Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСОВ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ В ГЛИНИСТЫХ ПОРОДАХ И ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ 9
1.1. Критический обзор литературных источников по изученности вопросов устойчивости откосов открытых горных выработок и отвалов 9
1.1.1. Методы определения физико-механических свойств горных пород 9
1.1.2. Методы расчета устойчивости карьерных откосов 13
1.2. Горно-геологические и горнотехнические условия Амангельдинского месторождения бокситов и огнеупорных глин 26
1.3. Инструментальные маркшейдерские наблюдения
за устойчивостью уступов, бортов карьеров и отвалов 33
1.4. Оползневые явления на карьерах Тургайского бокситового рудоуправления 37
1.5. Цель, задачи и методы исследования 46
2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ПОРОД И ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ ПОКАЗАТЕЛЯМИ 49
2.1. Методика и результаты определения прочностных характеристик пород в лабораторных условиях 49
2.2. Методика и результаты определения прочностных характеристик пород в натурных условиях 55
2.3. Прочностные свойства пород, полученные методом обратных расчетов оползней 62
2.4. Взаимосвязи между показателями и их достоверность 65
2.5. Обобщающие результаты прочностных свойств пород как исходных данных в расчетах на устойчивость карьерных откосов 74
Выводы 80
3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ МНОГОЯРУСНЫХ ОТВАЛОВ 83
3.1. Графо-аналитический способ расчета устойчивости многоярусных отвалов 83
3.2. Результаты сопоставления теоретических и экспериментальных исследований 94
Выводы 98
4. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ НАГРУЖЕННЫХ ОТКОСОВ 100
4.1. Аналитический способ расчета устойчивости нагруженных откосов (теоретические основы) 100
4.2. Методика расчета устойчивости откосов, нагруженных отвалами бестранспортной III
4.3. Анализ результатов расчета устойчивости нагруженных откосов 116
4.3.1. Треугольная симметричная нагрузка 116
4.3.2. Трапецеидальная полубесконечная нагрузка 120
4.4. Методика расчета устойчивости откосов, на груженных горнотранспортным оборудованием 126
4.4.1. Равномерная нагрузка 126
4.4.2. Треугольная несимметричная нагрузка 135
4.4.3. Результаты сопоставления теоретических и экспериментальных исследований 139
Выводы 145
5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 149
5.1.. Обоснование предельных параметров уступов, бортов карьеров и отвалов 149
5.2. Расчет параметров многоярусных отвалов 158
5.3. Расчет параметров нагруженных отвалов 159
5.4. Мероприятия по обеспечению безопасных условий работы по отвалообразованию 170
5.5. Пути повышения технико-экономических показателей отвалообразования. Результаты внедрения 176
Выводы Г88
Заключение 191
Литература
- Критический обзор литературных источников по изученности вопросов устойчивости откосов открытых горных выработок и отвалов
- Методика и результаты определения прочностных характеристик пород в лабораторных условиях
- Графо-аналитический способ расчета устойчивости многоярусных отвалов
- Аналитический способ расчета устойчивости нагруженных откосов (теоретические основы)
- Обоснование предельных параметров уступов, бортов карьеров и отвалов
Критический обзор литературных источников по изученности вопросов устойчивости откосов открытых горных выработок и отвалов
Исходными данными при расчете устойчивости откосов горных выработок и отвалов являются физико-механические свойства горных пород - сцепление, угол внутреннего трения, объемная масса.
Определение физико-механических свойств горных пород производится в лабораторных и натурных условиях, методом обратных расчетов, а также косвенными методами, например, путем установления достоверных корреляционных зависимостей между составом, строением, состоянием и прочностными характеристиками или отдельными показателями прочностных свойств горных пород.
Большой вклад в изучение физико-механических свойств пород внесли такие известные ученые, как М.М.Протодьяконов, Л.И.Барон, К.В.Руппенейт, М.Н.Гольдштейн, Н.Н.Маслов, Е.И.Ильницкая, В.Д. Ломтадзе, Г.Л.Фисенко и др. Вопросами изучения физико-механических свойств горных пород занимается ряд институтов: ВНИМИ, ВИОГЕМ, УкрНИИпроект, ВНИИцветмет, КарПТИ и др. В настоящее время существуют методические руководства, инструкции, справочная литература, монографии и научные статьи по совершенствованию методики и техники испытаний прочностных свойств горных пород.
В работах / 2, 3, 4, 26, 34, 36, 41, 60, 62, 67, 68 / изложены методы испытания прочностных свойств горных пород; большое внимание уделено вопросам испытания песчано-глинистых пород; предложены различные схемы испытаний на сдвиг в зависимости от условий, в которых будет находиться массив.
При испытаниях стремятся создать условия близкие к природным, последнее может быть достигнуто использованием приборов трехосного сжатия - стабилометров. При помощи стабилометров современных конструкций можно по одному образцу песчано-глинистых пород получить целый ряд прочностных и деформационных характеристик испытываемой породы / 42 /. Для определения только прочностных характеристик в срез,ных приборах необходимо испытать несколько образцов / 48, 52 /.
Прочность песчано-глинистых пород не является величиной постоянной, а изменяется под действием многих природных и искусственных факторов - плотности - влажности, порового давления, скорости нагружения, длительности действия нагрузок и т.д. Методика и техника определения прочности глинистых пород с учетом перечисленных факторов изложены в работах /36, 38, 48 /.
Одной из основных задач при исследовании физико-механических свойств является выбор расчетных показателей. Частные показатели физико-механических свойств определяются на образцах небольшого объема и не могут характеризовать свойства всего массива или толщи пород. Определение расчетных характеристик производится на основе методов математической статистики /5, 56 /. Вопросами статистической обработки результатов лабораторных испытаний занимались Г.К.Бондарик, И.С.Комаров, Н.Н.Маслов, З.Г.Пильгунова, И.П. Шарапов, А.А.Каган и др. / 17,18, 19, 22, 34, 72 /.
Более объективные данные о прочности горных пород могут быть получены в результате натурных испытаний, которые производятся непосредственно в массиве путем среза гйдродомкратом породных призм /33, 39, 52, 67 /. Благодаря натурным испытаниям представляется возможность определить степень влияния структурного фактора на прочность массива и через коэффициент структурного ослабления перейти от свойств в куске (лабораторные испытания) к свойствам в массиве.
Недостатком натурных испытаний является их трудоемкость, громоздкость оборудования, а следовательно, невозможность проведения массовых испытаний пород.
Методика и результаты определения прочностных характеристик пород в лабораторных условиях
Как известно, сопротивление сдвигу глинистых пород характеризует их прочность, т.е. способность сопротивляться разрушению. Последнее проявляется в нарушении сплошности породы в результате смещения (сдвига) части породы по одной или нескольким поверхностям скольжения. Разрушение породы наступает в момент, когда касательные напряжения превышают внутренние силы сопротивления.
В связных глинистых породах, слагающих борты Тургайских карьеров, внутренними силами являются силы трения и силы сцепления, характеризующие силы структурных связей. Максимальное сопротивление пород сдвигу проявляется при гидростатическом равновесии, т.е. когда их влажность и плотность будут соответствовать действующей уплотняющей нагрузке и уплотнение достигает стабилизации. В связи с этим значения показателей сопротивления сдвигу существенно зависят от режима испытаний и прежде всего от способа подготовки, проведения и условий дренирования пород. Поэтому методика лабораторных исследований должна учитывать влияние этих факторов и с учетом конкретных условий применять ту или иную схему испытаний. Лабораторные испытания сопротивления сдвигу глинистых пород производились на переносном срезном приборе ПЮ-С, стационарном сдвиговом приборе ПГС Гидропроекта и стабилометре, УСВ-2.
С учетом имеющихся сдвиговых приборов нами была принята методика испытаний пород по схеме медленного сдвига в условиях свободного оттока воды в течение опыта (в условиях открытой системы) после предварительного уплотнения образцов нагрузкой, при которой производился сдвиг. При такой схеме обеспечивается полная консолидация породы от каждой ступени нагрузки, а данные испытания удовлетворяют уравнению Кулона.
Испытания пород на приборе ПЮ-С проводились с образцами нарушенного сложения в условиях дополнительного увлажнения породы. Для определения сопротивления сдвигу использовались образцы цилиндрической формы диаметром 56 мм и высотой 20 мм, отбираемые компрессионными гильзами; образцы подвергались предварительному замачиванию в специальных приспособлениях.
После закладки образца в рабочую камеру прибора к нему в один прием прикладывалась вертикальная сжимающая нагрузка равная 0,1--0,6 Мпа, которая выдерживалась до полной стабилизации вертикальной деформации ( в течение не менее 24 часов). Горизонтальная нагрузка прикладывалась ступенями. Величина ступени в первой стадии, пока общая величина нагрузки не превысит 0,5 - 0,6 ожидаемой предельной нагрузки сдвига, принималась равной 0,02 -- 0,05 МПа, во второй стадии - 0,005 - 0,01 МПа в зависимости от величины предельной нагрузки.
Каждая ступень горизонтальной нагрузки выдерживалась до условной стабилизации деформации сдвига, соответствующей скорости сдвига менее 0,01 мм/мин. За сдвигающую принималась нагрузка, при которой по показаниям индикатора отмечалось резкое нарастание нестабилизирующейся деформации сдвига. Для каждого испытываемого образца после завершения опыта с поверхности среза отбирались по две пробы для определения влажности испытываемой породы.
Подготовка образцов для испытаний на сдвиг на приборе ЇЇГС Гидропроекта осуществлялась аналогично предыдущему. Сдвигающее усилие прикладывалось ступенями по 0,05 от нормальной уплотняющей нагрузки. При этом каждая ступень сдвигающей нагрузки выдерживалась до затухания деформаций, которое определялось отсутствием приращения деформации или скоростью деформации не более 0,01 мм/мин. Испытание при заданной вертикальной нагрузке считалось законченным, когда происходил непрерывный сдвиг породы или общая величина деформации превышала 3-4 мм.
Всего было выполнено 311 испытаний образцов глинистых пород на сдвиг, в том числе на приборе ПІ0-С - 277 опытов, на приборе ПГС Гидропроекта - 34 опыта.
По данным испытаний для каждой разновидности глинистых пород строились (рис. 2.1) графики зависимости сопротивления пород сдвигу от нормальной нагрузки, по которым определялись параметры прочности пород на сдвиг С и У .
Показатели сопротивляемости сдвигу подрудной глины определялись также для условий трехосного напряженного состояния при действии независимых главных напряжений &/ (осевое напряжение) и 6 = 0 (боковое напряжение), создаваемых в камере стабиломет-ра УСВ-2.
Графо-аналитический способ расчета устойчивости многоярусных отвалов
Исходными данными для построения профиля многоярусного отвала являются: угол естественного откоса отвальных пород о( ; физико--механические характеристики пород свежеотсыпанного отвала -объемный вес jf , угол внутреннего трения у , сцепление С ; физико-механические характеристики уплотненного массива ; физико-механические характеристики слабого слоя у / , Q1 , мощность tU и его угол наклона JS
Построение профиля устойчивого многоярусного отвала выполняется в следующей последовательности.
I. По известному углу естественного откоса о и физико-механическим характеристикам свежеотсыпанных пород / у и С на основе выбранной методики расчета определяется предельная вы-.сота отвала /А и ширина призмы возможного обрушения без учета слабого слоя, его мощности и угла наклона. Затем находятся пара-метры отвала с учетом слабого слоя Н / и Ctf (рис. 3.1, а). За окончательную высоту устойчивого первого яруса принимается наименьшее из двух его значений.
2. Находится величина площадки безопасности между первым и вторым ярусом Bf
Для этого по аналогии с вышеизложенным на основе показателей свежеотсыпанных пород ( / С , У ) без учета влияния слабого слоя определяется по выбранной методике предельная высота и ширина призмы возможного обрушения второго яруса &% (рис. 3.1, б). При этом следует иметь в виду, что влияние второго яруса не должно сказываться на призме возможного обрушения первого яруса, иными словами, наиболее опасная поверхность скольжения первого яруса не должна попасть в зону сжимающих напряжений от действия второго яруса.
Соединив точки с нулевыми напряжениями, можно получить границу зоны влияния сжимающих напряжений от второго яруса (линия I). Следовательно, второй ярус следует располагать таким образом, чтобы поверхность скольжения первого яруса (« г ) оказалась за пределами зоны влияния I . Величина минимально допустимого отставания второго яруса от первого (площадка безопасности ff/ ) определяется графически.
3, Отстраиваются поверхности скольжения второго яруса ( 8 ) и двухъярусного отвала с учетом слабого слоя (Ю ) и без него ( С ). Поскольку с течением времени (к моменту отсыпки вышележащего яруса) происходит гравитационное уплотнение пород и, кроме того, породы нижнего яруса уплотнились под действием вышележащего яруса, в расчетах следует принимать расчетные характеристики отвального массива с учетом уплотнения пород как средневзвешенные по высоте двухъярусного отвала ( fa , f , С2 )
Аналитический способ расчета устойчивости нагруженных откосов (теоретические основы)
В предлагаемом аналитическом способе расчета нагруженных откосов используется модель "расчлененного" отсека обрушения; разложение сил производится по схеме К. Терцаги /70/; в качестве поверхности скольжения принимается поверхность, построение которой отвечает основным положениям теории предельного равновесия сыпучей среды. Основной недостаток разложения сил по схеме К. Терцаги (неучет сил взаимодействия между блоками) устраняется применением метода интегрирования по поверхности скольжения.
В зависимости от физико-механических характеристик, горно-геологических и горнотехнических условий разработки при расчете по предлагаемому способу возможны три основные схемы расчета (рис. 4.1): Jl ,d, J j ; Л, Л1 jg, ; о( + ji , где JLL = 45 - У/2 .
Далее поверхность скольжения имеет вид плавной кривой, проведенной радиусом R из точки 0 . Для получения центра окружности из точки cQf проводим линию $, $ под углом JI - 45 - f/2 к вертикали и к этой линии восстанавливаем перпендикуляр. Дуга окружности ограничена справа линией OS)/» а слева линией ОЛ1/ , отклоненной от вертикали ОХ на угол Л = oC-jU вправо при d Ji либо влево на угол (JJ.-t) при ol J1 . Из точки Jl/ перпендикулярно радиусу #„#, проводим линию М.Л , которая пересекает линию откоса под углом JJL .
Коэффициент запаса устойчивости определяется как отношение удерживающих и сдвигающих сил, используя принцип суперпозиций, согласно которому сдвигающие и удерживающие силы нагруженного откоса определяются суммированием сдвигающих и удерживающих сил от собственного веса свободного откоса и внешней нагрузки.
Обоснование предельных параметров уступов, бортов карьеров и отвалов
Наиболее обоснованными методами расчета устойчивости изотропных откосов являются методы, основанные на теории предельного напряженного состояния, однако область применения их ограничена. Для того, чтобы сыпучая среда в каждой точке некоторой области находилась в.предельном напряженном состоянии, необходимо обеспечить определенные условия распределения напряжений по поверхности этой области, т.е. граничные условия, при этом в массиве появится сеть поверхностей скольжения двух семейств, направленных под углом 45- /і к линии действия главного напряжения (5/ .
Условия, при которых откос может быть приведен в предельно-напряженное состояние впервые определены В.В. Соколовским - нагруженный на верхней площадке слоем грунта высотой Нда » он должен иметь вогнутую форму и быть бесконечным. При расположении на откосе слоя грунта высотой HQQ » массив находится в предельно-напряженном состоянии при выпуклой форме откоса, обоснование которому дано В.Т. Сапожниковым и Г.Л. Шисенко. Каждая поверхность скольжения таких откосов имеет равные возможности реализации.
В плоском откосе конечной высоты весь массив не может находиться в состоянии предельного равновесия, в таком откосе имеется только одна предельная поверхность скольжения - она проходит через нижнюю бровку откоса и ей соответствуют определенные критические значения сцепления С и угла внутреннего трения У . Изменяя высоту fl или угол наклона откоса с/ , можно отстроить откос, находящийся в предельном состоянии при заданных значениях С и f Поэтому для плоских откосов применимы методы расчета устойчивости, основанные на предельном равновесии, которое удовлетворяется по внутренней границе некоторой области.
Как показал анализ, указанные методы расчета, которые отнесены в классификации М.Е. Певзнера к классу В » различаются между собой выбором вида поверхности скольжения, расчетной схемы, способом учета сил взаимодействия между расчетными блоками призмы обрушения и степенью теоретического обоснования. Окончательный вывод о приемлемости одного из методов для конкретных горно-геологических условий может быть сделан лишь на основе сравнения результатов аналитических расчетов с данными натурных наблюдений.
Для анализа использовались методы расчета, основанные на поверхности скольжения сложной криволинейной формы и логарифмической спирали (по классификации М.Е.Певзнера). Способы расчета по плоской поверхности скольжения не рассматривались, так как они не соответствуют реальным условиям; расчеты по ломанной поверхности скольжения - не применимы для однородных уступов и бортов и отвалов на твердом основании; способы расчета по круглоцилин-дрической поверхности скольжения не рассматривались, так как принятие для расчета подобной поверхности скольжения необосновано.
