Влияние структуры массива на форму рационального профиля борта карьера Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

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

B.Н. Долгоносов,

C.Б. Ожигина, А.П. Шпакова, 2007

УДК 622.271

П.С. Шпаков, С.Г. Ожигин, В.Н. Долгоносое,

С.Б. Ожигина, А.П. Шпакова

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ МАССИВА НА ФОРМУ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ БОРТА КАРЬЕРА

Семинар № 2

Наиболее рациональная форма профиля борта карьера (плоская, выпуклая, вогнутая или сложная) зависят от структурно-тектонических особенностей приборто-вого массива горных пород: геологического строения и характера взаимного расположения литологических разностей пород прибортового массива, элементов залегания пликатив-ных и дизъюнктивных геологических нарушений, трещиноватости массива и пространственной ориентации систем трещин; от ряда горно-техноло-гических параметров, таких как глубина отработки, угла наклона борта, состава и свойств пород, гидрогеологических условий и прочих факторов.

Конструктивные параметры предельных откосов можно определять функцией профиля Р борта карьера (или его участка). В этом случае функциональную зависимость для предельного состояния п = 1 можно представить как:

Р = I [ Н, а, (Иу, Ьу), ту , х

X (Р,к!,Гу,р-,к\,у\),д!] ’ (1)

где ш* - количество структурнолитологических элементов в массиве; Н, а - главные параметры угла, их определяет Р; кь р ' 1, к' 1, у' 1 - фи-

зико-механические свойства структурно-литологических элементов (горных пород, их контактов, нарушений), углы внутреннего трения, сцепления; Ьь Ьь 8; - параметры предельных уступов; (а*) - элементы залегания стук-

турно-литологических элементов в массиве; д - гидрогеологические условия, уровень грунтовых вод.

В результате решения данного уравнения устанавливаются вначале главные параметры борта карьера Н, а, а затем частные Ьь Ьь 8; параметры уступов, площадки безопасности и транспортные бермы.

Из вышеприведенного видно, что рациональный профиль борта, соответствующий предельному состоянию (п = 1) функционально зависит от элементов структуры слагающих его элементов, показанных в скобках уравнения (1). Таким образом, функция профиля предельного борта карьера зависит от его структурных элементов и определяется уравнением предельного равновесия, включающим в себя элементы структуры.

Элементы структуры борта могут быть заданы как в явной форме Аь 8;, Ьь Ьь д, так и в неявной форме, через координаты узловых точек описывающих структуру, например «скользящим» полиномом Лагранжа.

Рис. 1. Расчет устойчивости стационарного борта разреза «Богатырь» по разве■ дочной линии 41-41 (участок 2)

В зависимости от конкретных структурных особенностей приборто-вого массива, а так же его структурной (геометрической) модели и принимаемого к анализу механизма деформирования уравнение предельного равновесия включает соответствующее число элементов, т.е. «собирается» в зависимости от конкретных горно-геологических и технологических условий.

Рассмотрим вышесказанное на конкретном примере.

Разрез Богатырь. Юго-западный стационарный борт разреза «Богатырь» сложен алевролитами, аргиллитами и песчаниками, поверхности ослабления на контактах и по наслоению.

Мульдообразное залегание (синклинальная складка), характерное для многих угольных месторождений вносит свои особенности в учет структуры при оценке устойчивости.

Анализ геологического строения показывает, что механизм деформи-

рования у борта, групп уступов и уступов различен.

Деформации уступов происходят по слоистости, сланцеватой структуры (алевролитов, аргиллитов), с неблагоприятно (в сторону откосов) ориентированными элементами залегания трещин под углом 220 - 440. К тому же при удалении от поверхности уступа сцепление по контакту увеличивается, что подтверждают исследования ВНИМИ [1]. При определении устойчивости борта в целом главное влияние будет оказывать контактная прочность между угольной пачкой и подстилающими породами. Поэтому при определении наиболее рациональной функции профиля сначала устанавливаем параметры предельных откосов уступов, а уже с использованием этих данных параметры предельного откоса для борта в целом. Физико-механические свойства горных пород, используемые в расчетах, приняты на основании исследований Казахского филиала ВНИМИ [1].

Выполненные расчеты по оценке устойчивости стационарного борта разреза в районе станции «Фланговая» (р.л.41-41) по методике [2] показали, что борт на участке в целом устойчив (рис. 1). Величина коэффициента запаса устойчивости борта п > 2.0, что подтверждается ранее выполненными расчетами [1]. Залегание пород пологое, углы наклона борта 12-160. Потенциальная поверхность скольжения при данных параметрах борта не может сформироваться только по контактам пород, а пересекает слоистый массив, обеспечивая его устойчивость.

При постановке нижних уступов гор.-30 м -5 м, гор.-5 м - +20 м, гор. +20 м —+45 м в стационарное положение, в соответствии с проектом «Вскрытие и подготовка горизонта -30 м» («Карагандагипрошахт и К», 2001 г.) происходит подрезка контактов между слоями. В связи с этим появляется возможность возникновения поверхности скольжения, проходящей только по контакту. На основании расчетов, выполненных для трех возможных положений поверхности скольжения, проходящей по контакту между породами, можно утверждать, что борт на проектном контуре до гор. -30 м также будет находиться в устойчивом состоянии (птп = 1,30).

Анализ фактического состояния устойчивости уступов показывает, что на возникновение деформационных процессов основное влияние оказывают угол наклона уступа, угол наклона согласно падающего контакта и величина сцепления по контакту. Первые два параметра определяются достаточно надежно. На величину сцепления существенное влияние оказывают взрывные работы, воздействие горно-транспортного оборудования и процессы выветривания. Величина сцепления в зависимости от ме-

стоположения контакта может составить 2-4 т/м2 [1].

Расчеты по оценке устойчивости фактических откосов уступов показали возможность их деформирования при существующих параметрах, т.к. Пф < пдоп (пдоп=1,5-2,0). В связи с тем, что прочностные свойства слоистого массива неоднородны по площади, деформации наиболее вероятны в местах, где величина сцепления станет менее 0,03 МПа, что подтверждается существующей деформацией горизонтов +70 - +94 м и +94 -+ 115 м.

Для расчетов устойчивости уступов, подсеченных системами трещин, на основании ряда аналитических решений [3] разработана программа, которая позволяет определить устойчивость откосов уступов в анизотропной трещиноватой среде, где в основу расчета приняты типовые схемы проф. Р.П. Окатова для слоистых, трещиноватых откосов. Программа реализована с помощью пакета Ое1рЫ фирмы версии 4.0 и может использоваться на рабочих станциях под управлением операционных систем Windows 95/98, Windows NT 5.0 и Windows 2000.

Анализ устойчивости прибортово-го массива показал, что при опускании горных работ до горизонта 0 м устойчивость борта в целом соблюдается.

Выполненный комплекс научных исследований по геомеханическому обоснованию параметров откосов карьеров позволил увеличить углы наклона откосов уступов на 5-10° по сравнению с проектными и в целом бортов карьеров - на 2-4 . Таким образом, научно-обоснованное конструирование профилей устойчивых бортов карьеров сложноструктурного месторождения привело к сокращению объемов вскрышных пород и

снижению себестоимости добываемой продукции.

Выполненные исследования позволяют сделать вывод о том, что профиль предельного борта карьера зависит от структурных элементов массива горных пород и определяется уравнением предельного равновесия, включающим в себя эле-

1. Рекомендации по параметрам бортов и уступов разрезов производственного объединения «Экибастузуголь» и физикомеханические свойства горных пород. Казахский филиал ВНИМИ. Караганда, 1982. - 29 с.

2. Шпаков П. С., По клад Г. Г., Ожигин

С.Г., Омаров С. Т. Расчет устойчивости

менты структуры. Учет структурнотектонических особенностей должен являться одним из важнейших элементов при анализе устойчивости прибортовых массивов, так как именно они оказывают решающее влияние на механизм деформирования и правильный выбор расчетной схемы устойчивости.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

карьерных откосов для геомеханической модели неоднородного массива. Изв. вузов. Горный журнал, 1991, № 9, с. 51-55.

3. Попов И.И., Окатов Р.П., Низамет-динов Ф.К. Механика скальных массивов и устойчивость карьерных откосов, Алма-Ата, 1986, 256 с.

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

Шпаков П.С. - профессор, доктор технических наук, Муромский институт Владивостокского государственного университета,

Ожигин С.Г. - доцент, кандидат технических наук, Карагандинский государственный технический университет,

Долгоносов В.Н. - кандидат технических наук, Карагандинский государственный технический университет,

Ожигина С. Б. - старший преподаватель, Карагандинский государственный технический университет,

Шпакова А. П. - студентка Муромский институт Владивостокского государственного университета.