Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние изученности вопроса 10
1.1 Анализ исследований в области устойчивости бортов карьеров 11
1.1.1 Нормативно-методические документы, регламентирующие оценку устойчивости борта карьера 11
1.1.2 Научно-методические литературные источники 12
1.2 Предпосылки к разработке методики по учету криволинейности бортов в определении устойчивости 13
1.2.1 Существующая методика учета криволинейности 15
1.2.2 Использование методов расчета деформированного состояния массива горных пород для оценки устойчивости борта карьера 30
1.3 Решение плоской и объемной задачи при расчете устойчивости бортов откосов и их анализ 39
1.4 Метод конечных элементов для оценки напряженно-деформированного состояния откосов карьеров 43
1.5 Преимущества изучения влияния криволинейности на устойчивость бортов карьеров 46
1.6 Вывод по первой главе 48
ГЛАВА 2 Исследование напряженно - деформированного состояния бортов карьеров криволинейной формы в плане 50
2.1 Особенности деформирования прибортового массива горных пород с разной криволинейностью борта в плане 50
2.2 Моделирование деформаций борта карьера с разными свойствами горных пород и геометрией в плане 57
2.3 Расчет поправочных коэффициентов за величину угла откоса борта карьера 63
2.4 Расчет поправочного коэффициента сцепления 64
2.5 Определение добавочного угла в геометрические параметры откоса 67
2.6 Учет криволинейности локальных участков борта 70
2.7 Определение закона распределения деформаций по фронту борта
карьера 71
2.8 Выводы по второй главе 73
ГЛАВА 3 Разработка методики расчета параметров устойчивых бортов с учетом их криволинейности 75
3.1 Интерпретация показателей криволинейности карьера на планах горных работ для практического использования 75
3.2 Схема расчета параметров бортов карьера прямоугольной формы в плане 78
3.3 Схема расчета параметров бортов карьера круглой формы в плане 81
3.4 Схема расчета параметров бортов карьера на локальных участках криволинейности 82
3.5 Схема расчета параметров бортов карьера эллипсоидальной формы в плане 84
3.6 Схема расчета параметров бортов карьера, прямолинейные участки которых примыкают к закруглениям 85
3.7 Пример расчета параметров бортов сложнокриволинейного карьера в плане 86
3.8 Сравнение полученных результатов с существующими методиками определения устойчивости криволинейных бортов 87
3.9 Расчет эффекта от оптимизации геометрии карьера 90
3.10 Выводы по третьей главе 92
ГЛАВА 4 Апробация разработанной методики на примерерудных месторождений магаданской области 94
4.1 Обоснование расчетных показателей физико-механических свойств пород для оценки устойчивости бортов, уступов открытых горных выработок 94
4.2 Расчет устойчивости бортов карьера Биркачан 95
4.3 Расчет устойчивости бортов карьера Сопка Кварцевая 98
4.4 Расчет устойчивости бортов карьера Цоколь 100
4.5 Анализ мер повышения безопасности и меры контроля устойчивости бортов карьеров 102
4.6 Выводы по четвертой главе 106
Заключение 108
Список литературы 109
- Научно-методические литературные источники
- Моделирование деформаций борта карьера с разными свойствами горных пород и геометрией в плане
- Схема расчета параметров бортов карьера на локальных участках криволинейности
- Анализ мер повышения безопасности и меры контроля устойчивости бортов карьеров
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Многообразие горно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом предполагает различные формы контуров бортов карьеров. Одной из главных задач при этом является обеспечение его устойчивости. Решение этого вопроса, в основном, выполняется для двумерного случая (плоская задача), и в этой связи криволинейность бортов карьеров в плане не учитывается.
В настоящее время благодаря компьютерным технологиям становится возможным развитие исследований по учету кривизны бортов карьера. Получение зависимостей распределения деформаций и напряжений в породах борта карьера от геометрических параметров и физико-механических свойств позволяет получить отличия криволинейного в плане борта от прямолинейного. Сопоставление эмпирических данных и результатов моделирования на основе метода конечных элементов, реализованного в современных программах, создают хорошие предпосылки к решению вопроса оценки устойчивости криволинейных участков борта.
Большой вклад в развитие методов расчета устойчивости бортов карьеров внесли такие ученые, как: Фисенко Г.Л., Борщ-Компаниец В.И., Попов И.И., Сапожников В.Г., Пушкарев В.И., Га-лустьян И.Л., Ермаков И.И., Мочалов А.М., Пустовойтова Т.К., Шпаков П.С., Макаров А.Б., Низаметдинов Ф.К., Мустафин М.Г., Туринцев Ю.И., Певзнер М.Е., Куваев Н.Н. и многие другие. Разработанные схемы учета криволинейности бортов карьеров весьма важны при оценке их устойчивости и позволили обеспечить рациональное ведение горных работ, однако они базируются на эмпирических данных 30-40-летней давности и поэтому имеют запас для условий, отличных от тестовых случаев. В работе, опираясь на результаты предыдущих исследователей, фактических данных о деформировании прибортового массива, представлена методика учета криво-линейности борта карьера в плане при расчете его устойчивости.
Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом за счет создания методики, учитывающей криво-линейность борта карьера в плане.
Основные задачи исследований:
-
Провести анализ состояния изученности вопроса об учете криволинейности и формы карьера в плане и разработать методику исследований;
-
Провести математическое моделирование деформационного процесса прибортового массива карьера различной формы в плане для выявления коэффициента кривизны;
-
Разработать методику оценки устойчивости борта карьера с учетом криволинейности его границ в плане;
-
Провести экспериментальную проверку разработанной методики.
Идея работы заключается в выявлении, на основе моделирования с использованием объемной упругой задачи, деформационных показателей, характеризующих различия деформационного процесса на участках борта карьера разной кривизны и учете этих изменений в виде коэффициента в известных формулах расчета устойчивости бортов карьера
Методы исследований. При выполнении исследований использовался комплекс методов: анализ и обобщение результатов ранее выполненных исследований, в том числе представленных в нормативно-методических документах; инструментальные наблюдения в натурных условиях, математическая обработка результатов экспериментальных данных, компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния прибортового массива на основе метода конечных элементов, сравнение натурных, лабораторных и расчетных данных результатов исследований.
Научная новизна.
1. Зависимости смещений борта карьера от его кривизны в
плане и физико-механических свойств пород;
2. Алгоритм оценки устойчивости борта карьера с учетом ко
эффициента его кривизны в плане и процесса нелинейного дефор
мирования пород.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом значение устойчивого угла откоса карьера зависит от его формы в плане и соотношений геометрических параметров и может отличаться на разных участках весьма существенно до 30% в зависимости от степени условной кривизны, что позволяет уменьшить объемы вскрышных работ на 15-20%.
-
Планирование маркшейдерских наблюдений за устойчивостью борта карьера целесообразно выполнять в зонах с минимальным коэффициентом запаса устойчивости, определенных с учетом кривизны карьера в плане.
Практическая значимость:
1. Разработана методика учета криволинейности борта карье
ра при оценке устойчивости для различных горно-геологических ус
ловий;
2. Даны рекомендации по расположению наблюдательных
станций на карьерах с выраженной криволинейностью в плане.
Реализация результатов работы. Полученные результаты могут быть использованы при оценке устойчивости откосов на участках ведения открытых горных работ в условиях криволинейной формы борта карьера в плане, в учебных учреждениях и в научно-исследовательских институтах.
Личный вклад автора:
-
Участие в постановке задач и формулировании основных выводов по исследованию;
-
Расчет и анализ деформационного процесса объемных и плоских моделей бортов карьеров разной геометрии с использованием современных программных комплексов;
-
Установление зависимости между устойчивостью откоса уступа и показателем криволинейности борта в плане и глубины разработки;
-
Разработана методика определения устойчивого состояния криволинейных участков бортов в плане;
5. Сбор и анализ данных по изучению деформационного
процесса на карьерах ОАО «Полиметалл», ОЗРК.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 4 публикациях, из них 3 в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определяемый ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (102 литературных источника), изложенных на 119 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 50 рисунков.
Автор выражает благодарность за оказанную помощь на разных этапах выполнения работы научному руководителю, д.т.н. Мус-тафину М.Г., заведующему кафедрой маркшейдерского дела, д.т.н. Гусеву В.Н., главному маркшейдеру ОЗРК Шубину А.Л. Благодарю сотрудников кафедры маркшейдерского дела за полезные советы, критические замечания и содействие в подготовке диссертационной работы.
Научно-методические литературные источники
"Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости" [33] является документом, регламентирующим оценку устойчивости бортов карьеров, включает весь комплекс маркшейдерских и инженерно-геологических наблюдений, необходимых для решения вопросов по обеспечению устойчивости откосов, и мероприятий по предотвращению нарушений устойчивости откосов и обеспечению безопасности работ на действующих карьерах.
Разработке общих мер по обеспечению устойчивости предшествуют работы по исследованию оптимальных углов наклона уступов и генеральному углу погашения бортов карьера. При их отсутствии величины принимаются в соответствии с рекомендуемыми значениями, приведенными в нормах технологического проектирования горнорудных предприятий с открытым способом разработки ВНТП 35-86, Едиными правилами безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом ПБ 03-498-02 и Правилами обеспечения устойчивости на угольных разрезах [66].
Для представления горно-геологической картины и последующего учета упругих и прочностных характеристик массива руководствуются требованиями, указанных в ГОСТ 12248-96, ГОСТ 5180-64, описывающих методы проведения испытаний для определения физико-механических и деформационных свойств грунтов [16 - 18].
Дополнительные данные по оценке устойчивости бортов карьера представлены в многочисленных правилах и методических указаниях [44, 45, 81, 86, 87] Приведены обоснования требований по определению устойчивости, объемы инженерно-геологических работ и пр. Все эти документы представляют собой методическую основу для разработки действующей инструкции. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров [44] одна из работ, наиболее полно представляющих процесс расчета параметров устойчивого борта с учетом его криволинейности в плане. В указаниях рассмотрены ряд схем, описывающих методику расчета откосов разной формы в плане, условия применения для слоистого и неслоистого массива.
По вопросам устойчивого состояния бортов уступов карьеров представлено большое количество литературы. Среди исследователей можно выделить работы Г.Л. Фисенко [86, 87, 89, 90], Г. В. Верещагин, Г.Н. Кузнецов [45], Куваев Н. Н. [40], Мочалов А. М. [45, 46, 67], Галустьян Э. Л. [7 - 9], Большую работу по изучению на моделях влияния кривизны бортов на величины углов их наклона провели И.И. Ермаков, В.И. Пушкарев, В.Г. Сапожников. Был накоплен большой опыт по изучению деформаций бортов и отвалов, исследованы физико-механические свойства, структурные особенности массива горных пород и их влияние на устойчивость пород в откосах, исследованы особенности развития различного типа нарушений устойчивости во времени, усовершенствованы методы расчета устойчивости откосов и наблюдений за ними.
В более поздних работах проявили себя такие исследователи как Гальперин А.М. [10], Мустафин М. Г. [48 - 50], Туринцев Ю.И., Кольцов П.В. [81], Жабко А.В. и др. В работах этих ученых рассматриваются новые подходы в решении вопросов устойчивости с учетом развития техники и компьютерного моделирования, определяются перспективные области исследований, уточняются существующие методики.
Среди научно-методических литературных источников можно выделить «Устойчивость бортов карьеров и отвалов» под редакцией Г.Л. Фисенко, 1965 г. [90] и «Геомеханика открытых горных работ» под редакцией А.М Гальперина, 2003 г. [10] В этих трудах приведен анализ процессов нарушения устойчивости бортов карьеров, изложены теоретические основы прогноза геомеханических процессов в бортовых массивах, описаны технологические и специальные мероприятия по направленному изменению состояния массива. Вопросу изогнутости бортов в плане отведено особое место. Г.Л. Фисенко отмечает необходимость применения особых схем по определению углов наклона бортов карьеров, имеющих в плане круглую или овальную форму. В издании [10] вопрос определения устойчивости бортов карьеров криволинейной формы в плане рассмотрен более детально на примере откосов угольных разрезов. Учитывается многообразие форм в плане для расчета геометрических параметров, условия применения и, по сути, содержит в себе основные выдержки из правил ВНИМИ [66].
Вопрос о влиянии формы карьера на его устойчивость поднимался в работах ВНИМИ, СГИ и Унипромеди, где на основе графиков зависимости геометрических параметров бортов карьеров и при учете физико-механических свойств пород описываются схемы определения параметров откосов с разной формой карьеров в плане [10,33, 44, 81]. При этом в объемном виде фактор криволинейности борта карьера и его влияние на величину коэффициента запаса устойчивости не рассматривалась. Вместе с тем знание о его влиянии на деформационный процесс весьма важно, так как позволяет более рационально проектировать горные работы, варьируя параметрами карьера. Так, например, для карьеров круглой формы в плане коэффициент запаса устойчивости борта, очевидно, будет выше, чем откос карьера протяженного, прямоугольного в плане, с размерами малой стороны равной диаметру круглого [33, 66, 81, 90].
На производстве, в результате традиционного анализа устойчивости откосов не учитывается или учитывается не полностью ряд параметров. Поиск наиболее слабой поверхности производят с помощью маркшейдерских наблюдений за сдвижением и деформациями бортов и откосов или на основе общих представлений о сдвижении и геомеханике бортов [11, 14, 54, 80]. При этом, как правило, рассматривается плоское решение задачи о деформировании борта. Но при постоянно меняющемся направлении изогнутости борта меняется и величина сопротивления смещению породного массива. В этих условиях использование двумерных задач будет не совсем корректно.
В работе [55] отмечают, что результат инструментального контроля сдвижения пород у карьеров сложной конфигурации в плане свидетельствует о недостаточности контроля напряженно-деформированного состояния пород по профильным линиям, заложенным по главным сечениям месторождения. В условиях действия анизотропного поля напряжений, измеренные таким образом деформации, будут сильно отличаться от фактических в виду таких факторов как направление и месторасположение профильной линии, степень криволинейности борта и, как следствие, несоответствие теоретических представлений о закономерностях деформирования породного массива.
Моделирование деформаций борта карьера с разными свойствами горных пород и геометрией в плане
Обеспечение безопасности на участке горных работ напрямую зависит от горно-геологических и горнотехнических факторов, влияющих, в свою очередь, на выбор параметров устойчивости борта карьера [13, 24, 72, 83]. В этой связи, знание о влиянии конфигурации борта карьера на деформационный процесс весьма важно, так как позволяет более рационально проектировать горные работы, варьируя параметрами карьера [58, 59, 61]. В частности для карьеров круглой формы в плане (рисунок 2.1) коэффициент запаса устойчивости борта, очевидно, будет выше, чем борт карьера протяженного, прямоугольного в плане, с размерами малой стороны равной диаметру круглого. При этом, безусловно, рассматриваются равные величины углов откоса карьеров и его высота.
Закономерности нелинейного деформирования горных пород вплоть до их разрушения в значительной мере характеризуются параметрами деформирования на до предельных - упругих стадиях деформирования [2, 24, 34, 35]. Например, такой подход позволил определять возможность возникновения горных ударов по упругим параметрам деформирования породы [42, 48 - 50]. Используя отмеченный подход, можно путем многовариантного моделирования в упругом режиме определить закономерности деформирования карьеров с различной конфигурацией контура в плане и применить их к нелинейному процессу. При этом следует выяснить, как влияют на деформирования борта карьера его геометрические и физико-механические параметры.
К геометрическим составляющим относятся: форма карьера в плане, глубина, длина, ширина, радиус (и их соотношения), а также угол борта карьера. К физико-механическим параметрам при решении объемной упругой задачи основным параметром будет модуль упругости пород, а при использовании плоской нелинейной задачи – входные параметры для модели Кулона-Мора (объемный вес пород, сцепление и угол внутреннего трения) [100].
Для оценки напряженно-деформированного состояния прибортового массива в объемном виде принят программный комплекс Plaxis 3D. Данная программа позволяет математически обоснованно подойти к решению поставленной объемной задачи, учесть свойства слагающих пород и представить смещения массива.
Использовались упрощенные модели карьеров, сформированные в однородном массиве горных пород (в данном случае сложенными из аргиллитов и алевролитов). Значения механических характеристик приняты усредненными в следующих пределах: модуль упругости 1 – 10 ГПа, коэффициент Пуассона 0,25-0,30. Формы карьеров в плане показаны на рис. 15. Высота результирующего уступа принята, равной 300 метрам. [61]
По результатам моделирования (рисунок 2.2) наблюдаем весьма существенную разницу в общих смещениях пород в приконтурном массиве. Так, при рассмотрении вытянутого (прямоугольного карьера) – зона наиболее интенсивных смещений (красный и желтый цвет) располагается в срединной части и распространяется существенно дальше от борта карьера, чем это наблюдается в приконтурных частях круглого и квадратного в плане карьеров в условиях однородного массива. По внутренним углам бортов карьера, напротив, наблюдаем существенное уменьшение общих смещений. а)
Модели карьеров разной криволинейности в плане Не рассматривая эффекты, связанные с разнообразием геологического строения массива, можно выделить общие тенденции, связанные с геометрическими параметрами карьеров. Например, при изучении протяженного карьера с неровной границей в плане, места, где наблюдается вогнутость линии борта (фокус нормалей к борту карьера ориентированы в сторону выработанного пространства) будут испытывать меньшие горизонтальные смещения и соответственно будут более устойчивы. В этих зонах реализуется так называемый «арочный эффект», при котором происходит зажим пород, что препятствует их деформированию в выработанное пространство.
Наоборот, места выпуклости (фокус нормалей к борту карьера ориентированы в сторону прибортового массива) будут обладать наименьшей устойчивостью.
Вместе с тем, следует отметить, что при выборе схемы вскрытия месторождения, способа разработки и, как следствие, его окончательной формы в плане необходимо учитывать горно-технические и горно-геологические особенности месторождения с обеспечением устойчивости рабочих и нерабочих бортов [41, 46, 47, 51, 67, 90, 97], предусматривая в проектах соответствующие мероприятия по предотвращению деформаций откосов [33, 66].
Для решения поставленной задачи необходимо определить «поведение» массива при разной геометрии выработанного пространства. Анализировались модели карьеров, сформированные в однородном массиве аргиллитов. Формы карьеров варьировались при различных углах результирующего откоса и глубине разработки [60].
Анализ горизонтальный смещений прибортового массива производился по схеме, представленной на рисунке 2.3, где L1 – длина стороны, по которой определяются горизонтальные смещения, L2 – длина стороны, перпендикулярная данной, глубина Н соответствовала рабочему спектру глубин существующих карьеров и принималась равной 100, 300 и 500 метрам.
Схема расчета параметров бортов карьера на локальных участках криволинейности
Схема параметров для карьера прямоугольной формы в плане Пример вычисления поправки Ла следующий (рисунок 3.2):
1. По одной из разработанных расчетных схем для прямолинейного в плане откоса плоского профиля, соответствующей инженерно-геологическим условиям рассчитываемого, определяют угол его наклона - ат.
2. Определяем горизонтальные смещения по подошве рассматриваемого откоса в точке А по формуле: , (3.1) где L] - длина стороны, по которой определяются горизонтальные смещения, L2 -длина стороны, перпендикулярная данной, Н - глубина
3. Учтем эффект зажима, определяемого величиной стороны L2, введем поправку в рассчитанные зависимости: (3.2) Значение 2 описывает величину горизонтальных смещений по нижней бровке уступа у карьеров с разным соотношением сторон LI, L2 и глубиной разработки Я. Тот факт, что при соотношении L/H3 эффект дополнительных сил сопротивления смещению призмы обрушения, возникающих за счет криволинейности борта в плане, перестает действовать, позволяет сделать вывод, что на этих участках расчет решением плоской задачи устойчивости борта будет корректен. Сопоставляя величины смещений у карьеров с различной геометрией, примем соответствующее L/H=3 за 1.
4. Вычислим горизонтальные смещения еп по подошве откоса из расчета L/H=3 по формулам (3.1) и (3.2)
Чтобы не учитывать эффект зажима породы, при расчете необходимо принимать значение L}/H=3 и L2/H=3, где значение глубины разработки остается равным исходному, а соотношение длин сторон бортов карьера в плане рассчитывается умножением Я на 3.
5. Найдем коэффициент устойчивости точки А с учетом объемного фактора отношением п к е2. —, (3.3)
Таким образом, п выражает количественное значение величины зажима породного массива. Значение п всегда будет больше 1, если п 1, то угол наклона откоса борта принимаем равным ат. Опираясь на полученные результаты, можем определить добавочный угол наклона откоса в геометрические параметры карьера.
При необходимости можно определить поправку в прочностные характеристики породного массива, соответствующую степени зажима по формуле: , (3.4) Полученные значения можно сравнить по графику зависимости объемного коэффициента устойчивости от поправки в величину сцепления (рисунок 2.15). 6. Поправочный коэффициент к углу откоса борта в точке А описывается формулой: , (3.5) где п - величина объемного коэффициента запаса устойчивости.
Проводя параллели с работами по определению добавочных углов предыдущими исследователями, можно отметить, что при расчете сторона, перпендикулярная рассматриваемой, не учитывалась вовсе, а в ряде примеров нет упоминания и о значении глубины разработки [33, 66]. Кроме того, как отмечалось ранее, влияние кривизны карьера рассматривалось опытным путем, либо анализом моделей, созданными эквивалентными материалами, что автоматически закладывает в расчет ошибки [68 - 71, 73 – 77, 81, 86, 87]. Представленный в работе трехмерный метод определения зависимости показателя устойчивости карьера от его формы, не только математически точно рассчитывает объемные модели, но и по отдельности учитывает каждую из перечисленных величин.
7. Повторим действия с п. 1 по п. 6 для определения поправки к углу в точке
На представленном примере видно, что значение результирующего угла в точке A будет значительно меньше, чем в точке B. Так как расстояние от точки определения, до ближайшего угла карьера значительно больше. Учет подобных закономерностей позволит избежать случайных ошибок.
В каждой точке рассматриваемого борта еличина коэффициента устойчивости будет разной, и увеличиваться по степени приближения к месту зажима, где величина сил бокового распора максимальна. 8. Учтем изменение величины коэффициента устойчивости по фронту борта карьера: , (3.6) где x – значение от 0 до 1 (1 – А, В; 0 – A ,B ), L – длина борта, H – глубина разработки. 9. Введем поправку в объемный коэффициент устойчивости в точках A и B : (3.7) 10. Поправочный коэффициент 2 к углу откоса борта в точках A ,B рассчитаем формулой (5), где вместо n используем значение n2.
При построении контура борта карьера с учетом поправки к углу наклона значения n2, рассчитанные для A и B могут отличаться из-за разных величин объемного коэффициента устойчивости n. В данном случае минимальное значение из двух полученных коэффициентов устойчивости n2 принимается истинным. 11. Результирующий угол откоса на каждом участке рассчитывается как сумма угла наклона прямолинейного в плане борта плоского профиля и поправки к этому углу за кривизну борта в плане: (3.8) 12. Угол откоса в точках A ,B определяется как . 13. Контур карьера в плане сглаживается от значений а для А и В до а2 для A и B соответственно.
Анализ мер повышения безопасности и меры контроля устойчивости бортов карьеров
Форма карьера месторождения Цоколь представлена изменчивостью глубины разработки от 40 метров на северо-западе до 110 метров на юго-востоке. Участки бортов, потенциально наиболее подверженные сдвижениям, располагаются по линии Lj условно выделенного прямоугольника и в юго-восточной части окружности радиуса R.
Борта сложены крепкими скальными породами Зсж 80 Мпа. В проектном варианте угол наклона борта для карьера был принят 40-50, глубина отработки 110 метров на участке окружности и 95 метров в районе условной линии Lj.
Анализ криволинейности на представленных участках устанавливает зависимость между устойчивостью бортов уступов и степени их криволинейности и зажима, выражая результат в величине добавочного угла. Аналогично с предыдущим примером расчета, контур карьера при корректировке результирующих углов наклона сглаживается.
Опасность деформаций и нарушений устойчивости бортов и уступов карьера необходимо оценивать на основании систематических наблюдений состояния обнажений, на изучении физико-механических свойств горных пород, инженерно-геологических и гидрогеологических условий эксплуатации карьера. Основной целью этих работ является определение мест проявления и размеров деформаций пород, слагающих обнажения карьера, а также установление причин их возникновения. Оценка степени опасности деформаций, а также прогноз их развития позволяют предупредить аварийные ситуации и несчастные случаи [63, 78].
Определённые путём расчёта углы наклона бортов карьера в практике имеют обычно недостаточный или избыточный коэффициент запаса устойчивости. Приведенная в работе методика позволяет максимально оптимизировать параметры карьера. Однако, основной причиной несоответствия коэффициента запаса устойчивости, фактическим углам откоса борта является невысокая точность определения расчётных механических характеристик массива горных пород, слагающих борт. Для прогнозирования развития деформаций во времени с увеличением глубины карьера и принятия мер по предотвращению их роста до критической величины на карьерах рекомендуется проводить инструментальные наблюдения, их целью является: 1. Установление границ распространения и вида деформаций горных пород; 2. Определение величины и скорости смещений горных пород; 3. Определение критической скорости, предшествующей началу активной стадии в виде оползня или обрушения; 4. Предрасчёт развития смещений во времени.
В условии неравномерности геологического состава прибортового массива месторождения, наличии неблагоприятно ориентированных поверхностей ослабления, различии степени изогнутости карьера в плане и глубине отработки, в техническом проекте наблюдательной станции по наблюдению за деформациями должны быть указаны участки бортов карьера, требующие особого контроля.
Маркшейдерские наблюдательные станции, профильных линий реперов, закладывают в том случае, когда необходимо получить абсолютные величины смещений и деформаций прибортового массива для установления типа оползня или обрушения и прогноза его развития с учетом времени.
Перед закладкой наблюдательной станций необходимо провести анализ участков карьера с точки зрения инженерно-геологических условий. Профильные линии создаются в местах с косвенными признаками оползневых явлений или обрушений [10, 20, 33, 11].
Такими признаками являются:
1. подрезка горными работами слабых контактов, фильтрующихся пород, поверхностей тектонических трещин и нарушений, имеющих наклон в сторону выработанного пространства и простирание, приблизительно параллельное фронту борта.
2. вскрытие карьера слабых пластичных, обводненных пород основания борта, а также укладка пород отвала на наклонное основание или на слабые, обводненные породы;
3. при размещении на бортах и уступах карьера не предусмотренных проектными расчетами отвалов пустых пород, тяжелого горно-транспортного оборудования, при производстве в карьере массовых взрывов большей, чем по проекту единичной мощности; 4. при несоблюдении установленных проектными расчетами геометрических параметров уступов, бортов и отвалов карьера.
Перед закладкой наблюдательной станции маркшейдер разрабатывает ее проект, в котором обосновываются и устанавливаются: расположения и конструкции профильных линий, методика и объем наблюдений.
Выбор месторасположения профильной линии зависит не только от горногеологического, но и от горнотехнического фактора, характеризующегося формой карьера в плане. Опыт проведения натурных наблюдений и анализ моделей криволинейных в плане карьеров выделяет наиболее проблемные участки бортов. Опасными по возникновению деформаций будут прямолинейные участки бортов, отвечающими условию L/H 3 с углом откоса борта близким или превышающим значение пл. Вытянутые участки бортов, на которых наблюдается эффект зажима, с углом наклона откоса борта карьера, учитывающим поправку за кривизну, будет требовать дополнительного контроля на участках завышения результирующего угла и локальной криволинейности борта в сторону выработанного пространства.
На рассмотренных примерах коэффициент запаса устойчивости достаточно велик. Однако, можно выделить наиболее слабые участки, на которых устойчивость борта потенциально может оказаться в зоне риска возникновения неконтролируемых деформаций при нарушении соотношения геометрических параметров уступа (рисунок 4.4).8
