Введение к работе
Актуальность задачи. Современное состояние открытых горнюс
работ характеризуется постоянным увеличением глубины карьеров. В
настоящее время проектируются и строятся карьеры глубиной до 7СШ
и более, поэтому актуальное значение приобретает проблема обеспе-
.ченкя устойчивости уступов и бортов карьеров, правильный выбор их
рациональных параметров, удовлетворяющих требованиям безопасности
и технологическим условиям. : . '
Увеличение глубины разработки требует выемки больного объема горной породы, чїо при современной технологии предопределяет образование высоких уступов, которые необходимо выполнять либо пологими,- либо укреплять с целью уменьшения развития дездвлгацдл и предотвращения обрушения пород. В то же время интенсивная разработка месторождении полезных ископаемых открытым способом требует применения все более мощного и производительного горнотранспортного оборудования, что неизбежно приводит к увеличению его веса, а следовательно и нагрузки на уступ. В саязи с этал возникает необходимость более детального изучения вопросов устойчивости нагруженных и укрепленных откосов.
Тема диссертационной работы является составной частьзэ госбюджетных научно-исследовательских тем, выполнявшихся в ВоягЖК: в'-ї3і-85гг. по отраслевому плану НИР уинцветмета СССР "Еопросз: оптимальной устойчивости оснований*-"^ Открытых горных выработок" (номер гос. регистрации 81053681); -в" 1985-SOrr. по координационному плану НИР Минвуза СССР "Разработка методов решения задач деформирования сред с усложненной структурой грунтов, включая заточи механики отвальных процессов" (номер гос.регистр. 0186С019543).
Дель работы - решение задачи расчета устойчивости свободных
от внешних нагрузок, нагруженных и укрепленных уступов, а также
бортов карьеров с учетом' ихвзаимного влияния на основе анализа
напряженно-деформированного состояния приоткосной зоны массива
горных пород. '"-.''.
Основная идея исследования заключается в том, что для решения задачи используются закономерности изменения напряженно-деформированного состояния приоткосных зон: бортов карьеров при переходе от прямолинейной формы откоса к ступенчатой; уступов в зависимости» от угла наклона борта карьера и их местоположения на его откосе; нагруженных и укрепленных уступов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- г -
определение напряжений в приоткосных зонах бортов нарьеров с учетов ступенчато,, форш откоса;
определение напряжений в однородных и слоистых уступах в зависимости от угла наклона борта карьера и их местоположения на его относе;
определение напряжений в уступах при наличке внешней нагрузки на юс верхних площадках;
исследование изменения напряженно-деформированного состояния приоткосной зоны уступа в связи с возведением в теле откоса противооползневой удерживающей конструкции (буронабквной сваи) ;
проведение анализа влияния различных факторов на устойчивость нагруженных и укрепленных уступов;
разработка способа расчета устойчивости уступов (свободных ст внешних нагрузок, нагруженных, укрепленных) и бортов карьеров с учете:.: их взаимного влияния и построением удобных графиков и ткьедом простых формул;
проверка полученных результатов экспериментально, сопоставление их с данными натурных наблюдений, сравнение с результатами других авторов и апробация разработанного метода при определении рациональных параметров уступов и бортов карьеров.
При решении поставленных задач использовались методы:
конечных элементов - при анализе напряженно-дефорійированно-то состояния приоткосных зон уступов и бортов карьеров;
теории упругости (теории функций комплексного переменного) -при расчете устойчивости нагруженных уступов и выборе граничных условий, накладываемых на конечно-элементную .схему, при использовании 1.1КЭ;
грахо-акалитический - при разработке инженерного метода расчета устойчивости уступов и бортов карьеров с учетом их взаимного влияния;
экспериментальный - моделирование на моделях из эквивалентного материала и натурные наблюдения - для проверки результатов тгеретических исследований.
і-'у-учная новизна работы состоит в том, что уступы рассматривается не у.лк изолированные, а во взаимозависимости друг от друга, а такгз от утла наклона борта карьера при фиксированной его висо-те. Значения коэффициентов устойчивости К уступов при переходе от верхнего к нижнему изменяются (уменьшаются) по линейному закону. Таи. '".піца в величинах К между верхним и нижним уступами четырехступенчатого борта при Р> = 35, cL = 60( ft HcL- углы
наклона борта и уступов) в среднем составляет 35$, а для десятисту-пенчатого - 65$ при фиксированной высоте борта карьера.
Установлено, что борт, имеющий два уступа, максимально устойчив. С увеличением числа уступов величина К борта уменьшается, стремясь к величине коэффициента устойчивости борта прямолинейной форт при одинаковой его высоте. Наибольшая разница между коэффициентами устойчивости прямолинейного и двухступенчатого бортов имеет место при >= 15, d. = 75 и в среднем составляет около 20.
При расчете устойчивости нагруженных уступов выявлено влияние коэффициента бокового распора Д. на величины коэффициентов устойчивости Kq . Разница в величинах Ко для нагруженных уступов в зависимости от At ( 0,25^ $Х& 1,0) составляет в среднем 25$.
Установлено влияние местоположения уступа и угла наклона борта карьера на величину оползневого давления Con. » действующего на сваю. Так, разница в величинах Е.ед.между верхним и нижним уступами при ft = 0,5 для ft = 25, cL = 60 - Щ?, а для $ = 45,
Личный вклад автора состоит в теоретическом обобщении и практическом решении задачи расчета устойчивости уступов и бортов карьеров с учетом их взаимного влияния; в получении закономерностей, определяющих влияние различных факторов на устойчивость нагруженных и укрепленных уступов (обработаны и обобщены более 500 результатов расчетов на ЭВМ величин коэффициентов устойчивости); в разработке способа расчета устойчивости свободных от внешних нагрузок, нагруженных и укрепленных уступов с получением простых и удобных для инженерных расчетов формул и графиков; проведении экспериментальных исследований на моделях из эквивалентного материала.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендация дис- сертации обоснована и подтверждена:
теоретическими предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории упругости, пластичности и механики горных пород;
результатами исследований влияния размеров и числа конечных элементов на распределение напряжений и величины коэффициентов устойчивости (установлено, что увеличение числа элементов в при-откосных зонах уступов в 10 раз вызывает изменение напряжений и величин коэффициентов устойчивости в среднем всего на bto, а увеличение вдвое чиола узлов и элементов, лежадих на контакте слоев, в друхолойчнх уступах изменяет значения напряжений в среднем на G,7" при этом максимальное изменение величин коэффициентов устойчивости, вычисленных вдоль контакта, составляет 6*);
.удоБЛзтяорп-смьной сходимостью результатов моделирования про-
цессов разрушения с теоретиче стами результатами исследований испытано более 100 моделей, расхождение теоретических и экспериментальных результатов составило не более 12$) ;
удовлетворительной сходимостью теоретических результатов с даннш.та натурных наблюдений (расчетами по предлагаемому методу установлено, что нижний уступ борта карьера "Миллионный" (п/о "Каз-чермет") находился в предельном состоянии, что и явилось причиной его разрушения, а коэффициент устойчивости разрушившегося нагруженного уступа на карьере "Ципзендорф", (ГДР) получен равным 0,96).
Практическая ценность работы заключается в возможности применения результатов исследований для:
определения рациональных параметров уступов и бортов карьеров с учетом их взаимного влияния;
определения рациональных параметров нагруженных уступов на основе анализа влиянья на кх устойчивость -различных факторов (интенсивности и характера распределения поверхностной нагрузки, ее сирины, расстояния от верхней бровки уступа, физико-механических характеристик горних порода ;
определеьия величины оползневого давления и на его основе расчетных характеристик свайной удерживающей конструкции (полонення сваи, расстояния между сваями в ряду, глубину их заделки) .
Реализация работы.' Результаты исследований позволили рекомендовать рациональные параметры отвалов карьера Себряковского цементного завода им. П.А.Юдина (г.Михайловка, Волгоградская область). Проведена опенка устойчивости уступов в результате воздействия на них горного оборудования применяемого на карьере. Среднегодовой экономический эффект, от внедрения результатов расчетов составит 40 тыс. рублей.
Данные исследований были использованы институтом "Волгоград-гражданпроект" при разработке проекта на строительство 16-ти этажных домов 17 квартала Центрального района г.Волгограда. Результатом- выполненного расчета явилась оценка устойчивости нагруженных откосов при наличие в их теле свайных удерживающих конструкций.
Р^гг/льтатк диссертации внедрены при расчете устойчивости борта отработанного карьера Туровского демзавода (Московская область), нагруженного весом здания детского комбината.
Ан-эобания габоты. Основные разделы диссертационной работы догладывались и обсуждались: на IX Всесоюзной конференции по механике горных ппрлд (г. фрунзе, 1989г.); на Межреспубликанской научно-технические конференции "Численные методы решения задач строитель-
.-5-
ной механики, теории упругости и пластичности" (г. Волгоград, 1990г.).? на научном семинаре лабораторий "Теория открытой разработки месторождений полезных ископаемых при комплексном освоении недр" в ИПКОН АН СССР (г. Москва, 1990г.); на Межвузовском научно-методическом семинаре по теоретической механике (г. Волгоград, 1987г.); на научно-технических конференциях Волгоградского инженерно-строительного института (г. Волгоград, 1985-90гг.); на областных научно-практических конференциях ."Инициатива и поиск молодых-ускорений научно-технического прогресса" (г.Волгоград, 1987-88т.).
Автор защищает:
инженерный способ расчета устойчивости свободных от внешних нагрузок, нагруженных, укрепленных уступов и бортов карьеров с учетом их взаимного влияния.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 статьях.-
Объем работы. Диссертация состоит го введения, пяти глав, заключения, изложенных на 119 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка, 5 таблиц, список литературы из 146 наименований я приложения.
Автор выражает глубокую признательность научноглу руководителю д.т.н., профессору В.К. Цветкову за помощь, ценные советы к указания, полученные в процессе работы над диссертацией; инженерам В.Т.' Пастухову и Н.Н. Потаповой за помощь в разработке програш для ЭВЬГ; коллективу кафедры "Теоретическая механика" за полезные, замечания, сделанные при обсуждении диссертационной работы.
