Содержание к диссертации
Введение
1. Существующие методы расчета устойчивости и выбора ре жима отсылки бульдозерных отвалов и задачи исследований
1.1. Существующие метода выбора технологии и режима отсыпки бульдозерных отвалов 9
1.2. Существующие способы определения физико-механических свойств отвальных пород 16
1.3. Горнотехнические условия отсышси бульдозерных отвалов высокими ярусами и задачи дальнейшихисследований 19
2. Инженерно-геологические и горнотехнические условия отвалообразования в кольско-карельском регионе
2.1. Горно-геологические и климатические условия отсыпки отвалов 22
2.2. Физико-механические свойства грунтов основания 32
2.3. Прочность и гранулометрический состав пород, поступающих в отвалы, и их сегрегация в процессе отсыпки 33
2.4. Проектные параметры отвалов и их фактическое состояние при отсыпке по принятой технологии 43
3. Сжимаемость и сопротивление сдвигу горной массы, скла дируемой в отвалы
3.1. Лабораторные исследования компрессионных свойств скальной наброски 48
3.2. Исследование показателей сопротивления сдвигу отвальных пород 62
3.3. Натурные исследования компрессионных свойств и сопротивление сдвигу отвальных пород 69
4. Исследование взашлосвязи технологии и режима отсыпки отвалов с характером их деформации и процессом сегрегации складируемых пород
4.1. Экспериментальное исследование процесса деформаций отвальных ярусов при различных условиях их отсыпки 76
4.2. Сегрегация отвальных пород и ее влияние на устойчивость высоких ярусов 83
4.3. Фильтрационные свойства отвальных пород и их взаимосвязь с параметрами отвалов 99
5. Методика расчета параметров и режима отсыпки высоких параметров и режима отсыпки высоких бульдозерных отвалов
5.1. Выбор рациональной высоты и режима отсылки высоких ярусов 105
5.2. Оценка устойчивости отвалов, отсыпаемых на склоны,и инженерная подготовка их основания 115
5.3. Организация работ по отсыпке отвалов высокими ярусами и мероприятия по технике безопасности 124
5.4. Экономический эффект от внедрения рекомендации по технологии и режимам отсыпки отвалов Ковдорского ГОКа высокими ярусами 131
Заключение 135
Список использованных источников 137
Приложения
- Существующие способы определения физико-механических свойств отвальных пород
- Физико-механические свойства грунтов основания
- Исследование показателей сопротивления сдвигу отвальных пород
- Сегрегация отвальных пород и ее влияние на устойчивость высоких ярусов
Введение к работе
Дальнейшее развитие сырьевой базы черной и цветной металлургии, определяемое решениями ХХУІ съезда КПСС, предусматривается, прежде всего, за счет интенсификации добычных работ на уже эксплуатируемых крупных месторождениях и освоения нескольких новых, месторождений имеющих большие запасы. Большинство из крупных железорудных месторождений будет разрабатываться открытым способом (около ЪЪ% извлекаемых руд). Многие из этих карьеров имеют проектную глубину 500-700 м и объем вскрыши в контуре карьера, превышающий 300-500 млн.м3. Складирование таких объемов пустых пород даже при наличии достаточного количества бросовых земель целесообразно сосредоточить на минимально возможных площадях - только в этом случае может быть достигнута приемлемая себестоимость транспортировки вскрыши и отвалообразования в целом. Если же учесть, что количество бросовых земель в большинстве случаев крайне ограничено, а поверхность отсыпаемых отвалов в последующем подлежит рекультивации, то целесообразность уменьшения отвальных площадей тем более очевидна. В ряде районов страны с высокой стоимостью земель (районы КМА и Кривого Рога), а так же при высокой рудоносности окружающей территории (Ено-Ковдорский район), сокращение площадей под отвалы не только целесообразно, но и крайне необходимо, Наиболее рациональным способом повышения емкости отвалов является увеличение их высоты. При отсыпке же бульдозерных отвалов на карьерах нагорного типа экономически целесообразно производить отсыпку бульдозерных отвалов ярусами максимальной высоты. В то же время, отсутствие обоснованной методики выбора технологии и режима отсыпки бульдозерных отвалов высокими ярусами приводит к тому, что в пределах отсыпаемой ленты, как правило, наблюдаются деформационные явления в виде заклов и просадок, обуславливающих необходимость разгрузки автомобилей за пределами зоны деформаций, т.е. на рас-л
стоянии 5-Ю м и более от верхней бровки яруса. Вследствие этого объем бульдозерных работ резко увеличивается, а, следовательно, значительно возрастает себестоимость отвалообразования и сокращается приемная способность отвала.
При отсыпке отвала на склоны крутизной 10-15° и более при достижении ярусом высоты 60-100 м часто наблюдаются внезапные оползни, приводящие к полному или частичному разрушению отвала .(отвалы Азербайджанского ГОКа, комбината "Апатит", Каджаранского карьера и-др.). Оползни имеют место и в тех случаях, когда отсыпка ведется на скальных склонах (не покрытых сколько-нибудь существенным чехлом песчано-глинистых отложений), а -складируемые породы не имеют примесей снега и глинистого грунта.
Следовательно, исследование факторов, определяющих характер деформаций высоких ярусов бульдозерных отвалов в зависимости от физико-механических свойств складируемых пород и принятой технологии и режима отсышш, а так же разработка теории расчета устойчивости высоких отвалов и отдельных ярусов, отсыпаемых на наклонное основание, с выбором, технологии и режима отсыпки, обеспечивающих максимальную приемную способность отвала и его общую емкость при минимальной себестоимости отвалообразования, являются наиболее актуальными задачами горной науки и производства на ближайшие годы.
Цель исследований - разработать метод управления процессом деформаций высоких ярусов бульдозерных отвалов за счет выбора технологии и режима отсышш, отвечающих физико-механическим свойствам складируемых пород и грунтов основания, а так же метода расчета устойчивости бульдозерных отвалов, отсыпаемых на крутые склоны.
Основная идея - устойчивость высоких отвалов, интенсивность их деформаций определяются не только физико-механическими свойствамил грунтов основания и складируемой горной массы, но и их изменением в процессе отсышш за счет проявления эффектов сегрегации и уплотнения.
Научные положения, защищаемые автором:
показатели сопротивления сдвигу скальной горной массы и ее сжимаемость определяются, прежде всего, ее пористостью, прочностью породы на разрыв, средним размером обломков и нормальным напряжением в плоскости сдвига, при этом угол ее сопротивления сдвигу всегда выше угла откоса свежеотсыпанного отвала;
сегрегация скальной горной массы при отсыпке высокими ярусами обусловлена тем, что обломки породы не скользят-, а скатываются по склону, вследствие чего чем крупнее и изометричнее глыбы, тем ниже по откосу они откатываются;
гранулометрический состав и пористость горной массы, поступающей в отвал, существенно изменяются в процессе отсышш за счет ее сегрегации при скатывании по откосу;
основной, причиной деформаций отвалов из скальной горной массы является уплотнение свежеотсыпаемой породы, при этом величина просадок и ширина зоны деформаций определяется, прежде всего, скоростью продвигания фронта яруса.
Методы исследований: Ддя достижения поставленной цели использовались методы инструментальных маркшейдерских наблюдений, математической статистики, теоретической механики, геомеханики и моделирования. Расчеты произведены на ЭВМ Наири-3.
Данная работа является обобщением исследований выполнявшихся Ковдорским ГОКом совместно с лабораторией устойчивости бортов карьеров КГД МЧМ СССР за период с 1966 г. по 1980 г., в которых автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя и исполнителя. Кроме того, автор принимал участие в анализе экспери 7 ментальных данных по комбинату Печенганикель и ГОКу Ковдорслюда, п а в период I98I-I983 гг. - в организации перевода на новую технологию отсыпки Западного отвала Костомукшского ГОКа.
Научная новизна:
разработана и экспериментально подтверждена теория сегрегации отвальной массы при отсыпке высокими ярусами;
разработан метод расчета деформационных характеристик и показателей сопротивления сдвигу скальной горной массы по ее гранулометрическому составу, прочности породы и уплотняющей нагрузке;
разработан метод выбора технологии и режима отсыпки бульдозерных отвалов высокими ярусами, исключающий возможность возникновения опасных деформаций, и обеспечивающий возможность разгрузки автомобилей непосредственно под откос;
разработан метод расчета устойчивости высоких отвалов, учитывающий возможность их качения по наклонному скальному основанию.
Реализация работы: Результаты выполненных исследований и разработанных на их основе рекомендаций явились основанием для:
замены площадной схемы отсыпки на периферийную с разгрузкой автомобилей непосредственно под откос;
перехода с отсыпки отвалов ярусами высотой 12-24 м на отсыпку одним или двумя ярусами высотой до 100 м и более;
разработки мероприятий, обеспечивающих безопасное ЕЄДЄНИЄ отвальных работ при складировании пород на крутых (до 20° и более) склонах ярусами высотой до 100 м;
обеспечения требуемой степени сортировки горной массы в процессе засыпки русел ручьев и мелких рек, гарантирующей свободный пропуск паводковых вод.
Практическая ценность: Использование рекомендаций позволило увеличить на 30-50% проектную емкость отвалов Ковдорского и Костомукшского ГОКов: резко сократить затраты на строительство и под 8 держание отвальных дорог и в 15-20 раз снизить объем бульдозерныхт работ. Экономический эффект от внедрения этих рекомендаций применительно только к условиям Ковдорского ГОКа равен 490 тыс.руб/год.
Апробация: В процессе выполнения работы основные положения докладывались и нолучиди одобрение на Всесоюзном совещании по проблемам теории прогноза инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых (Белгород, 1975), на совещании по перспективам развития Ковдорского промышленного района (Ковдор, 1971), а также широко освещены на страницах Горного журнала.
Публикации: Основные положения работы опубликованы в Горном журнале и монографии "І удннй Ковдор".
Объем работы: Диссертация состоит из введения,.пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 100 наименований и содержит 127 страниц машинописного текста, 16 таблиц, 20 рисунков и 5 страниц приложений.
Существующие способы определения физико-механических свойств отвальных пород
Исследование физико-механических свойств грунтов, слагающих основание отвалов, нами не рассматривается, так как все аспекты этого вопроса применительно к глинистым, песчано-глинистым, песчаным грунтам изучены достаточно детально /91,-92, 93, 96/. Исключение составляют лишь крупноооломочные и гравелисто-галечнико-вые грунты, для которых слабо изучены такие вопросы, как изменение гранулометрического состава, пористости и коэффициента фильтрации вследствие воздействия уплотняющей нагрузки от тела отвала.
Однако, учитывая, что физико-механические свойства таких грунтов близки к аналогичным характеристикам каменной наброски (отвальных пород), нет необходимости останавливаться на методах их изучения специально.
Значительно слабее разработана методика изучения физико-механических свойств отвальной массы, особенно применительно к скальным породам. Достаточно сказать, что гидротехники /3, 6, 45, 73, 82/ при расчетах каменнонабросных плотин угол внутреннего трения принимают равным 45-46, в то время как при расчетах устойчивости отвалов, как правило, принимается, что угол внутреннего трения отвальной массы равен углу естественного откоса свежеотсыпанного яруса /96/, т.е. 35-37. Анализ причин такого расхождения позволил выявить следующее:1. Данные гидротехнического и транспортного строительства о высоких значениях углов внутреннего трения базируются на результатах испытания крупнообломочных пород на сдвиг и трехосное сжатие с использованием специальных приборов /6, 68, 83, 89/.2. Данные исследований физико-механических свойств отвальной массы базируются на результатах испытаний мелкозернистых грунтовили (при использовании специальных приборов) обломочного материала, представленного малопрочными породами /39, 96/, с максимальным размером частиц около 0.01 м. Попытки же определения сцепления и угла внутреннего трения в натурных условиях /26/ предпринимались при нормальных напряжениях до 0,1 МПа, когда сколько-нибудь надежное определение величины У невозможно.3. Для породных смесей из слабых пород, содержащих значительное количество песчано-глинистого материала, данные горняков /90/ и гидротехников /59/ практически совпадают.
Вместе с тем, в большинстве вышеупомянутых литературных источников данные о зависимости показателей сдвигу грубообломочных пород от плотности, окатанности, крупности материала весьма разноречивы.
Можно считать общепризнанным лишь то, что по мере увеличения плотности крупнообломочного грунта (при постоянном среднем размере частиц) угол внутреннего трения увеличивается, причем для неока-танных частиц он выше, чем для окатанных /3, 14, 28, 59, 83, 89, 95/.
При этом М.Н.Гольдштейн /14/ предлагает уравнение:. где /р - угол внутреннего трения для предельно рыхлого песка; РЪ - коэффициент (для песка средней крупности окатанного
По мнению большинства исследователей /59, 82, 95/, угол внутреннего трения увеличивается с ростом диаметра частиц, по мнению других /89/ - не зависит от него.
Для грубообломочных грунтов при постоянном среднем размере обломков и коэффициенте пористости величина увеличивается с увеличением коэффициента неоднородности /59, 66, 68, 89, 95/.
Влажность грунта, по мнению одних исследователей, не влияет на величину Y /3/, по мнению других, уменьшает ее на 10-15$ /59/.
Таким образом, в настоящее время отсутствует единая методика определения показателей сопротивления сдвигу и деформируемости крупнообломочных грунтов на основании определения их плотности--влажности, минерального и гранулометрического состава, что не позволяет получить их расчетным путем. Нахождение же этих данных прямыми испытаниями в каждом конкретном случае затруднительно, т.к. требует громоздкой и уникальной аппаратуры и больших трудозатрат.
Необходимость отсыпки отвалов высокими ярусами, как правило, возникает при разработке месторождений нагорными карьерами или расположении отвалов на склонах гор и речных долин. Применительно к бульдозерным отвалам, когда доставка горной массы производится автомобилями, переход на отсыпку высокими ярусами особенно перспективен на участках склона, так как позволяет существенно снизить дальность перевозок горной массы, а так же затраты на строительство и поддержание отвальных дорог. Основным препятствием к увеличению высоты яруса, является возникновение оползневых деформаций и интенсивных просадок верхней площадки /8, 49, 60/, связанных, как предполагалось ранее, с недостаточной устойчивостью отвала. Вследст виє этого разгрузка автомобилей производится на расстоянии 5-Ю м от верхней бровки, а затраты на бульдозерные работы резко увеличиваются, особенно при перемещении крупноблочных пород.
Традиционный подход к выбору технологии и режиму отсыпки отвалов высокими ярусами (уменьшение их высоты по техническим условиям невозможно) предопределяет необходимость сооружения сложных разгрузочных платформ и резко сужает ширину фронта разгрузки /60/. Это, в свою очередь, значительно увеличивает сменную скорость про-двигания фронта яруса и еще более активизирует деформации отвалов.
При формировании отвалов в условиях сильно пересеченной местности часто приходится решать вопрос о пересыпке долин мелких водотоков с обеспечением свободного пропуска воды через тело отвала. В тех случаях, когда склоны долин имеют значительную крутизну, организация отсышш отвалов существенно осложняется из-за угрозы возникновения оползней по контакту с основанием.
Типичными для горнодобывающих предприятий с бульдозерным отва-лообразованием являются карьеры Кольского полуострова: Ковдорский, Оленегорский и Ждановский ГОКи, комбинаты "Апатит", "Ковдорслюда", "Печенганикель" и др., для которых характерна отсыпка отвалов из скальных пород на склонах гор, холмов и речных долин. При этом характерно так же, что скальные породы основания перекрыты чехлом четвертичных грунтов, представленных смесью гравийно-песчаных и гравиино-галечных моренных образований и ничтожным содержанием глинистых частиц.
Высокая рудоносность территории, окружающей карьеры рудника "Железный" и ГОКа "Ковдорслюда", еще более усложняет условия складирования вскрышных пород вследствие жесткого ограничения площадей, отводимых под отвалы /19, 25,-26, 31/.
Физико-механические свойства грунтов основания
Четвертичные отложения, покрывающие скальные породы, представлены ледниковыми, позднеледниковыми и послеледниковыми осадками.
К ледниковым относятся отложения основной (донной) морены, образованной валдайским оледенением. Они представлены, главным образом, песками желто-бурого или темно-серого цвета со значительным количеством валунов и гальки. Мощность морены на возвышенностях не превышает 0.2-0.4 м, а в понижениях - до 10-20 м.К позднеледниковым отложениям относятся озерно-ледниковые осадки, представленные мелко- и среднезернистыми песками, которые распространены по берегам и дну озера Ковдоро. К ним относятся так-гже диатомитовые илы озера Ковдоро, мощностью до 18 м.
Послеледниковые отложения, помимо озерных осадков, включают в себя элювиальные, делювиальные и аллювиальные образования.Делювиальные отложения широко распространены по склонам возвышенностей, речных долин и тальвегам логов. Их мощность равна 0,2--1.0 м, увеличиваясь в понижениях до 10 м.
Аллювиальные отложения распространены по долинам рек Верхняя и Нижняя Ковдора, Можель, а также долинам их притоков. Они представлены, в основном, валунно-галечными образованиями, реже песками, и залегают на ледниковых отложениях и .коренных породах. Мощность их не превышает 0,3 м.
Таким образом, рыхлые образования на территории отсыпки отвалов развиты незначительно (отвал Ш) или представлены грубообломочными породами.Для определения основных показателей физико-механических свойств рыхлых отложений, слагающих основания отвалов, был произведен от- бор проб из расчисток (отвал Щ) и керна скважин (отвал J&2).
Из проб удалялись фракции с диаметром частиц более 0,05 м. По -і оставшейся части пробы определялся гранулометрический состав (табл.2.1), а для мелкозема (фракции менее 5-Ю м) пределы Ат-терберга. На основании анализа гранулометрического состава устанавливался тип грунта (без учета фракций 0,005 м. , содержание которых колебалось в пределах 20-70%). Кроме того, определялись показатели сопротивления сдвигу в лабораторных и натурных условиях.
При лабораторных экспериментах испытывались лишь фракции с размером - 0,005 м. Сдвиг производился на приборе ГГП-30 при нормальных напряжениях 5 =0,6 МПа. Результаты лабораторных испытаний приведены в табл.2.2.
Испытываемые грунты, как правило, имели коэффициент неоднородности в пределах 1,5-3,0. Реальные же моренные отложения с учетом грубых фракций имеют коэффициент неоднородности в пределах I-II и начальную пористость 30-34%. В этих условиях, как показали результаты натурных испытаний /29, 31/, сцепление и угол внутреннего трения соответственно равны 0,08 МПа и 37.
Петрографический состав пород, поступающих в отвалы М, 2 и 3, весьма разнообразен: фениты, ийолиты, пироксениты, мелътейгиты и существенно карбонатные породы.Различие минерального состава указанных пород предопределяет и вариацию их прочности.Кроме того, каждая петрографическая разность так же имеет непостоянные показатели прочности в зависимости от степени переработки породы процессами метасоматоза и выветривания (табл.2.3).
Еяочность скальных пород Ковдорского месторождения, как-показали наши исследования /18, 24, 31, 74/, отличается повышенными зна чениями, что предъявляет особые требования к качеству буровзрывных работ. При этом, несмотря на достигнутый прогресс в этой области на Ковдорском ГОКе /79/, средний размер куска во взорванной массе изменяется в пределах 0,14-0,59 м. Если учесть, что при отсыпке отвалов высокими ярусами происходит сегрегация отвальной маосы, то следует ожидать, что нижняя часть отвалов будет слагаться крупноглыбовым материалом с повышенной пористостью и коэффициентом фильтрации. При этом гранулометрический состав горной массы, поступающей в отвал, зависит от петрографического состава пород и глубины их разработки. Исходя из в шесказэнного, с мая 1974 г. на Ковдорском ГОКе организовано систематическое изучение грануломет рического состава горной массы, направляемой в отвалы.
Это изучение производится в экскаваторных забоях фотопланиметрическим методом. Для каждого забоя съемка производится не реже двух раз в год. В 1974 г. суммарная длина индикатрис, по которым производился расчет гранулометрического состава отвальной массы для отвалов М, 2 и 3, составила соответственно 103, 1990 и 210 м. Результаты измерений гранулометрического состава, выполненных по отвалам №1, 3 Ковдорского ГОКа, а также отвалу рудника "Чалмозе-ро" представлены на рис.2.8. Следует отметить, что данные этих измерений, выполненных силами горной лаборатории Ковдорского ГОКа, хорошо совпадают с результатами наблюдений, полученными в 1972 и 1973 г. Так, в частности, средний размер кусков взорванной массы, направляемой в отвалы №1 и №3, в 1972-1973 гг. согласно этих определений был соответственно равен 0,31 м и 0,38 м, в 1974 г. -0,32 м и 0,37 м, а в 1982 г. - 0,31м и 0,35 м.
При поверочных расчетах гранулометрического состава, выполненных с применением обычного метода фотопланиметрии (расчет по индикатрисам) и с использованием разномасштабных снимков (1:100, 1:20 и 1:5),было установлено, что при мелкомасштабной съемке, когда количество наиболее мелкой фракции (0-0,2 м) определяется как дополнение суммы более крупных фракций до 100$, происходит завышение среднего размера этой фракции вследствие отнесения к ней почти всего объема порового пространства. В связи с вышеуказанным, фактический средний размер фракции 0-0,2 м, определенный фотопланиметрическим методом при масштабе 1:90-100, следует вычислять , исходя из уравненияа ж - средний размер фракции 0-0,2 м ("л? = &/м). Истинный коэффициент неоднородности горной массы по той же самой причине, если содержание фракции 0-0,2 м превышает 10%, следует определять по формуле:где к?и - коэффициент неоднородности, рассчитанный по данным фотопланиметрической съемки.
Коэффициент неоднородности равен отношению размеров кусков/огорной массы, соответствующих накопленным частостям 60% ( " ю ) и 10% (с/,1 ), т.е.
Как уже указывалось выше, в процессе сегрегации горной массы при перемещении по откосу яруса ее первичный гранулометрический состав подвергается существенному изменению, что в свою очередь, приводит к изменению ее сопротивления сдвигу, сжимаемости и т.д. по высоте яруса.
С целью изучения влияния процесса сегрегации на грансостав горной массы были проведены специальные замеры по откосам ярусов отвалов .И и ЛЗ Ковдорского ГОКа и отвалу р-ка "Чалмозеро" с определением среднего размера обломков ( oig» ) и коэффициента неоднородности ( &н ) в каждой точке замера.Исходные значения среднего размера обломков горной массы, поступающих на отвалы ( Ыо ), ее коэффициента неоднородности ( ън )? максимальных размеров глыб, слагающих основание яруса ( Ыл-ю ), их коэффициентов неизометричности ( &н ) и неоднород / и теп. .ности \ л н ) соответственно равны:
Исследование показателей сопротивления сдвигу отвальных пород
Данные экспериментальных исследований по сопротивлению сдвигу дробленой скальной породы широко освещены в специальной литературе /7, 20, 66, 71, 72, 82, 83, 85, 97/. Из анализа этой литературы следует, что сопротивление сдвигу скальной породы зависит от:начальной пористости испытываемого материала ( /? );среднего диаметра обломков ( Usv );нормального напряжения при сдвиге ( & );прочности материала обломков ( L&PJ ) истепени окатанности частиц.
Если учесть, что,по мнению большинства исследователей, сцепление при сдвиге в крупнообломочных грунтах отсутствует или крайне незначительно, то величину угла внутреннего трения ( У ) обычно
Применительно к условиям нашей задачи были проведены эксперименты на сдвиг щебня ийолита с ОІ о =0.03 м при коэффициенте неоднородности, изменяющемся в пределах от 1.3 до И.О. Испытания производились на срезном приборе с диаметром обоймы 0,30 м при нормальных нагрузках 0,1-0,6 Ша. Результаты их приведены в табл.3.4. где /?o - начальная пористость материала в стакане срезного прибора до приложения нормальных и касательных нагрузок (в долях единицы).
Изменение величины ( У ) в зависимости от ( & ) в изученномдиапазоне нагрузок (при коэффициенте корреляции логарифма фушщииX =-0.940+0.035) описывается следующим уравнениемгде Ур Ч У/ - углы внутреннего трения (сопротивления сдвигу)соответственно при нормальных напряжениях бъ и Учитывая недостаточную ширину диапазона нормальных напряжений, достигнутых при сдвиге, а также с целью проверки правильности результатов, полученных на сдвиговом приборе, нами были привлечены для анализа результаты испытаний Маршалла, при которых щебень диорита, известняка и галечника испытывался в большом (высота образца 2,5 м, диаметр - 1,13 м) и малом ( высота образца 1,14 м, диаметр 0,50 м) стабилометрах при ( 6 f ) до 10 Ша ( & =5,5 МПа) /57, 83/.
На основании огибающих кругов Мора, приведенных в работе /73/, были определены величины ТО У& для выбранных значений ( г ), приведенные в табл.3.5.
Обработка этих данных позволила установить следующие зависимости:для диорита (при коэффициенте корреляции логарифма функции Z =-0.845+0.110) Справедливость уравнений (3.15) и (3.16) хорошо подтверждается также результатами экспериментов Г.А.Радченко /78/, Г.М.Петрова /73/ и О.А.Пахомова /44, 68, 70/.
Помимо вышеприведенного анализа, нами была также выполнена статистическая обработка данных по экспериментам на стабилометре с целью определения зависимости между ( Ye ) и максимальным сжимающим напряжением ( Ф ) для щебня и галечников Инфернилло, а также андезитов /83/, на основании которой были получены следующие зависимости:
Кроме того, были обработаны также данные по,щебню и гравию базальтов плотин Сан-Францисско и Орвилл и известняков Пирэмид /83/ для материала с и =0.051 м. Хотя эти данные и не пригодны для установления зависимости to f ffa ) и to Y гс&ю), так как величина /Za не контролировалась, а коэффициент неоднородности { Кн) ъ смесях с различным значением Cij 0 был непостоянным.
На основании этих данных было установлено (для испытаний на сдвиговом приборе в диапазоне нормальных напряжений & =0,24--4,55 МПа): После пересчета коэффициентов ( - ) в уравнениях (3.21)-(3.23) и сопоставления величин ( 2 ) и ( ) этих пород с соответствующими значениями в уравнениях (3.15), (3.17)-(3.20) было установлено, что для щебня (дробленый камень)
Для оценки влияния среднего диаметра обломков С OLSD ) на угол внутреннего трения грубообломочных материалов нами ранее использованы данные работ /5, 78/, однако из-за низкого диапазона изменения СЇ$о и разнородности материала полученная зависимость /31/ вызывает сомнения. С целью проверки этой зависимости наиболее ценный материал представляют данные испытаний равномернозернистого гранитного щебня и песка, приведенные в работах Пахомова О.А. /64, 71/. При этом начальная пористость испытываемого материала изменялась дяя всех фракций в весьма узких пределах (45-47$), прочность на разрыв также можно принять постоянной (/ б"р] =8 МПа). Для расчетов использованы значения Y и щУ- -gr- , полученные для нормальных напряжений 5 /г :0,5; 1.0; 2.0 МПа (табл.3.6).
Усреднив коэффициенты уравнений (3.26)-(3.-28) и перейдя к степенной зависимости, найдем (при коэффициенте корреляции логарифма функции Z =+0.95+0.04) /20/:
Таким образом, располагая результатами испытаний на сдвиг дробленой скальной породы при известных значениях ее прочности на разрыв, а также начальной пористости и нормальных напряжений в плоскости сдвига, на основе уравнений (3.15), (3.16), (3.24), (3.25) и (3.29) можно определить величину У для любых значений /?«
В разделе 3.1 были приведены данные по фактической пористости горной массы на верхней площадке ярусов отвала Ш. и отвала сухих "хвостов", при этом было установлено, что полученные значения оказались даже несколько ниже, чем следовало ожидать по расчету для /?«, " согласно уравнения (3.4). Указанное расхождение объясняется тем, что пробы отбирались на участках верхней площадки,находящихся в пределах зоны маневров автомобилей, что согласно исследований Н.П.Лушнова /46/ требует введения коэффициента уплотнения U =1.015-1.012 (в объемный вес). Проделав соответствующие преобразования, для нашего случая можно определить начальную пористость отвальной массы, исключив ЕШІЯНИЄ уплотняющих нагрузок от проходящего транспорта. Тогда имеем: для отвала J6I ( н =9.5)
Сегрегация отвальных пород и ее влияние на устойчивость высоких ярусов
Как уже указывалось в разделе 2,отвальная масса в процессе движения по склону подвергается дополнительной сортировке по крупности. Характерной чертой проявления процесса сегрегации является искривление профиля отвала с постепенным выполаживанием угла откоса сверху вниз.
Исследованиями Н.П.Лушкова /46/ было установлено, что угол откоса насыпи нельзя отождествлять с углом внутреннего трения скальной наброски, так как последний зависит от плотности уісладки и в некоторых случаях превосходит угол откоса на 15-20. Справедливость этого полностью подтверждается результатами испытаний на сдвиг, приведенными в разделе 3.2. Хотя вышеуказанное различие известно достаточно давно, а факт сегрегации скальной массы при отсыпке высоких насыпей был описан Г.А.Радченко /77/, и Н.В.Ешут-киным /21/, тем не менее ни механизм сегрегации, ни причина различия угла внутреннего трения скальной наброски и ее угла откоса в технической литературе не анализировались.
Как показали наши многолетние наблюдения, сегрегация отвальной массы происходит вследствие того, что перемещение горной массы по склону яруса реализуется, в основном, не за счет скольжения, а за счет качения обломков. Вследствие этого (учитывая, что приведенный коэффициент трения качения обратнопропорционален радиусу обломка) наиболее крупные глыбы при движении по откосу отвала приобретают большую скорость и откатываются на большее расстояние. Вторым следствием из предпосылки о преимущественной форме движения обломков за счет качения является увеличение коэффициента трения качения по мере увеличения шероховатости откоса и, как следствие этого, снижение скорости движения обломков по откосу отвала сверху внизи уменьшение угла наклона нижней части откоса. Все сказанное, однако, относится лишь к движению отдельных обломіюв и не объясняет причин выделения крупных глыб из движущегося потока.
Основной же механизм, обуславливающий сегрегацию движущегося потока отвальной массы, заключается в следующем. При наклоне кузова автосамосвала или при сталкивании породы бульдозером под откос угол наклона перемещаемой массы, обращенный к внешней бровке яруса, достигает 50 и более, в то время как угол откоса яруса в среднем (при разгрузке автомобиля под откос) не превышает 37-39. В момент обрушения перемещаемой призмы под откос характер движения частиц грунта нарушается.Ускорение частиц, движущихся по контакту с поверхностью откоса 03 (рис..4.4) равно:
Под действием ускорения, изменяющегося по высоте призмы, каждому обломку в движущемся потоке будет сообщаться вращающий моментраней обломка; Ri - минимальный радиус обломка (равен половине длиныего минимального ребра, т. е. к І = Of4(-c- = /г,- . РС ./71 і - масса обломка;і - отношение минимальной и максимальной длин ребер і -го обломка.
Минимальное значение Л & может быть определено из рис.4.4 (здесь и далее механизм сегрегации будет рассматриваться применительно к случаю складирования путем разгрузки автомобилей под откос где У/ - угол трения качения, определяемый уравнением:где # - приведенный коэффициент трения качения; # - линейный коэффициент трения качения. За начало сегрегации можно принять момент изменения коэффициента неоднородности ( /Н/ ), т.е. начало выделения из движущегося потока обломков диаметром:
Тогда коэффициент трения качения в движущемся потоке можно определить исходя из условия:где . - отношение минимальной длины ребер обломка к максимальной. где &І - ускорение движения мелких обломков на уровне центра тяжести рассматриваемой глыбы;й - время движения обломка с момента отрыва его от точки касания с поверхностью откоса;где Mi - момент вращения обломка; Cfi - момент инерции обломка. При качении параллелепипедальных обломков они уже в первые мгновения ориентируются своей длиной осью таким образом, что она совпадает с осью вращения, поэтому момент инерции следует определять из условия:где і - 08 - расстояние от верхней бровки яруса до точкивстречи выгружаемой горной массы с поверхностью Для условий Ковдорского ГОКа (отвал М и №3) можно принять в среднем =0.77; 2: =0,45; V =38, а для автомобилей БелАЗ-540 и БелАЗ-548 А =0.7 м; =51 и /=2,0 м. Тогда имеем:Принимая, что общая масса породного клина 0 8 движется с ускорением U.-O.C, найдем избыточную скорость рассматриваемого обломка Ыс CLso Тогда, учитывая, что угол "всплытия" {& ) определяет точку выхода обломка на поверхность движущегося клина ( X) , рис.4.4), определим длину пути СХ) и время "всплытия" обломка при движении внутри скользящегося клина: Длина пути 4їл - &4 Ч"
После подстановок значений / =2.0;. =38; -4 о =13 и д =8, найдем // =1.0 м. Учитывая, что определим величину откуда zr - f,/3 с . (4.24) Общая длина пути обломка и60тю склону до момента его "всплытия" на поверхность движущегося клина равна:
При определении величины Х/не учтена начальная скорость движения грунта в момент его соприкосновения с верхней бровкой. Ее значение можно определить зная длину днища самосвала ( =3,2 м), угол наклона в момент разгрузки (38) и угол трения скальной массы о днище ( =20). Принимая длину участка разгона равной половине длины кузова найдем
Тогда общая длина пути обломка и60 до выхода на поверхность движущегося породного клина (начало сегрегации) равна:а высота сегрегации
Полученное значение достаточно надежно совпадает с результатами визуальных наблюдений при разгрузке автомобилей под откос, где проведение экспериментальных замеров трудно осуществимо ,
Дальнейший путь -обломка, "всплывшего" на поверхность откоса, делится на три этапа: разгон, равномерное движение и торможение. Длина каждого участка пути зависит от трех параметров: угла наклона откоса, размера и формы обломка, шероховатости поверхности качения (откоса яруса).
С целью выявления характера влияния вышеупомянутых параметров были проведены эксперименты по скатыванию с откосов отвалов №-2 и №3 глыб различного размера с параллельным определением гранулометрического состава горной массы, слагающей откос яруса на контроль
