Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Теорія управління станом гірського масиву - файл 1.doc


Лекции - Теорія управління станом гірського масиву
скачать (2253.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc2254kb.17.11.2011 01:22скачать

содержание

1.doc




Конспект лекцій з вибіркової дисципліни

«Теорія управління станом гірського масиву»


Кафедра відкритих гірничих робіт

Національного гірничого університету


Конспект лекцій підготував

проф. Кафедри ВГР Симоненко В.І.


Затверджено метод комісією 7.090301


«Розробка родовищ корисних копалин»

Пр. №1 від 18.02.08 р.


Дніпропетровськ

2008

Зміст дисципліни «Теорія управління станом гірського масиву»





1. Відкриті гірські роботи в складних гірничотехнічних умовах.

1.1. Загальні питання доцільності управління стійкістю відвалів і бортів кар'єрів.

1.2. Основні поняття до дисципліни.

2. Природні і техногенні фактори стійкості масивів гірських порід.

2.1. Масиви гірських порід відвалів і бортів, їхня загальна характеристика.

2.2. Фактори стійкості масивів.

2.3. Основні властивості порід, які регулюють поводження масиву.

2.4. Реологічні властивості гірських порід.

2.5.  Підземні води і кліматичні фактори.

2.6. Структурна характеристика порід масиву.

2.7. Техногенні фактори стійкості відвалів і бортів.

3. Деформація масивів, відвалів і бортів.

3.1. Характеристика деформацій.

3.2. Спостереження за станом бортів і відвалів.

3.3. Паспортизація деформацій укосів відвалів і бортів.

4. Прогнозування стійкості відвалів і розрахунок їхніх параметрів.

4.1. Сутність прогнозування схеми й методи розрахунку.

5. Управління стійкістю відвалів і бортів.

5.1. Способи управління стійкістю укосів.

5.2. Маневрування гірничими роботами.

5.3. Зниження впливу підривних робіт на стійкість бортів.

5.4. Інженерні методи управління станом масиву гірських порід.

6. Визначення стійкості відвалів.

6.1. Визначення кута укосу відвалів, розташовуваних на стійкій підставі.

6.2. Методика розрахунку параметрів відвалів, розташованих на шарі нестійких (пластичних) порід.

6.3. Борт має ряд несприятливо орієнтованих поверхонь ослаблення або поверхня ковзання на профілі має вигляд ламаної лінії

6.4. Відвал перебуває на шаруватій похилій основі.

6.5. Проектування високих відвалів скельних порід.

6.6. Слабкі породи у відвалі на стійкій основі.

7. Розрахунок стійкості бортів кар'єру.

7.1. Параметри плоского борта при відсутності несприятливо орієнтовних ослаблень.

7.2. Розрахунок стійкості бортів опуклого профілю.

7.3. Борт складений обводненими рихлими породами

7.4. У основі борта або відвала залягає шар пластичних глин

7.5. Борт складений обводненими рихлими породами і в основі його залягає шар пластичних глин.

7.6. Борт має несприятливі орієнтовані площини ослаблення.

7.7. Борта у вигляді синклінальних складок.



Рекомендована література


1. А.Г. Шапарь. Механика горных пород и устойчивость бортов карьеров. – К. Вища школа, 1973. – 120 с.

2. Устойчивость бортов и осушение карьеров: Учебник / А.И. Арсентьев, И.Ю. Букин, В.А. Мироненко. – М. Недра, 1982. – 165 с.

3. Управление состоянием массива горних пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых. / Ю.П. Астафьев, Р.В. Попов, Ю.М. Николашин. – Киев; Донецк: Вища шк. Главное из-во, 1986. – 272 с.


Лекція №1


Відкриті гірничі роботи в складних гірничотехнічних умовах


1.1. Загальні питання доцільності управління стійкістю

відвалів і бортів кар'єрів


Розробка родовища корисної копалини відкритим способом пов’язана із впливом технічних засобів і людини на масив гірських порід. Для ефективної роботи устаткування з дотриманням безпечних умов праці необхідно знати й уміти прогнозувати стан масиву гірських порід у бортах кар'єрів, у відвалах як внутрішніх, так і зовнішніх. При цьому необхідно забезпечити збереження об'єктів, споруджень, механізмів, що перебувають у зоні впливу призм можливих обвалень укосів. Важливо також ураховувати природні гідрогеологічні умови, у яких перебуває масив порід. Насамперед, для масивів – це вода. Наявність її в середині масиву викликає зміни фізико-механічних властивостей порід, що призводить до порушень стійкості. У таких умовах гірничі роботи можуть вестися в режимі керованих деформацій (обвалень) уступів і укосів.

Всі перераховані вище питання становлять розділ гірничої науки, що присвячена вивченням методів і способів управління станом масивів гірських порід.

Управління станом масивів гірських порід являє собою сукупність заходів щодо цілеспрямованого переводу природних і техногенних масивів у стійкий близький до граничного стан, або ж у нестійкий стан у залежності від технічної доцільності, шляхом зміни розмірів, форми й тривалості оголення, а також фізико-механічних властивостей гірських порід за допомогою різних інженерних методів впливу для економічного й безпечного ведення відкритих робіт.

Для успішного вирішення цих питань в інженерних розрахунках використовуються досягнення таких наук, як геологія, механіка гірських порід, математика, фізика й ін. Дана дисципліна тісно пов'язана з технологією і комплексною механізацією відкритих гірничих робіт, гірничої геомеханіки або механікою гірських порід.

Головне завдання при вивченні дисципліни – вивчити заходи щодо забезпечення стійкості, граничної рівноваги або нестійкості укосів. Повинні враховуватися всі досягнення механіки гірських порід, досвід боротьби з порушеннями стійкості на кар'єрах і відвалах. Вихідні принципи управління станом масивом гірських порід сформульовані академіком Ржевским В. В. Це наступні:

– прийняті кути укосів бортів кар'єрів повинні забезпечувати безпечне ведення гірничих робіт і найбільшу економічність розробки родовищ;

Кзу бортів кар'єрів варто встановлювати на підставі розвідувальних даних по стадіях при проектуванні, будівництві кар'єру і у перший період його експлуатації, при забезпеченні стійкості робочих і проміжних бортів кар'єрів, визначенні їхніх граничних контурів, на підставі даних тривалої експлуатації;

– у складних умовах, особливо в глибоких кар'єрах, необхідно приймати спеціальні заходи щодо управління станом масивом гірських порід у бортах;

– на кар'єрах необхідно створювати спеціальні служби спостереження за стійкістю бортів і контролю проведених заходів;

Надійність бортів по стійкості – пов'язана з їхнім нахилом. Більш пологі борти – мають більш високу надійність стійкості. Але економічно більш вигідно мати круті борти, щоб Vв = min. Ув'язування необхідної надійності з економічністю забезпечуються точним розрахунком, з дотриманням умови забезпечення стійкості укосів у процесі розвитку кар'єру або відвала і спрямованим впливом на стан масиву.

Найважливіше завдання – освоєння методів кількісної оцінки стійкості уступів, бортів кар'єрів і відвалів з урахуванням глибини розробки, інженерно-геологічних, сейсмічних і тектонічних процесів, гірничотехнічних умов і гідродинамічного тиску.

Розрізняють технологічні і інженерні методи управління станом масиву гірських порід. Технологічний метод управління станом масиву гірських порід здійснюється з урахуванням умов стійкості укосів шляхом зміни їхніх параметрів, застосуванням спеціальної технології постановки бортів у граничне положення. Інженерні – засновані на використанні зміцнення ділянок бортів і зміцнення гірських порід.


1.2. Основні поняття до дисципліни


Масив гірських порід – частина земної кори, що вміщає кар'єр, техногенні насипи, що обмежені зоною з локалізованими інженерно-геологічними явищами, викликаними процесом видобутку корисної копалини.

Інженерно-геологічні явища – це роздільного роду порушення: деформація бортів й укосів (обвалення, зсуви, опливини й т.п.).

Стійкість масиву гірських порід обумовлена спільною дією великої кількості факторів. Вони поєднуються:

природні (фактори геологічного, гідрогеологічного і кліматичного походження – будова і властивості гірських порід, напружений стан масиву, водоносність, температура і атмосферні опади);

техногенні (фактори, що визначаються геометричними параметрами кар'єру, системою розробки, структурою гірничо-транспортного устаткування, кутом нахилу, висотою уступів, бортів, відвалів, глибиною і формою кар'єрів у плані, напрямку і Vподв гірничих робіт, вплив вибухів і застосовуваного устаткування, наявністю підземних гірничих виробок).


Лекція №2


Природні і техногенні фактори стійкості масивів гірських порід


2.1. Масиви гірських порід відвалів і бортів, їхня загальна характеристика


Масиви гірських порід представлені різними інженерно-геологічними типами порід. Це три типи:

1. Із твердими зв'язками або тверді гірські породи. Сюди відносяться магматичні, метаморфічні і осадові породи із твердими зв'язками на рівні кристалізації між окремими частками. Їх у практиці називають скельні і напівскельні породи.

2. М'які зв'язні породи – це тонкодисперсні осадові породи, що містять не менш 5 % глинистих часток (d < 0.005 мм). Підрозділяються по складу на глини, суглинки, супіски, лесовидні глини і суглинки.

3. Незв'язні, різнозернисті породи або сипучі. Поєднують у собі осадові уламкові породи (великоуламкові (d > 2 мм), піщані (d > 0.05-2мм)). Окремі зерна і агрегати цих порід зв'язані між собою переважно силами тертя.

Характеристика:

Перша група порід – мають високу міцність, вона майже не змінюється під впливом води. Умовно до цієї групи відносять і мерзлі гірські породи. Структурні зв'язки в таких породах визначаються наявністю льоду, а міцність їх значно нижче. Але в масиві мерзлі породи поводяться подібно скельним породам.

Друга група – міцність залежить від наявності води. Вода визначає водно-колоїдальний характер зв'язків між частками. У сухому стані породи мають відносно високу міцність. З ростом вологості – міцність зменшується, а при великому змісті води – породи можуть зовсім втратити міцність і переходити в текучий стан.

При зволоженні зв'язні породи набухають, при висушуванні дають усадку. Змінюється в цьому випадку обсяг на 25-30 %. Тиск набрякання, що розвивається при цьому, може досягати 1,5 МПа, а це часто приводить до небезпечних деформацій масиву в бортах кар'єру або відвалах.

Третя група – породи мають значну міцність при перевазі великих пор. Це спричиняється більшу водопроникність і водовіддачу. Стійкість порушується в таких породах шляхом розвитку деформацій, які відповідають моделі деформації сипучих тіл.

У межах одного масиву, борта, відвала можуть виявитися всі три групи порід. Тоді стійкість окремих ділянок і фактори, що визначають стійкість масиву в цілому, будуть різними.

При горизонтальному і пологому заляганні групи порід з малою тектонічною й фаціальною мінливістю мають місце прості умови складності залягання порід. Для умов середньої складності залягання порід характерно похиле й круте залягання порід зі складним характером порушень і тріщин.

Складні умови – характеризуються розвитком інтенсивної складчастості, тріщинуватості і тектонічної порушеності, сильною фаціальною мінливістю гірських порід.


^ 2.2. Фактори стійкості масивів


Підрозділяються на природні й техногенні:

а) Природні – (інженерно-геологічні, гідрогеологічні, фізико-географічні).

Інженерно-геологічні включають:

– напружений стан; – структурна неоднорідність; – властивості гірських порід.

^ Гідрогеологічні включають:

– гідростатичне зважування; – гідродинамічний тиск; – поровий тиск; – суффозії, розчинення, карсти.

Фізико-географічні включають:

– атмосферні опади; – температура повітря і порід; – рельєф місцевості.

б) Техногенні – (геометричні параметри кар'єрів, спосіб розкриття й система розробки, застосовуване гірничо-транспортне устаткування).

Геометричні параметри – кути укосів і висота бортів, відвалів; форма кар'єру в плані.

Спосіб розкриття й система розробки – розщільнення гірських порід; напрямок і швидкість посування фронту гірничих робіт; вплив БВР; наявність підземних виробок.

Застосовуване гірничо-транспортне устаткування – форма укосу уступу; статичні й динамічні навантаження від устаткування.


2.3. Основні властивості порід, які регулюють поводження масиву


1. Фізичні властивості гірських порід – вологість W, щільність ρп, водопроникність, морозостійкість, об'ємна вага (маса) γ, пористість Р.

2. Фізико-хімічні властивості гірських порід – розчинність, пластичність, консистенція, набрякання, водоміцність, розмочуваність, розм’якаємість, розмиваємість.

3. Фізико-механічні властивості гірських порід.

Деформаційні властивості – модуль пружності Е (модуль Юнга), відносна деформація е, компресія, декомпресія, консолідація.

Міцності властивості – міцність на стиск Gсж, розтягання Gр, зрушення Gсдв, вигин Gизг, напруги (дотичні, нормальні, повні), коефіцієнт внутрішнього тертя tgρ, зчеплення С.


2.4. Реологічні властивості гірських порід


– повзучість;

– тривала міцність.

Повзучість – явище наростання деформації гірських порід у часі при постійній напрузі. Закономірності повзучості вивчаються експериментальним шляхом.




Визначаємо залежність деформації зрушення (Е) при даному дотичному напруженні (τ) у часі (t) або залежність швидкості зрушення від напруги.

Це криві наростання деформації зрушення при трьох значеннях τ, які характеризують такі фази повзучості:

I – первинна фаза повзучості (загасаюча) – повільна деформація, що загасає в часі.

II – вторинна (постійна) – не загасаючі в часі й мають V = const.

III – третинна (зростаюча) – не загасаюча в часі й зростаючі по величині деформації, які приводять до руйнування породи.

При оцінці стану масиву, коли їхня стійкість зберігається тривалий час, напруга не повинна перевищувати τ2.

Пластичні глини проявляють властивості повзучості при τ ≈ сотої і десятої частки МПа; скельні – у десятки МПа.

Тривала міцність τ – максимальна величина дотичного напруження, при якій швидкість деформації прагне до нуля, а величина Е прагне до кінцевого значення. Якщо τ < τ, то повзучість загасне без руйнування масиву.

У противному випадку повзучість приводить до руйнування масиву і тим швидше, чим більше діє напруга τ.

Визначаємо за графіком, він будується на підставі кривих повзучості.



τ1, τ2, τ3, τ4, τ5 – точки на кривої повзучості, що відповідають моменту руйнування масиву.

Величина t для кожної точки переноситься на графік тривалої міцності, де по координатах τ і t будуються точки руйнування.

τ0 – миттєва (стандартна) міцність.

τt1 ÷ τt3 – тривала міцність.

τ – гранична тривала міцність.

Для глинистих порід гранична тривала міцність нижче τ0 на 30-60 %, а для мерзлих гірських порід – в 5 і більше раз. Все це повинне враховуватися при оцінці стійкості в часі на постійних укосах.


^ 2.5. Підземні води і кліматичні фактори


Обводненість масиву гірських порід істотно впливає на фізико-механічні властивості і його стійкість.

У зв'язних породах зменшується С и ρ, і збільшується γ, при наявності глинистих часток підвищується деформованність за рахунок пластичних властивостей.

У скельних і напівскельних породах – впливає вода на вивітрювання. Вивітрювання порід позначається на стійкості укосів тільки при їхньому тривалому стоянні. При наявності в масиві тріщин і розламів, заповнених глиною, наповнювач під дією води може набухати і розщільнятись. Цим самим масив губить свою міцність. Якщо тріщини і розлами залягають із нахилом убік укосів, то може відбутися зсув або обвалення.

Деякі напівскельні породи (наприклад, що містять сіль) гублять міцність у результаті розмокання і розчинення.

Незв'язні різнозернисті породи не змінюють своїх міцносних властивостей під впливом води. Деформації укосів порозуміваються наявністю гідростатичних і гідродинамічних сил.

У глинистих породних масивах при розробці вищезалягаючих шарів змінюється (зменшується) тиск поблизу укосу. У цьому шарі починає розвиватися процес набрякання. Що приводить до зменшення С, ρ в 8-10 й 2-2,5 рази.

Гідростатичний тиск – проявляється архімедовими силами зважування, які зменшують тиск стовпа гірських порід над можливою площиною ковзання. Тим самим зменшуються сили тертя.

Приклад: Укіс складений однорідними гірськими породами зі зчепленням С и кутом тертя ρ. Водоносний горизонт ґрунтових вод виходить на поверхню (УГВ).




Стійкість укосу відносно круглоциліндричної поверхні АГЕВ розглянемо, розбивши призму на вертикальні відсіки однакової ширини. Проаналізуємо сили, що зрушують і утримують. Гідростатичне зважування буде діяти по лінії ковзання і визначиться в кожній точці як вектор сили, спрямованої перпендикулярно до неї. Величина цього вектора Фi залежить від питомої ваги води γв і висоти стовпа води над лінією ковзання hi. У точці Г величина Ф3 = ДГ = γв h3. Лінія АДЕ, проведена через початки векторів, і лінія ковзання АГВ утворять епюру розподілу гідростатичного тиску на призму можливого оповзання. Для виділених відсіків сила гідростатичного зважування буде розподілятися по лінії li, вона складе:



hi – середня висота рівня води у відсіку над площиною ковзання.

Рівняння граничної рівноваги для блоку № 3:



Для всього укосу:



Гідростатичний тиск (зважування) важливо враховувати в умовах частково підтопленого укосу. Наприклад, при затопленні кар'єрів, при роботі плавучих земснарядів, в укосах гідровідвалів, при наявності напірних підземних вод й ін.

Гідродинамічний тиск – створюється в результаті опору породи руху (фільтрації води). Воно об'ємне, спрямовано уздовж лінії струму. Питома величина струму:

I – напірний градієнт;

γв – питому вагу води, Н/м3.

При наявності в укосі напірного водоносного горизонту перекритого шаром водотривких глин потужністю (m) висхідна фільтрація через них приведе до зменшення напруг на величину D, що для площадки А-А складе (рис.):




У – поточна ордината, м;

НА – напір у точці А;

Загальна ефективна напруга на площадці А-А GАА (МПа) визначається по формулі:



– питома вага природної гірської породи з урахуванням гідростатичного зважування

Спільний вплив гідростатичного і гідродинамічного тиску визначається методом заміни об'ємних сил на еквівалентні контурні. Тоді результуюча сила



Сила Фi спрямована нормально до площини ковзання в середній точці i-го блоку.

Коефіцієнт запасу стійкості дорівнює:



Рi – маса породи з водою.

Гідростатичний і гідродинамічний тиск проявляється часто через поровий тиск. Воно виникає при ущільненні водонасичених глинистих порід. При ущільненні потрібно, щоб вода віджалася. Проникність порід низька, вода перебуває в порах і приймає на себе частину прикладеного навантаження. Виникає у воді додатковий гідростатичний тиск. У розрахунки вводиться у вигляді поправки (додається) до гідростатичних і гідродинамічних сил, розрахованим по формулі:

.

Клімат.

Кількість атмосферних опадів, їхня періодичність, потужність покриву снігу, чим більше всі ці фактори діють – частіше зсуви. Температурний режим – на вивітрювання порід в укосах й їхнє опадання.


2.6. Структурна характеристика порід масиву


– це анізотропія й неоднорідність.





Анізотропіязміна властивостей гірських порід від обраного напрямку.

Сланцеві породи – легко зрізуються по напрямку сланцюватості, чим поперек неї. У лісів суглинків ↓. Водопроникаємі » → у цих напрямках


^ 2.7. Техногенні фактори стійкості відвалів і бортів


Впливають: 1) геометричне розміщення кар'єру; 2) розщільненість м.п.п.; 3) способи розкриття родовища; 4) система розробки й режим гірничих робіт; 5) застосовуване устаткування.

1) Геометричні параметри – форма борта по стійкості найбільше сприятливо ввігнута в плані. Форма укосів у розрізі (профіль) практично не впливає на загальну стійкість. Впливають висота і кут нахилу.


2) Розщільненість за рахунок розвантаження від тиску вищезалягаючих порід, змінюється напружений стан, формується зона розщільнення навколо кар'єру, що нагромадилася в масиві енергія від геостатичних навантажень і тектонічних сил, вивільняється й витрачається на деформацію масиву – з'являються тріщини, поверхневі ослаблення.

3) Положення виробок, що розкривають, щодо контуру кар'єру без обліку структурної неоднорідності масиву





4) Напрямок ведення гірничих робіт повинне бути не співпадаючим із площиною ослаблення й повинне відрізнятися > 200 при падінні їх убік виїмки. Час стояння уступів без відновлення укосів.


Лекція №3


Деформація масивів, відвалів і бортів


3.1. Характеристика деформацій


Це складні інженерно-геологічні явища, що приводять до зміни форми контуру гірських виробок, відвалів під впливом природних і техногенних (горнотехнічних) факторів.

Осипи – скупчення зруйнованих продуктів гірських порід у основі укосів і уступів. Характерно для всіх типів породних масивів.

Обвалення – відрив і швидкий зсув окремих блоків і мас гірської породи по крутій поверхні ковзання, часто супроводжується скочуванням, перекиданням і розколюванням. Відбувається швидко (кілька секунд-хвилин). Передує мікроруху.

У твердих скельних породах – на поверхню ослаблення, нахилом убік кар'єру під кутом більше 300.

Зсув – складний вид деформації масиву гірських порід, являє собою повільний переміщення гірських порід.

Вони бувають дрібні, середні й великі.

Поверхня ковзання: вийнята в однорідних породах; по площині ослаблення в неоднорідних породах.

Порядок утворення зсуву:

1) тріщини;

2) утворення сходинок;

3) тріщини сколювання (зрушення).

Тривалість більша.

Фільтраційні деформації: механічна суффозія – винос фільтраційним потоком дрібних часток з масиву піщаних гірських порід з утворенням порожнин (печер, каналів).

Фільтраційний винос часток уздовж тріщин.

Опливини (опливання) – перенос і перевідкладення часток породи підземними водами, що випливають на укіс у межах проміжку висачування.

Довжина язиків опливання:





hв – висота висачиваємої води на укосі;

Iс – середній ухил зони опливання на укосі.

;

X – величина впливу потоку на питому витрату води й діаметр зерен порід.

qо – питома витрата підземних вод, м2/сут;

k – коефіцієнт фільтрації, м/сут;

m – розрахункове закладення укосу, визначається:

Ширина зони опадання:

;

Плавуни – водоносні дисперсні гірські породи, які при розкритті гірничими виробками поводяться як грузлі рідини або течуть.

На відвалах: надпідошовний, підошовний і підпідошовний зсуви.

Осідання відвалів – вертикальне опускання відвального масиву в результаті ущільнення порід відвала і його основи.


^ 3.2. Спостереження за станом бортів і відвалів


Візуальні спостереження, маркшейдерсько-геодезичні (інструм.) спостереження.

Інженерно-геофізичні спостереження, інженерно-геологічні й гідрогеологічні методи.

Залежність між спостережуваною швидкістю деформації борта (Vп) і її критичним значенням (Vо):



Те – проміжок часу до моменту обвалення, рік;

tп – інтервал часу від початку спостереження до повного циклу спостережень, рік;

β – коефіцієнт пропорційності.



V (t) швидкість деформації за момент часу t;

a, b, k – коефіцієнти, що визначаються емпірично.


3.3. Паспортизація деформацій укосів відвалів і бортів


Паспорт деформації – єдиний технічний документ деформації укосу або порушення укосу, стійкості відвала і т.д.

Паспортизуються: довжина по фронту деформації В, глибина її розвитку А, величина зсуву від нижньої брівки по напрямку зсуву Б.





Лекція №4


Прогнозування стійкості відвалів і розрахунок їхніх параметрів


4.1. Сутність прогнозування схеми й методи розрахунку


Науково обґрунтоване судження про перспективи і можливі стани укосів у період терміну служби їх у кар'єрі – прогнозування стійкості.

Прогнози розрізняють кілька видів:

– за часом;

– за методами;

– за характером і етапами.

Проміжок часу, на який розробляється прогноз, називають періодом попередження. Це оперативний (від доби до місяця), короткостроковий (від місяця до року), середньостроковий (від 1 року до 5 років), довгостроковий (від 5 до 15 років) і далекостроковий (> 15 років).

По методах розробки прогноз розділяється:

– емпіріко-статичний;

– генетичний.

Емпіріко-статичний – за емпіричними даними, визначається з певною ймовірністю встановленої закономірності розвитку геомеханічного процесу в минулому для ухвалення рішення на майбутнє.

Генетичний – виявляється причинно-наслідковий зв'язок прогнозованих деформацій уступів, бортів і відвалів з факторами, що впливають на стійкість укосів.

Емпіріко-статичний метод прогнозу будується за результатами аналогій, паспортизації і систематизації порушень укосів.

Генетичний метод використає результати планомірних досліджень стійкості бортів кар'єрів і відвалів конкретного родовища.

Головне завдання цього методу – визначення критичних повних зсувів і величин зрушень бортів і відвалів, після досягнення яких починається швидке руйнування масиву.

Розрізняють пошуковий прогноз стійкості й нормативний прогноз стійкості.

Пошуковий – визначення можливих станів масиву гірських порід протягом усього терміну служби кар'єру або відвала за даними геолого-розвідницьких робіт. Розробляється на стадії проектування із застосуванням методів інженерно-геологічного прогнозу (аналогій, моделювання укосів, розрахункові).

Метод аналогії – виявляється подібність розвідуємого родовища з умовами відпрацьованого або що розроблюється. Все ця подібність установлюється по геологічній подобі. Основне – знайти аналоги, подібні по складу й властивостям порід, інженерно-геологічній будові й гідрогеологічним умовам, відвалу що проектується.

Методи моделювання – обґрунтовується схемі розрахунку стійкості укосів, механізму їхнього деформування, раціональний профіль укосу й ін. використаються еквівалентні матеріали, оптично активні, різні суміші. Моделі випробовуються на плоских й об'ємних стендах, у центрифузі. Математичне моделювання – широко використовується.

Нормативний – полягає у визначенні шляхів і строків досягнення припустимих деформацій укосів на різних етапах розвитку гірничих робіт. Використовується в період будівництва й експлуатації кар'єру, відвала. Необхідно виявити ділянки, де можливі деформації укосів через геологічні порушення, зміни гідрогеологічних умов і геомеханічних параметрів масиву.

Прогноз геологічних порушень – зміна потужності, тріщинуватості, кутів й азимутів падіння, шарів і прошарків, тектонічних і карстових порушень, включень слабких і твердих порід.

Гідрогеологічний прогноз – очікувані зміни обсягів припливу води, рівнів і припливів її й ін.

Прогноз геомеханічних параметрів – очікувані зміни Rсдв, γ, W, E.

Ураховуються також: результати маркшейдерсько-геодезичних, інженерно-геофізичних, інженерно-геологічних спостережень.

Технологія складування порід у відвалах, зміна Rсдв, порового тиску й ін. фактори.

Методи розрахунку: (у практичних заняттях розглядалися)

Зчеплення в масиві:



С, С´ – зчеплення в зразку гірських порід, отримані при випробуванні моноліту і по тріщині в лабораторних умовах, МПа;

a – коефіцієнт по таблиці;

Н – висота борта, м;

W – середня інтенсивність борта, м-1.

Уводиться коефіцієнт запасу стійкості необхідний n тоді





С´, ρ´ – зчеплення й кут внутрішнього тертя по поверхні ослаблення і контактом шарів.

Це розрахункові значення, по них визначається положення лінії ковзання, розраховується стійкість укосу.


Лекція №5


Управління стійкістю відвалів і бортів


5.1. Способи управління стійкістю укосів


Якщо конструктивні параметри кар'єру не забезпечуються умовами стійкості, то необхідно зменшувати кути укосів бортів або спрямовано змінювати стан масиву шляхом застосування спеціальних технологічних й інженерних методів управління станом укосів.

^ Технологічні способи управління станом укосів:

1. Маневрування гірничими роботами, – або дотримання черговості відпрацьовування родовища; раціональне розкриття і розкрійка кар'єрних полів, зміна параметрів уступів і борта, напрямок і швидкість посування фронту гірничих робіт, спеціальне завідкашування.

2. Зниження шкідливого впливу вибуху – здійсненням управління сейсмічним полем напруг, локалізацією дії вибуху, спеціальним завідкашуванням уступів.

Інженерні способи управління станом укосів:

Зміцнення укосів, зміцнення гірських порід.

Зміцнення укосів виробничо-механічними способами, ізольоване покриття поверхні укосів, комбіноване управління.

Зміцнення гірських порід – цементація, хімічне закріплення, термічний спосіб, ущільнення порід вибухом.

Управління укосами способом зміцненням укосів механічними способами приводить до створення в певній частині масиву гірських порід такого напруженого стану, що перешкоджає розвитку в ньому руйнуючих зрушуючих деформацій.

Укріпні протизсувні конструкції сприймають тиск призми обвалення і передають його на ту область масиву, що перебуває поза зоною формування поверхні ковзання.

Зміцнення – це штучне зміцнення шляхом поліпшення фізико-механічних властивостей.

Інженерні методи застосовуються:

– якщо напрямок простягання великих тектонічних порушень (тріщин, шаруватість) перетинаються під кутом менш 450 з напрямком простягання укосів уступів;

– у зонах інтенсивної тріщинуватості, схильних до вивітрювання гірських порід, тектонічних розламів і порушень із більшими амплітудами зсуву шарів;

– у зонах з несприятливо орієнтовною шаруватістю масиву гірських порід, що падають убік виробленого простору під кутом 20-300;

– коли неможливо здійснювати виполажування борта при роботах на глибоких горизонтах.

Управління способом керованого обвалення.

^ Осушення кар'єрного поля, поетапне управління станом укосів.


5.2. Маневрування гірничими роботами


Застосовується коли коректування й не дає бажаного результату або веде до розносу борта й збільшенню .

Сутність – тісний взаємозв'язок технологічної схеми розробки родовища з фактичною стійкістю уступів і бортів.

Включає такі прийоми: дотримання черговості відпрацьовування родовища, зміна напрямку посування фронту гірничих робіт, зміна параметрів уступів. Використовується інформація про структурну й геологічну будову масиву, фізико-механічних властивостей порід. Особливу увагу надають розташуванню виробок, що розкривають, протягом усього строку існуючого кар'єру (у найбільш стійких породах треба їх проводити).

З'їзди проходять у напрямку, що збігається із природним нахилом шарів у цю сторону. Починають відпрацьовувати з найбільш сприятливих умов, потім освоюють інші масиви зі структурними ослабленнями. Це щоб скоротити Т(період) стояння укосів. Цей спосіб найбільше доцільно застосовувати при відпрацьовуванні мульдоподібних родовищ (від крил мульди – до замка її, найбільш сприятливий розвиток фронту гірничих робіт).

Кут нахилу покладу – впливає дуже.

Пологі шари доцільно відпрацьовувати по падінню. Це знижує число випадків деформації укосів.

Фронт гірничих робіт переміщають паралельно або діагонально щодо несприятливого орієнтира площини оголення.

Необхідно строго погоджувати дані геологічного залягання порід масиву й перевіряти розрахунком стійкість укосів.

Управління стійкістю укосів зміною параметрів уступів і бортом ( і ).

При відсипанні відвалів їх відсипають так, щоб порід у відвалі зростала зверху вниз.

При ТОМ, ДО й стрічок. глинисті породи, що транспортують, падають із висоти 20-50 м. Вони повністю руйнуються, перетворюючись у пасту ґрунту. Тому в основі відвала укладається ослаблений шар породи. При відсипанні піщано-глинистих порід під укіс глинисті більші частки рухаються вниз і додатково послабляють підставу відвалів.

Тому відсипання потрібно вести селективно й роздільно по видах порід. Досить слабкі породи доцільно відсипати зверху відвалів.

При небезпеці виникнення підпідошвених зсувів відвалів можна збільшити й . Цим збільшуються розміри призми упору, і скорочується призабійная зона.

Якщо швидкість збільшення й швидкість наростання перевершує швидкість відтоку води з пор (швидкість розсіювання порового тиску) може привести до надпідошвеним і підпідошвеним зсувів.

Якщо відвала зменшити відбувається розсіювання порового тиску і забезпечується стійкість його. Тобто досягається зниженням продуктивності розкривно-відвальних комплексів.

Передвідвал доцільно формувати з добре фільтруючих порід.


^ 5.3. Зниження впливу підривних робіт на стійкість бортів


При підході порід до граничного контуру борта кар'єру виникає необхідність у захисті законтурного масиву від утворених заколів, залишкових деформацій, що знижують стійкість укосу.

Знижують цей вплив, управляючи формуванням сейсмічного поля напруг і коливань у блоці що підривається і за його межами.

Шлях – підтримка фізико-детонаційних характеристик ВР, конструкцією свердловинних зарядів, застосуванням КЗВ, створюють поверхні, що екранують, зміна напрямку й черговості висадження. Застосовують спеціальне завідкашування уступів свердловинними зарядами. Контурне висадження уступів.


5.4. Інженерні методи управління станом масиву гірських порід


1. Певне положення поверхні ковзання і границі можливої зони порушення укосу (зйомкою поверхні укосу, аналізом геологічної документації, в однорідному масиві гірських порід – розрахунковим шляхом).

Додаткове утримуюче зусилля визначається по вираженню:

;

де – сумарне зусилля, що зрушує;

– сумарне утримуюче зусилля.

2. Зробивши кілька розрахунків для різних поверхонь ковзання, установлюють максимальне значення , горизонтальна й вертикальна потужності ослабленої зони.

Це дозволяє вибрати тип підтримуючої конструкції або спосіб зміцнення порід:

Коефіцієнт запасу стійкості укосу, закріпленого шарами й шпонами.

;

3. Необхідність зміцнення укосів, ослаблених природною тріщинуватістю, установлюється на підставі розрахунку фактичного коефіцієнта запасу стійкості й зіставлення його з нормативним коефіцієнтом. За рахунок додаткового зміцнення укосу фактичний коефіцієнт запасу стійкості доводить до нормативного коефіцієнта запасу стійкості:

;

4. Вибравши спосіб зміцнення укосу, установлюють величину очікуваного тиску на протизсувні конструкції й спорудження, з огляду на силу реакції кріплення. При плоскій поверхні ковзання величину очікуваного тиску гірських порід або силу реакції кріплення при характеристиках опору зрушенню із заданим коефіцієнтом запасу стійкості визначається по формулі:

;

де – маса порід при можливому обваленні;

– кут нахилу площі ковзання;

і – характеристики порід зрушення з коефіцієнтом запасу стійкості укосу ;

– кут нахилу вектора сили реакції кріплення до поверхні ковзання.

5. При криволінійній поверхні ковзання величину тиску гірських порід розраховують у порядку:

– розбивають призму можливого обвалення в межах поверхні ковзання так, щоб поверхня ковзання в блоках була близької до плоскої;

– установлюють тиск вищезалягаючих блоків на нижчезалягаючі починаючи з верхнього (I) блоку;

– визначають повний тиск призми можливого обвалення на кріплення (протизсувні спорудження).

Використають аналітичний або графічний метод.

Аналітичний – коли не враховується сила тертя зчеплення по вертикальних гранях роздягнула блоків у призмі можливого обвалення, а площа ковзання має монотонний вигляд.

Тиск I блоку на нижчележачий II визначається по формулі:

;

де – коефіцієнт відхилення реакції кріплення;

– коефіцієнт нахилу поверхні ковзання;

– кут нахилу поверхні ковзання в блоці I;

– довжина поверхні ковзання в блоці I;

– кут нахилу вектора сили кріплення до поверхні ковзання I блоку.

Для -ного блоку повний тиск гірських порід призми можливого обвалення на протизсувні конструкції:

;


Лекція №6


Визначення стійкості відвалів


6.1. Визначення кута укосу відвалів, розташовуваних на стійкій підставі


1. У відвалі відсутні явно виражені поверхні ослаблення





1) Визначити орієнтовно по таблиці.

2) Будують розріз й орієнтовне положення поверхні ковзання для визначення середньозваженого , , .







3) Визначають розрахункові значення з урахуванням прийнятого коефіцієнта запасу стійкості



4) За графіком визначають кути без врахування впливу підземних вод і підривних робіт:

а)

б)

в) по величині знаходять при величині кут .

Якщо навпаки: дано й визначаємо .

то 1) по визначають із висоту ;

2) визначають .

2. Відвал має опуклу форму укосу, поверхня ослаблення відсутня.

а) обчислюють ;

б) визначають ;

в) визначають ;

г) визначають за графіком , для цього:

I) ; II) ; III) ,

потім по й визначають із графіка умовні закладення укосу .

д) визначають натуральні (дійсні) значення ;

.





е) відбудовуємо опуклий профіль.

ж) коректують опуклий профіль



3. Перевіряємо методом алгебраїчного додавання сил і встановлюємо найбільш напружену поверхню ковзання по який .


6.2. Методика розрахунку параметрів відвалів, розташованих на шарі нестійких (пластичних) порід


1. Будується криволінійна планова поверхня.





2. Використається метод алгебраїчного додавання сил по плановій криволінійній поверхні ковзання, установлюється:







визначається за графіком опору зрушенню.





– гідростатичний тиск.

Аналогічна методика розрахунків при встановленні стійкості укосу борта кар'єру, складеного обводненими рихлими породами.




6.3. Борт має ряд несприятливо орієнтованих поверхонь ослаблення або поверхня ковзання на профілі має вигляд ламаної лінії


Використається метод багатокутника сил.





Аналогічно при оцінці стійкості відвалів на шаруватій основі.

Розрахунок роблять методом багатокутних сил по поверхнях ковзання, які повністю або частково збігаються з поверхнями ослаблення. В укосах, що перебувають у граничній рівновазі, довжина поверхні ковзання , що виявляє підставою останнього блоку, може бути визначена аналітично:



де – зчеплення (розрахункова величина) по поверхні ослаблення



– кут нахилу борта;

– розрахунковий кут внутрішнього тертя.



6.4. Відвал перебуває на шаруватій похилій основі





Поверхня ковзання може бути прийнята, як плавна криволінійна або круглоциліндрична.

Слабкі контакти в основі – виступають як поверхні ослаблення. Поверхня ковзання по найбільш слабкому контакті (с, і ).

При або для багатоярусного відвала, висота стійкості відвала розраховується по декількох поверхнях ковзання методом багатокутника сил.

Границя між призмою активного тиску й призмою упору проходить під кутом до поверхні ковзання в межах призми активного тиску.

Реакція між блоками напрямку під кутом




6.5. Проектування високих відвалів скельних порід


1) Для безпеки робіт і підвищення (коефіцієнт запасу стійкості) усередині відвала в його нижній частині варто створювати додаткові зусилля, що перешкоджають зрушенню.





Призма АОВ – служить упором для відсипного шару порід відвала. Під дією сил зрушення виникає зсув. Ці сили діють на грань АО призми АОВ. Під їхньою дією призма зрушується по підошві відвала, втратившись опори, шар породи сповзає під укіс, приймаючи форму СОДА.

Деформація відвала триває доти, поки сили, що зрушують призму АОВ не будуть урівноважені силами зчеплення порід зсуву об підошву.

Умова 1) забезпечується створенням штучного упору в підстави відвала (у протилежний борт або насипну призму).


6.6. Слабкі породи у відвалі на стійкій основі


У нижньої брівки перетинається ряд поверхонь ковзання у верхній частині вони нахилені під кутом .

Поверхні ковзання – плавні криволінійні.

Слабкі породи при переміщенні у відвали гублять своє природне зчеплення. При ущільненні вони знову здобувають деяку величину зчеплення. Розрахунок відвала ведуть виходячи з доданої йому опуклої форми.

Для цього по усередненій лінії АВСД визначаються й .





З урахуванням розрахунку коефіцієнта запасу стійкості визначаються розрахункові й контур опуклого відвала.

На кут дорівнює куту природного укосу потім виполажується.

На висоті укіс переходить у горизонтальну площадку.


Лекція №7


Розрахунок стійкості бортів кар'єру


7.1. Параметри плоского борта при відсутності несприятливо орієнтовних ослаблень





Алгебраїчне додавання сил по круглоциліндричній поверхні ковзання.

Застосовується для визначення кута укосу при відомій його висоті або висоти при відомому його куті, коли в прибортовому масиві або відвалі відсутні поверхні ослаблення, з яким частково або повністю може збігатися поверхня ковзання в граничному напруженому стані борта кар'єру або відвала. Послідовність розрахунку наступна.

Визначається орієнтовне значення кута нахилу борта (укосу, уступу або відвала) по таблиці з довідника. Будують геологічний розріз й орієнтовне положення поверхні ковзання для визначення середньозважених значень міцностних характеристик масиву й ; установлюються розрахункові значення міцностних характеристик масиву й з урахуванням прийнятого коефіцієнта запасу стійкості укосу по таблиці з довідника. За графіком залежності між висотою плоского укосу і його кутом визначають кут нахилу борта (укосу, уступу, відвала) без обліку впливу підземних вод, масових вибухів і т.п.

Графіком користуються в такій послідовності: за розрахунковим значенням , і визначають величину . При встановленні кута укосу при відомій його висоті обчислюють , а за тим за розрахунковим значенням на осі абсцис графіка знаходять кут укосу. Щоб визначити висоту укосу при відомому його куті , на графіку через точку на осі абсцис, що відповідає значенню заданого кута, проводять ординату до кривої, що відповідає розрахунковому куту внутрішнього тертя , а на осі ординат визначають умовну висоту укосу . Потім обчислюють висоту укосу .


7.2. Розрахунок стійкості бортів опуклого профілю





При відсутності несприятливих поверхонь ослаблення й пластичних порід у основі.

Розрахунок на поздовжню рівновагу по круглоциліндричним або плавним криволінійним поверхням, що перетинається в нижній брівці укосу.

Застосовується для визначення параметрів укосів опуклого профілю при відсутності поверхонь ослаблення в прибортовому масиві гірських порід і наявності міцної основі відвалів рихлих порід.

Параметри борта кар'єру або відвала опуклого профілю встановлюються за допомогою графіка граничних обрисів укосів опуклого профілю (довідник). Обчислюють величину по розрахункових характеристиках , , . Визначають для повної висоти борта (або відвала) , а також для й умовні значення висот , і , потім з використанням обчислених висот і розрахункового кута внутрішнього тертя визначають за графіком умовні значення закладень укосу і їхні дійсні значення . Відбудовують за дійсним значенням закладень укосу опуклий профіль борта або відвала, що потім коректують.

Корегування опуклого профілю борта або відвала полягає в наступному: нижню частину борта висотою приймають плоскою з максимальним технічно можливим кутом, що не перевищує граничного значення кута цієї ж висоти; середню частину висотою завідкашують під кутом, рівним загальному куту нахилу борта кар'єру або відвала, а верхню частину – по лінії, що з'єднує верхню брівку укосу з відбудованою брівкою на висот . Для побудованого борта кар'єру або відвала практикують перевірочний розрахунок стійкості укосу по ряду розрахункових поверхонь ковзання АВ, АС, АД круглициліндричної форми, які будують спрощеним способом. Для цього через точку ( або ) на глибині від верхньої площадки укосу під кутом до вертикалі проводяться лінії або інші точки їй паралельні, дотичні до поверхонь ковзання. Цю точку з'єднують прямою з нижньою брівкою (точка А) і на отриманій хорді будують рівнобедрені трикутники, бічні сторони яких перпендикулярні дотичним і служать радіусами поверхонь ковзання. У результаті розрахунку методом алгебраїчного додавання сил установлюється найбільш напружена поверхня ковзання, по якій коефіцієнт запасу має мінімальне значення.

У розрахунках стійкості відвалів з опуклим профілем використовують метод алгебраїчного додавання сил по монотонній криволінійній поверхні ковзання, визначаючи утримуючі й дотичні, що зрушують, напруги.

Орієнтовна гранична висота відвала скельних порід на слабкій основі визначається по формулі:



де – розрахункова характеристика опору зрушенню гірських порід, МПа;

– питома вага гірських порід основи, Н/м3, що потім уточнюється перевірочними розрахунками стійкості укосів.


7.3. Борт складений обводненими рихлими породами





Алгебраїчне додавання сил по плавній криволінійній поверхні.

Умови стійкості



Застосовується, коли укоси обводнені й у основі залягають більше слабкі породи, чим вищезалягаючі.


7.4. У основі борта або відвала залягає шар пластичних глин





– за графіком опору зрушенню.




7.5. Борт складений обводненими рихлими породами і в основі його залягає шар пластичних глин


Проводять ряд розрахункових поверхонь, і вибирається найбільш напружена поверхня ковзання, коефіцієнт запасу стійкості по ній або будується поверхня ковзання за схемою





Угорі ; – перетинає слабкий шар під кутом



Кут зламу

– у в. т. більше міцних вищезалягаючих порід;

– у в. т. більше слабких порід.

Коефіцієнт запасу стійкості визначається методом підсумку й , що діють по найбільш напруженій поверхні ковзання.

Можна робити розрахунок також методом алгебраїчного додавання сил по найбільш напруженій поверхні ковзання по загальному опорі зрушенню без поділу на сили тертя й сили зчеплення.

1) в i-м стовбці визначають й .

;



2) розрахункова поверхня ковзання розгортається в пряму лінію горизонтальну й у кожній відзначеній точці по осі ординат відкладаються відрізки, що відповідають дотичному напруженню , кінці з'єднуються плавною лінією. Площа обмежена цією лінією й віссю абсцис сумі сил, що зрушують, діючих по розрахунковій поверхні ковзання.

3) По паспорту міцних порід при відповідності визначаються опори зрушенню , і їхня величина відкладається на осі ординат, з'єднаною плавною лінією сумі .




7.6. Борт має несприятливі орієнтовані площини ослаблення





Поверхня ковзання проходить по цих площинах ослаблення.

Розрахунок виробляється методом багатокутника сил.



де – реакція суміжного (передостаннього) блоку;

– кут зламу розрахункової поверхні ковзання (різниця кутів нахилу, площадок ковзання, що є основами блоків;

– висота грані, що відокремлює останній блок.


7.7. Борта у вигляді синклінальних складок





Поверхня ковзання визначається перевірочними розрахунками по ряду розрахункових поверхонь.

Вона може проходити:

а) по найбільш слабких контактах шарів.

б) частково по контактах шарів і частково по можливих поверхнях ослаблення.

в) по тріщинам поперек шаруватості не збігаючись із поверхнею ослаблення.


Умова стійкості .


Скачать файл (2253.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации