Введение к работе
"Актуальность проблемы. Тенденции раз-йя~утледобнваіоіцей промышленности страны свидетельствуют о ьнейшем росте добычи полезного ископаемого наиболее эффек-ным открытым способом разработки, удельный вес которого к О году будет составлять около 60#. Учитывая, что основной ем добычи при этом будет приходиться на сущестіующие уголь-разрезы, следует ожидать дальнейшее возрастание их глубины, личение срока службы и вовлечение в эксплуатацию участков, одядихся в более сложных горно-геологических условиях.
В данной ситуации особенно остро встает проблема обеспе-ия устойчивости боргов разрезов, связанная с установлением более оптимальных параметров открытых разработок. Важность й проблемы обусловлена тем, что завышенные углы наклона бор-приводят к проявлению оползневых явлений, нарушению техно-ического процесса разработки, безопасности ведения работ и 'ерям запасов угля, а излишне пологие углы наклона бортов (едствие возрастания объемов вскрышных пород значительно дшают технико-экономические показатели'разрезов и могут при-:ти к нерентабельной работе предприятий.
За последние десятилетия вопросы горной геомеханики приме-'ельно к открытому способу разработки Получили наибольшее титие, были разработанн методы изучения напряженного состоя-I, характера деформирования откосов и необходимых в расчетах рактеристик сопротивления сдвигу массивов горных пород. Размотаны основы теории предельного равновесия пород в откосах теоретически обоснованы инженерные методы расчета их устой-вости для большинства встречаемых на практике типовых случа-ориентировки в массиве поверхности скольжен-ия в зависимости геологического строения пород.
В то же время, как показывает практика открытых разрабо-к, использование данных известных расчетных схем в реальных ловиях довольно часто становится невозможным в связи с более ожным характером проявления деформаций слоистого массива, тречащимся, с одной стороны, по причине еще не изученного я ряда случаев механизма нарушения устойчивости откосов и, другой стороны, - в результате разнообразия имеющего место . практике залегания пород даже в пределах одного рассчитыва-ого борта разреза.
Это обстоятельство требует выявления и комплексного решен задач для встречающихся на практике более сложных условий устс чивости бортов разрезов,, связанных как с нетрадиционным прояв; ниєм деформаций и напряженного состояния слоистых откосов (поі рот и опрокидывание слоев, их "выпучивание", консольный сдвиг ^массива), так и с горно-геологическими и технологическими факт рами, когда требуется рассмотрение объемного распределения де! ствующих в массиве сил. В связи с чувствительностью методов рг чета устойчивости откосов к точности определения исходных физк ко-иеханических характеристик пород необходимо также более детальное изучение влияния структурных особенностей, реологичесї и деформационных свойств пород на прочность массива, а также разработка лабораторных и натурных методов их изучения.
Актуальность исследований по данной народно-хозяйственноР проблеме подтверждается непосредственной их связь» с ранее существующими отраслевыми планами І969-І98ЙГ .г. Мшуглепрома ССС и планами института ВНИМИ по следующим основным темам: "Разрас тать и внедрить эффективные способы и средства охраны сооружений... и определения устойчивости бортов разрезов и отвалов нг основе изучения процессов сдвижения горных пород и технико-экс ионической целесообразности" (Проблемный план АН СССР, пробл. 3.8.1*2 и 3.8.1.7), "Разработать рекомендации по прогнозу дефс маций боргов, уступов и внутренних отвалов и способам их предз преждения на разрезах при использовании оборудования большой единичной мощности и поточной технологии" (ПО 23910), "Соверпк стювание мер охраны подрабатываемых сооружений и природных о( ектов, методов оценки устойчивости бортов глубоких разрезов и откосов отвалов в сложных геологических условиях..." (ЦКОП fc 2
Целью работы является повышение эффективности открытых разраооток угольных месторождений путем установления оптимальных параметров бортов разрезов на основе создания комі лекса теоретически обоснованных и доступных для практического использования методов расчета устойчивости слоистых откосов, соответствующих реальным более сложным условиям деформирована горных пород.
Основная идея работы заключается в использовании выявленных особенностей механизма деформирования слоистых массивов в откосах при разработке методов расчета устойчивости бортов угольных разрезов.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие основные группы задач:
I. Разработать с использованием методов статики сыпучей
;ды основы решения задач построения выпукло-вогнутых откосов і мульдообразном залегании слоев и в массиве-с крутопадащими іерхностями ослабления с учетом наложения полей действующих іряжений (разрывных полей напряжений).
2» Изучить особенности и механизм нарушения устойчивости сосов при деформировании пород в виде поворота и опрокидывания попадающих слоев, установить влияние углов наклона слоев, их шости, прочности пород, характеристик трения по контактам и змы профиля откосов на параметры деформирования массива, опре-іить условия устойчивости откосов при наличии в массиве текто-іеских нарушений.
-
Разработать принципы оценки предельного равновесия мас-sa с крутопадающей слоистостью и на их основе создать инженер-! методы и схемы расчета устойчивости бортов разрезов при со-1СНОМ, обратном и вертикальном залегании слоев. Изучить меха-!М обруиекия заоткопеиного по наслоению массива в виде "выпу-іания" слоев и разработать соответствующую методику расчета :ойчивости откосов.
-
Изучить особенности деформирования СЛОИСТЫХ откосов, содяцнхся в елояннх'горно-геологических условиях, и разрабо-:ь методы расчета их устойчивости'для следующих случаев:'
при различной ориентировке откосов по отношению к элемен-I генералькых'направлении анизотропии горных пород, включая гчаи криволинейной формы откосов в плане;
при наличии мульдообразно залегаюдих естественных повер-ютей ослабления большой кривизны;
при ограниченной по простиранию длине участков борта /<Ц (изменчивая форма залежи, пригрузка борта внутренними іалами, торцевые участки, ослабленные зоны и т.п.);
при отработке запасов поперечными заходками.
5. Установить влияние реологических свойств пород.и их
іуктурннх особенностей на прочность массива и разработать на
їй основе методы определения исходных механических характерис-:, используемых в расчетах устойчивости бортов разрезов.
6. На основании обобщения результатов исследований пробле-
разработать схемы расчета устойчивости слоистых откосов, на-
дщихся в сложных условиях проявления их деформаций, и опреде-
ь критерии управляемой отработки бортов разрезов при ведении
mux работ на деформирующихся участках.
Методика исследований заключалась в лизе существующих методов расчета устойчивости откосов, обоб-ии встречаемых на практике случаев более сложных условий их
деформирования, натурных наблюдениях на различного типа yroj ных месгорождениях, аналитическом рассмотрении предельного ] новесия массива при разработке инженерных методов расчета у< тойчивости откосов, лабораторных исследованиях на образцах і моделях из эквивалентного материала, сопоставлении полученні теоретических и экспериментальных данных, включая проверку і на практике.
Научные положения, выносимые на защиту
механизм деформирования слоистых прибортовых массиво) углами обратного падения пород J3 > 45 не связан с традищ онньм формированием в откосах единой поверхности скольжения заключается в межслоевых подвижках, повороте и последующем і рокидывании слоев в выработанное пространство;
предельное равновесие слоистых откосов с крутопадающ] углами падения слоев в массив определяется совместными уело: ями среза пород вкрест наслоения в призме упора и условиями сдвига по контактам слоев.при их повороте в призме активное давления;
предельно-напряженное состояние откосов при наличии гласно падавщих отдельных поверхностей ослабления ( р*) ракгеризуется возникновением в массиве разрывных полей напр ний и определяет выпукло-вогнутою форму их профиля;
при оценке устойчивости откосов, простирание которых совпадает с простиранием согласно падающих поверхностей осл ления, должно учитываться формирование в массиве призмы обр ния в виде нависающей консоли, смещение ее под углом к лини падения, откоса (в направлении максимальной крутизны контакт и отрыв подрезанных пород по боковой грани от основного мае ва;
при проведении расчетов устойчивости бортов разрезої должно учитываться изменение механических характеристик мае вдоль криволинейных поверхностей скольжения в зависимости с углов встречи отдельных их участков с генеральным направлеї анизотропии пород;
управление устойчивостью бортов разрезов находится і разрывной связи со спецификой проявления деформаций СЛ0ИСТ1 откосов и возможно на основе полученных данных по величина» скоростям смещения приборгового массива»
Достоверность научных положений, выводов рекомендаций обеспечивается результатами аналитических исс. дований в области статики сыпучей среды и предельного равні сир пород в откосах при различном механизме их деформирова
іголетними. натурными исследованиями характера деформирования шьных бортов разрезов со всевозможными условиями залегания зод, многочисленными лабораторными исследованиями деформаци-шхи прочностных свойств горных пород, исследованиями про-jcob деформирования откосов на. моделях (в общей сложности ) опытов), обобщением основных вопросов проблемы и сопоставле-;м полученных результатов с данными натурных и лабораторных ;ледований, а такие результатами внедрения разработок в услог їх производства.
Научная новизна работы заключается в
развитии методов статики сыпучей среды с использованием эжннх разрывных решений при построении равноустойчивых выпук--вогнутых откосов для ранее нерассмотренных случаев наличия в зсиве крутопадащих поверхностей ослабления, а также с нахож-;шем условий специального предельного равновесия при мульдо-разном залегании слоев;
установлении натурными исследованиями и моделированием явственно отличающегося от общеизвестного механизма потери тойчивости откосов в виде поворота и опрокидывания крутопада-их слоев, "выпучивания" их при заоткоскё пород по наслоению, зворота в плане и среза по боковой грани нависающего в виде нсоли массива;
разработке принципиально нозвх концепций подхода к расту устойчивости слоистых откосов при соблюдении необходимого ловия статики-равенства нули суммы моментов действующих сил, также разработке ранее не известного в расчетах устойчивости ртов разрезов графического метода определения реакций между :оками при построении силовых и веревочных многоугольников;
разработке инженерных* методов и схем расчета устойчнвос-I бортов разрезов для комплекса влияющих горно-геологических жторов: при диагональном по отношению к борту залегании слоев, лючая криволинейную в плане его форму, при наличии криволиней-IX поверхностей ослабления, наличии ограниченных по простиранив іастков, при отработке запасов поперечными заходкаии, огличав-іхся от известных методов учетом полученных натурными и экспе-шентальными исследованиями закономерностей деформирования іссива;
разработке лабораторных и натурных методов определения "ходных характеристик прочности массива о учетом проявления эологических свойств горных пород и их структурных особеннос-;й, позволясцих повысить точность проводимых расчетов устойчи-эсти бортов угольных разрезов.
Личный вклад автора в получении научных резул татов:
на основании анализа натурных исследований и проведенн го моделирования вьявлены и обобщены условия проявления дефор ций откосов, находящихся в сложных горно-геологических услови и получены основные зависимости влияющих факторов на их устой вость;
получены аналитические решения равноустойчивых откосов массиве при мульдообразном залегании слоев и с крутопадающими поверхностями ослабления при возникновении сложных полей дейс ющих-напряжений;
исследованы механизм, закономерности деформирования и" критерии оценки устойчивости откосов при повороте и опрокидыв нии слоев в выработанное пространство;
разработаны и экспериментально проверены инженерные ме тоды и схемы расчета устойчивости слоистых откосов для компле са ранее не рассмотренных условий проявления их деформаций;
разработаны методы определения сопротивления сдвигу tj щиноватого массива при различном ориентировании поверхности скольжения и массивов слабых пород по наблюдениям за микродеформациями откосов, ускоренные ,методы определения длительной
.прочности пород в образце и по их контактам;
- рассмотрены практические вопросы изучения деформаций
бортов разрезов и безопасного ведения горных работ на деформи
ющихся участках.
Практическая1 ценность работы. Разработанные инженерные методы и схемы расчета устойчивости слоистых откосов позволяют определять оптимальные параметры С тов разрезов, находящихся в сложных условиях напряженно-дефор мированного состояния, для которых применение существующих ме тодов является неприемлемым. Использование методов изучения прочности пород повышает точность нахождения их механических характеристик и, следовательно, параметров бортов разрезов.
Полученные разработки рекомендуются для практического ис пользования на всех стадиях проектирования, строительства и с сплуатации угольных месторождений. Их внедрение позволяет обе печивать безопасные условия отработки запасов при сокращении объемов вскрышных работ.
Реализация работы. Разработанные методы расчета устойчивости откосов нашли практическое применение п] выдаче конкретных рекомендаций по оптимальным параметрам борі разрезов и ведению горных работ на ряде угольных и других мес
рождений. Из наиболее крупных предприятий, где происходило їдреше разработок, можно отметить отличающиеся многообразием зно-геологических условий угольные разрезы производственных ьединений "Челябинскуголь", "Башкируголь", "Красноярскуголь". сомендации внедрялись непосредственно объединениями и через >ектные институты при составлении проектов разработки, рекон-зукции и доработки разрезов с сукественным экономическим эф-стом по ряду предприятий.
Разработанные методы изучения прочностных свойств пород измены в "Инструкцию по расчету устойчивости бортов разрезов і их ликвидации и обеспечения сохранности прилегающих к разре-і территорий" (Л.,1977), согласованную с Госгортехнадзором Л5 и утвержденную Минуглепромом, а также в "Методическое по-5ие по изучению инженерно-геологических условий угольных мес-зождений, подлежащих разработке открытым способом" (ВНИМИ, ,1986).
Апробация работы. Основные положения диссер-іии докладывались и обсуидались на научно-технических конфе-щиях: "Методы борьбы о деформациями' боргов карьеров" (СибаЯ, 72), "Совершенствование маркшейдерской службы на горных пред-іятиях Урала (Свердловск,197). "Проблемы развития и совер-ютвования открытого способа добычи угля и сланца" (Челябинск, 31), "Научно-технические проблемы повышения эффективности ра-; и совершенствования маркшейдерской службы на горных пред-іятиях страны" (Свердловск ,198). "Проблемы разработки карье-з и пути'их решения" (Кривой Рог,1987), на научно-технических эетах института ВНИМИ и его филиале (Ленинград-Свердловск, 75-1990), научно-технических совещаниях производственных объедини и института "Уралгипрошахт" .
Публикации. Основные положения диссертации отраже-в 27 печатных работах, опубликованных в издательствах, вклв-лшх в утвержденные ВАКом СССР списки.
Объем и структура работы. Диссертация :тоит из введения, 8 глав и заключения, содержит 245 страниц пинописного текста, 84 рисунка, 17 таблиц, приложение и список юльзованной литературы из 120 наименований. Материал диссер-іии представлен двумя разделами с отдельной вводной главой, в горой приводится постановка и краткий анализ состояния изучении основных вопросов проблемы. Первый раздел (главы 2-5) іючает решение задач первых четырех групп (см. "Задачи иссле-заний"), второй (главы 6-8) - последних, где приводится разра-"ка методов изучения исходных характеристик прочности пород,
