного борта карьера с различными физико-механическими свойствами: сцепление в массиве С=0,3-0,8 МПа, угол внутреннего трения ф=28-29°, плотность у=2500-2900 кг/м3. Коэффициент бокового распора равен 0,3. Тектонические напряжения (Г) изменяются от 0,5 до 6 МПа Угол откоса подработанного борта карьера (а) изменялся от 30 до 50°.

По результатам расчетов построены зависимости высоты устойчивого откоса подработанного борта от его угла наклона, представленные на рис. 3-6.

По результатам всех расчетов составлена сводная таблица.

Анализ полученных расчетов вьеоты откоса по предложенной формуле (16) позволяет сделать вывод, что увеличение глубины карьера на 15-20% при доработке приконтурных (прибортовых) запасов подземным способом потребует выполаживания бортов карьера на 2°. С увеличением тектонических напряжений в 2 раза глубина открытых горных работ уменьшается на 21-40%.

Возможность увеличения углов погашения бортов карьера при заданной глубине и величине тектониче-

ских напряжений возможно за счет использования временной устойчивости откосов бортов. Снижение запаса прочности на 10-20% позволит отработать прибортовые запасы подземным способом.

Список литературы

1. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. СПб., 1998.

2. Галусгьян ЭЛ. Крупномасштабные деформации бортов карьеров в сплошных породах // Горный журнал. 1990. № 5.

3. Зотеев О.В. Геомеханика. Екатеринбург: УГГА, 1997.

4. Цветков В.К. Расчет устойчивости откосов и склонов. Волгоград: Ниж.-Волж. кн. изд-во, 1979.

5. Черчинцева Т.С., Кузнецова Т.С. Геомеханические основы прогноза объемных деформаций и устойчивости откооов горных пород: монография. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. 60 с.

List of literature

1. The Rules of the provision to stability escarpment on coal mininq. SPb., 1998.

2. Galustiyan E.L. Large-scale deformation of flank of an opencast in utter rocks // Gornyy zhurnal. M.: Depths, 1990. 5.

3. Zoteev O.V. Geomechanics. Ekaterinburg: UGGA 1997.

4. Tsvetkov V.K. The Calculation to stability of escarpment and declivity. Volgograd: Lower-Volzhskoe izd. 1979.

5. Cherchintseva T.S., Kuznetsova T.S. Geomechanics bases of the forecast three-dementional deformation and stability of escarpment rocks: Monografiya. Magnitogorsk: SEI of HpE «MSTU», 2007. 60 p.

УДК 622.343:622.272 Мещеряков Э.Ю., Угрюмов АН.

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ С ОБРУШЕНИЕМ РУД И ПОРОД ПРИ ОСВОЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ «ЧЕБАЧЬЕ»

В настоящее время заканчивается строительство подземного рудника для отработки медноколчеданного месторождения «Чебачье», находящегося в Верхнеуральском районе Челябинской области. Площадь рудного поля располагается в границах сельскохозяйственных земель, южнее которых находится озеро Чебачье. С целью обеспечения сохранности наземных объектов в качестве основной системы разработки проектом принята камерная с подэтажной отбойкой и твердеющей закладкой выработайного пространства. Применение данной системы разработки определяет необходимость значительных капитальных вложений на строительство закладочного комплекса и последующих дополнительных эксплуатационных затрат, связанных с производством и возведением закладки.

В условиях существенного падения цен на рынке металлов горнодобывающее предприятие предпринимает все возможные меры по сокращению расходной части бюджета, в рамках которых и возникла идея определения области применения менее затратных систем разработки с обрушением руд и вмещающих

пород при освоении запасов месторождения.

Медноколчеданное месторождение «Чебачье» представлено несколькими рудными телами, основным (95% балансовых запасов месторождения) является рудное тело № 2. Данное рудное тело имеет форму сложной линзы, вытянутой по длинной оси на 670 м в северо-восточном направлении по азимуту 30-35° при ширине до 432 м. Проекция рудного тела в плане имеет извилистые контуры с расширенной северной половиной и постепенно сужающейся и вытянутой в юго-западном направлении южной половиной рудного тела. Длина рудного тела изменяется от 16 до 432 м, мощность - от 1,8 до 80,7 м. Падение линзы преобладает пологое, восточное от 5 до 15-20°.

Рудное тело преимущественно сложено сплошными колчеданными рудами (89%), которые по простиранию, а также вдоль западной и восточной границ и со стороны лежачего бока сменяются вкрапленными разностями.

Гидрогеологические условия разработки месторождения характеризуются, в целом, как достаточно

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.