CC BY
29
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) '
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
