Способ расчета устойчивости карьерных откосов для сложноструктурных месторождений Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

------------------------- © П. С. Шпаков, С.Г. Ожигин, С.Б. Ожигина,

В.Н. Долгоносов, М.В. Шпакова, 2008

УДК 622.1:622.271

П. С. Шпаков, С.Г. Ожигин, С.Б. Ожигина,

В.Н. Долгоносов, М.В. Шпакова

СПОСОБ РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ

КАРЬЕРНЫХ ОТКОСОВ ДЛЯ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Приведена методика составления уравнений предельного равновесия с учётом элементов структурных особенностей прибортового массива, соответствующих конкретным условиям.

Семинар № 2

^разнообразие горно-геологических и горнотехнических условий разработки А- месторождений предопределило множество способов расчета устойчивости карьерных откосов (более 150), которые применяются для конкретных горногеологических условий. При обосновании устойчивости карьерных откосов сложноструктурных месторождений одной из главных задач является установление механизма деформирования откосов, так как возникает большое количество возможных реализаций разрушения и важно выбрать наиболее вероятную из них. Один из путей решения данной задачи состоит в совершенствовании численно-аналитического способа проф. П. С. Шпакова, достоинством которого является концептуальная основа, положенная в интегральное уравнение предельного равновесия: учет напряжений, действующих на элементарной площадке, производится на основе интегрирования влияния всех действующих факторов.

Поверхности скольжения могут проходить как по массиву, так и по структурно-тектоническому контакту при одновременном удовлетворении обычного и специального предельного равновесия на границе двух сред (рис. 1).

Конструктивные параметры предельных откосов можно определить так называемой функцией профиля Рк борта карьера (или его участка)

Рк = КН, а, Гі, ^, g¡, гу, ку кк, Ьк, 4, 1т, Ьт, g), (1)

где Н, а - параметры борта карьера; р, к, Уі, р', к) - физико-механические свойства горных пород структурно-литологических элементов и их контактов соответственно; Ьк, Ък, 5к - параметры уступов; Ят, /Зт - элементы залегания структурно-литологических элементов в массиве; § - уровень грунтовых вод.

Элементы структуры борта могут быть заданы как в явной форме Лт, вт, 5, Ьк, Ък, g, так и через координаты узловых точек, описывающих структуру. Во втором случае можно учитывать в расчете структурные особенности любой формы (пликативные, планетарные и другие).

н

у резкой откоса

Рис. 31. РПаетронениеемаовррннй-иипштяшлотхоют в апрещшшшй тшеермнаствео ослабления с под-

Задавая граничные условия в соответствии с залеганием структурно-лито-

логических элементов, интегральное уравнение предельного равновесия может быть представлено в общем виде

п =

|е т + ( )М + е т + кІ У1

-і -1 Ь м

=1

(2)

где Ш1 - количество литологических разностей, пересекаемых поверхностью скольжения; а - нормальное напряжение, действующее на элементарной площадке поверхности скольжения; т2 - количество контактов (поверхностей ослабления) по которым формируется поверхность скольжения; Ьм, - участки поверхности сколь-

жения, проходящие по массиву и контакту (поверхность ослабления) соответственно; т - касательное напряжение, действующие на элементарной площадке поверхности скольжения.

В зависимости от геометрической модели расчета и принимаемого к анализу механизма деформирования откосов уравнение предельного равновесия включает элементы структурных особенностей прибортового массива, соответствующие конкретным условиям, с их учетом производится перебор потенциальных поверхностей скольжения в расчетной призме и выбирается наиболее опасная. В результате анализа участков борта карьера по фактору устойчивости производится корректировка его контура, который может стать более выпуклым или вогнутым с целью определения наиболее рационального профиля устойчивого борта карьера. Подобный подход

Схема 1

позволяет подвергнуть расчетам не только плоский откос одиночного уступа, но и ступенчатый откос группы уступов, что повышает

обоснованность и точность инженерных решений по оценке устойчивости карь-

Рис. 2. Расчетная схема устойчивости откосов с наклонной поверхностью ослабления без подрезки откоса

Схема 2 ерных откосов и определе-

нию их предельных параметров. Оценка устойчивости ступенчатого карьерного откоса заключается в определении главных параметров борта карьера H, а, а затем частных hk, bk, 5k параметров уступов [1].

Составление уравнения предельного равновесия рассмотрим на примере расчетной схемы устойчивости карьерных откосов с наклонной поверхностью ослабления. В зависимости от местонахождения поверхности скольжения могут быть две расчетные схемы: для наклонной поверхности ослабления могут быть две расчетные схемы: схема 1 - без подрезки откоса (рис. 2, формула (3)); схема 2 - с подрезкой откоса (рис. 3, формулы (4, 5)).

Формула определения коэффициента запаса устойчивости примет вид:

gtgr т H1 cos2 qdl + k т dl + (P2 + P 3)tgryCosl + ky|E2E\

Li Li .

n = -------1---------------1--------------------------------+

0,5g т H1 sin2qdi + (P2 + P3)Sinl + 0,5g т H4 sin 2qdl

gtgr т H4 cos2 qdl + k т di + kН90/ 3

0,5g т H1 sin 2qdl + (P2 + P3)Sinl + 0,5g т H4 sin 2qdl

(3)

+

где Н - высота элементарного расчетного блока, м; Рг- - вес расчетного элемента на поверхности ослабления, Н; 0 - угол наклона элементарной площадки, градус.

Для схемы 3 - (32 > Рз

(P1 + P 2)tgr yCosl + kу|АС\

(P1 + P2) Sinl

(4)

Рис. 4. Расчетная схема устойчивости откосов с крутопадающей поверхностью ослабления при в2 > Рз

n -

Для схемы 4 - р2 < Рз

Рис. 5. Расчетная схема устойчивости откосов с крутопадающей поверхностью ослабления при р2 < р3

Если поверхность ослабления не плоская и описывается массивом узловых точек (точки 1-7 на рис. 3), то угол наклона элементарной площадки определяется с помощью формул интерполяции Лагранжа между узлами 1-7.

В этом случае интегральное уравнение равно-

весия может быть представлено в следующем виде:

n =

g tgr1 (т H1 cos2 qdl + т H2 cos2 qdl) + k1 т dl

Lx L2 Li + L2

0, 5g( т H1 sin 2qdl + т H2 sin 2qdl)

Li L2

(5)

Для крутопадающей поверхности ослабления также могут быть две расчетные схемы: схема 3 - р2 > р3 (рис. 4, формула (6)); схема 4 - р2 < р3 (рис. 5, формула (7)).

b 3 b 3

gR tgr т H1 cos2 qdq + kR т dq + (P2 + P 3)tgr yCosl + ky|EC\

bj bj

n =

(6)

n =

0,5gR т H1 sin 2qdq + (P2 + P3)Sinl

bi

b2 b3 b3

gR tgr(т H1 cos2 qdq + т H2 cos2 qdq) + kR т dq + P3 tgr yCosl + ky|EC|

b1 b2 b1

~2 *3

0,5gR (т H1 sin 2qdq + т H2 sin 2qdq) + P3 Sinl b1 b2

(7)

Непосредственное решение уравнений равновесия (2), (3), (5)-(7) относительно Н и г в элементарных функциях не представляется возможным. Поэтому решение этих уравнений выполняется численно-аналитическим способом [2] с учетом того, что откос каждый раз приводится в предельное состояние пропорциональным последовательным изменением прочностных характеристик массива до предельных.

Подобная методика составления уравнений предельного равновесия применяется также для учета структурно-литологической неоднородности, формы профиля борта, гидрогеологических условий, внешней нагрузки добавлением в уравнения соответствующих элементов.

b

1. Ожигин С.Г., Ожигина С.Б. Низаметдинов Ф.К. Оценка устойчивости трещиноватых откосов численно-аналитическим способом // Труды Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы горно-металлургического комплекса Казахстана». Караганда, 2003, С. 131-133.

2. Шпаков П. С. Маркшейдерское обоснование геомеханических моделей и разработка численно-аналитических способов расчета устойчивости карьерных откосов. Автореф. дис. д-ра техн. наук. М., 1988, 40 сШ

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------

Шпаков П.С.- профессор, доктор технических наук,

Муромский институт Владимирского Государственного Университета Ожигин С.Г.- доцент, кандидат технических наук,

Ожигина С.Б.- доцент, кандидат технических наук,

Долгоносое В.Н - доцент, кандидат технических наук,

Шпакова М.В.- студентка,

Карагандинский государственный технический университет

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 2 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Н. Попов.

----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

БАХАЕВА Светлана Петровна Оценка состояния и прогноз устойчивости техногенных грунтовых массивов угольных разрезов на основе комплексного мониторинга 25.00.16 д.т.н.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

1т

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания:

Число сохранений:

Дата сохранения:

Сохранил:

Полное время правки: 5 мин.

Дата печати: 25.11.2008 23:14:00

При последней печати страниц: 5

слов: 1 124 (прибл.)

знаков: 6 413 (прибл.)

2_Шпаков2

Е:\С диска по работе в универе\ГИАБ_2008\11\семинар С:\и8ег8\Таня\АррБа1а\Коатіп§\Місго80й\Шаблоньі\№гта1.до

© В

N А

03.09.2008 12:28:00 6

04.09.2008 14:20:00 Гитис Л.Х.