Расчет угла откоса карьер

	УДК 622.271

Управление устойчивостью карьерных откосов

Пример управления устойчивостью карьерных откосов при разработке месторождений полезных ископаемых на основе закономерностей развития геомеханических процессов в прибортовых массивах.

Разработка способов и средств управления устойчивостью прибортовых массивов на карьерах является основной задачей системы геомеханического мониторинга, решение которой основано на достоверной информации о состоянии и свойствах массива, получаемой непрерывно в процессе эксплуатации месторождения и выполнения специальных исследований.

Рассмотрим пример управления устойчивостью прибортовых массивов карьеров успешно реализованный в последние годы специалистами Карагандинского государственного технического университета (КарГТУ).

На практике часто возникает задача обеспечения устойчивости карьерных откосов на конкретный период времени, решение которой основано на определении их предельных параметров с учетом изменения прочности пород с момента обнажения. Задачи такого типа могут быть решены численно-аналитическим способом, если установить изменение прочностных характеристик пород от реализации процессов реологического характера с момента образования обнажения.

Принципиальная возможность учета реологических процессов следует из кинетической теории прочности горных пород [1]. Изменение сцепления горных пород обусловлено изменением их структуры в результате реологических процессов, происходящих в массиве. Используя результаты теоретических исследований, определены величины сцепления _k основных литологических разностей (выветрелые аргиллиты, аргиллиты, переслаивание песчано-глинистых пород) прибортового массива для условий Шубаркольского разреза.

Для получения качественной картины изменения параметров предельных откосов в зависимости от их срока службы (время нагружения) произведен расчет предельной высоты H_пр, предельного угла α_пр и коэффициента запаса устойчивости n для заданных типов пород. Решение выполнено с использованием специальной программы sposb33. Изменение параметров предельных откосов во времени составили для предельной высоты H_пр 1,37÷1,51 раза, для предельного угла α_пр 1,10÷1,4 раза, коэффициент запаса устойчивости n изменяется в 1,09÷1,23 раза (рисунок 1).

Приведенный пример показывает, что имеется достаточно широкий диапазон параметров предельных откосов в зависимости от времени стояния (нагружения), поэтому можно с успехом управлять временной устойчивостью откосов на горных предприятиях. Полученные результаты исследований могут быть использованы при решении ряда оперативно-технологических задач, например, определение параметров временного внутреннего отвала на заданном участке борта карьера, определение допустимой внешней нагрузки на откос для заданного интервала времени, отработка полезного ископаемого на потенциально неустойчивом участке с последующей засыпкой выработанного пространства и другие задачи [2]. Разработаны методики расчета устойчивости укрепленного откоса в однородном и неоднородном массивах и расчета параметров зоны укрепления прибортового массива.

Выводы. Решение проблемы управления устойчивостью карьерных откосов при разработке месторождений полезных ископаемых должно носить системный и комплексный характер. Знание закономерностей развития геомеханических процессов в прибортовых массивах на карьерах позволяет регламентировать мероприятия по изменению их состояния и обеспечить экономическую эффективность и безопасность ведения горных работ.

Расчет угла откоса карьер

• News
• Catalog
  • Journals
  • Gornyi Zhurnal
  • Obogashchenie Rud
  • Tsvetnye Metally
  • Chernye Metally
  • Eurasian Mining
  • Non-ferrous Metals
  • CIS Iron and Steel Review
  • MPT International
  • Museums
  • Journals Archive
  • Books
• Advertisement
• Subscribe

• Authors
• Technical requirements for the articles
• Ethical Guidelines and Editorial Policy of «Ore and Metals» publishing house
• Requirements to the reviewers
• Publishing house
• About
• Contacts
• «Ore and Metals» Publishing house
• Job

Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова, Магнитогорск, Россия:

Гавришев С. Е., директор Института горного дела и транспорта, зав. кафедрой, проф., д-р техн. наук, ormpi-cg@mail.ru

Заляднов В. Ю., доцент

Институт горного дела УрО РАН, Екатеринбург, Россия:
Зотеев О. В., ведущий научный сотрудник, zoteev.o@mail.ru

Представлены результаты научно-исследовательской работы по прогнозу возможных деформаций погашенных откосов уступов и бортов Сибайского карьера при отработке законтурных запасов руд подземным способом. Описаны инженерно-геологические условия эксплуатации месторождения, дан анализ результатов инструментальных наблюдений за состоянием откосов бортов карьера, приведена методика расчета их устойчивости. Представлено описание используемых в работе программных комплексов и полученных показателей.

1. Доработка залежи Новый Сибай Сибайского месторождения подземным способом : технологический регламент. Т. 1 : Пояснительная записка (Шифр 308/07 ПР-ТР). — Екатеринбург : Уралмеханобр-УГМК, 2008.
2. Научное сопровождение и надзор за состоянием устойчивости бортов Сибайского карьера : отчет о НИР Уралмеханобр; рук. П. В. Кольцов; исполн. Ю. С. Иванов. — Екатеринбург, 2009. — 97 с.
3. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. — СПб. : ВНИМИ, 1998. — 208 с.
4. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. — Л. : ВНИМИ, 1972. — 165 с.
5. Каплунов Д. Р., Рыльникова М. В. Комбинированная разработка рудных месторождений. — М. : Горная книга, 2012. — 344 с.
6. Chen J., Gu D., Li J. Optimization principle of combined surface and underground mining and its applications // Journal of Central South University of Technology. 2003. Vol. 10. No. 3. P. 222–225.
7. H. Peng, Qingxiang Cai, Li Ma, Wenliang Tang. End-wall slope stability analysis of surface coal mine under the combined open-pit mining with underground mining // EJGE. 2014. Vol. 19. Bund. А. P. 185–194.
8. Wang N., Wan B. H., Zhang P., Du X. L. Analysis on deformation development of open-pit slope under the influence of underground mining // Legislation, Technology and Practice of Mine Land Reclamation : Proceedings of the Beijing International Symposium on Land Reclamation and Ecological Restoration (LRER 2014), Beijing, China. — London : Taylor & Francis Group, 2015. Р. 53–59.
9. Marino G. G., Posluszny G. Progressive mine instability and subsidence response: a case study // EJGE. 2015. Vol. 20. Bund. 12. P. 5115–5131.
10. Пикалов В. А., Соколовский А. В., Василец В. Н., Бурмистров К. В., Заляднов В. Ю. Обоснование эффективных параметров комбинированного открыто-подземного способа разработки угольных месторождений // Горный журнал. 2016. № 1. С. 67–72.
11. Мельников И. Т., Заляднов В. Ю., Шевцов Н. С., Павлова Е. В., Погорелов А. Ю., Смяткин А. Н. Автоматизированный расчет устойчивости откосов бортов карьеров // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2013. № 2(42). С. 8–12.
12. Гавришев С. Е., Заляднов В. Ю., Кравчук Т. С., Павлова Е. В. Оценка общей устойчивости бортов Сибайского карьера при отработке законтурных запасов руды подземным способом // Маркшейдерское и геологическое обеспечение горных работ : cб. науч. тр. по материалам междунар. науч.-практич. конф. — Магнитогорск : Изд-во МГТУ им. Г. И. Носова, 2013. С. 155–162.
13. Цыганов А. В., Осинцев Н. А., Гавришев С. Е., Рахмангулов А. Н. Формирование технологических схем безопасной работы карьеров. — Магнитогорск : Изд-во МГТУ им. Г. И. Носова, 2014. 134 c.
14. Coal Production and Processing Technology / Ed. by M. R. Riazi, Rajender Gupta. Taylor & Francis Group, LLC, 2016. 535 p.

РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ, УСТУПОВ И ОТВАЛОВ КАРЬЕРОВ

Обязательным элементом определения параметров откосов карьеров является оценка их устойчивости. Под устойчивостью любого откоса (борта, уступа, отвала) карьера понимается его способность сохранять в течение времени эксплуатации установленные проектом геометрические параметры и форму при воздействии внутренних и внешних сил. К геометрическим параметрам, определяющим устойчивость бортов, уступов и отвалов, относят высоту и угол наклона поверхности откоса. Задача расчета устойчивости заключается в определении оптимального угла наклона откоса при установленной технико-экономическим расчетом его высоте, либо наоборот, в определении высоты откоса при условии, что угол его наклона, например отвала, задается, исходя из технологии формирования откоса. Методы расчета устраняют такие виды нарушений устойчивости как оползни и обрушения.

Из всех известных методов расчета устойчивости откосов наиболее широко применяются инженерные методы, основанные на предельном равновесии прибортового массива по потенциальным поверхностям скольжения, одним из которых является метод расчета однородного борта по круглоцилиндрической поверхности скольжения.

Рис. 2.10. Схема построения потенциальной поверхности скольжения в однородном прибортовом массиве

Названный метод расчета основан на том, что предельно напряженный прибортовой клин ABCDE (рис. 2.10) ограничен в массиве потенциальной поверхностью скольжения, которая делится на три части: вертикальная плоскость отрыва CD, наклонная площадка скольжения ED, отклоняющаяся от вертикали на угол ; круглоцилиндрическая поверхность скольжения АЕ, пересекающая основание откоса под углом ε к его плоскости.

Для построения этой поверхности по характерным участкам борта карьера вкрест его простирания строят детальные инженерно-геологические разрезы, на которых должны быть выделены слои или группы слоев пород с различными показателями сопротивления сдвигу (ρ_i, К_i) и трещиноватости. Исходя из опыта эксплуатации карьеров с аналогичными горно-геологическими условиями, задаются приближенным значением угла наклона борта α_о, под которым строят поверхность откоса AВ. Длалее вычисляют ширину призмы возможного обрушения АС и глубину вертикальной трещины отрыва Н₉₀ по формулам:

где ρ — угол трения; К_m — сцепление в массиве;

В формулах (2.6), (2.7) в качестве ρ и К принимаются их средние значения по выделенным сдоям. В том случае, когда сцепление пород определялось в образцах, сцепление в массиве K_M определяют по формуле:

где К – сцепление породы в образце, Па;

а – коэффициент, зависящий от прочности пород и характера трещиноватости;

Н – глубина залегания данного слоя;

W – интенсивность трещиноватости, обратно пропорциональная среднему расстоянию между трещинами.

От точек F и D под углом ε к вертикали проводят линии до пересечения в точке Е. В точке А под углом ε к поверхности откоса проводят касательную к поверхности скольжения. Перпендикуляры ОА и ОЕ к прямой аа и DE — радиусы кругло-цилиндрической поверхности скольжения, а точка О — центр окружности.

После построения потенциальной поверхности скольжения CDEA вычисляют средние весовые характеристики сопротивления сдвигу пород по поверхности скольжения:

где K_i и ρ_i — сцепление и угол внутреннего трения отдельных слоев пород, Па, и угл. градус; l_i — длина линии скольжения по отдельным слоям, м; σ_i — нормальное напряжение в середине каждого слоя, вычисляемое по формуле

где φ_i — средний наклон поверхности скольжения в отдельных слоях, равный наклону касательной к поверхности скольжения в середине слоя, угл. градус;

γ_і – средний объемный вес породы в данном слое, т/м 3 ;

Н – глубина залегания данного слоя.

Влияние погрешностей определения прочностных характеристик пород, методики расчета, влияния динамических нагрузок при массовых взрывах, снижения прочности пород с течением времени учитывают в расчетах посредством введения коэффициента запаса, на величину которого снижают характеристики сопротивления пород сдвигу. С учетом назначения откоса, его срока службы коэффициент запаса n принимают равным от 1,1 до 1,5. Характеристики сопротивления пород сдвигу, уменьшенные на величину коэффициента запаса, называют расчетными. Их можно получить по формулам:

где К_n и ρ_n — расчетное сцепление и угол внутреннего трения пород по поверхности скольжения.

Оптимальное значение угла наклона борта или его высоту находят по номограмме, которая показывает зависимость относительной величины предельно устойчивой высоты откоса от угла его наклона для пород с различными характеристиками сопротивления сдвигу (рис. 2.11).

Рисунок 2.11 – График зависимости относительной высоты откоса от угла его наклона

На графике по оси абсцисс отложены углы откоса α, а по оси ординат — относительная высота откоса Н’=Н/Н₉₀. Если задан угол откоса борта α, то по его значению и расчетному углу внутреннего трения ρ_n по графику находят Н’ затем вычисляют Н₉₀ по формуле (2.6) и оптимальную высоту откоса:

Н = Н’ * H₉₀.

Если задана высота откоса H, а требуется определить оптимальный угол откоса α, то вычисляют Н₉₀ и Н’ и по графику находят α.

2.5. МЕРЫ ОХРАНЫ ОТКОСОВ

Меры охраны откосов основаны на исключении условий нарушения устойчивости откосов, а также на предотвращении дальнейшего развития деформационных процессов с целью снижения их вредного влияния на производство работ в карьерах.

Значительные деформации откосов могут причинить предприятию большой материальный ущерб, нарушить и даже приостановить технологический процесс, привести к потерям полезного ископаемого, вызвать необходимость многократной переэкскавации сползающих или обрушенных масс пород.

Условия нарушения устойчивости откосов можно исключить посредством правильного выбора и соблюдения в процессе работ геометрических параметров откосов, наиболее полно отвечающих горно-геологическим условиям. Важен выбор оптимального направления подвигания горных работ, учитывающий структуру массива, гидрогеологические условия, направления дренирования вод. С учетом необходимости обеспечения устойчивости откосов должна выбираться определенная технология выемки вскрышных пород и полезного ископаемого, а также разрабатываться специальные методы производства взрывных работ.

К мерам борьбы с деформационными процессами относят работы по осушению месторождения, защиту поверхности пород откосов, укрепление и упрочнение прибортового массива.

2.5.1. Меры защиты от оползневых явлений.

Основной причиной развития оползневых явлений является обводненность пород. Поэтому одной из первоочередных мер предотвращения оползней является соответствующая планировка прибортовой зоны карьеров и устройство водоотводных канав, позволяющая производить отвод поверхностных вод за пределы карьерного поля. На площадках уступов должен быть предусмотрен перепуск скапливающейся воды к водосборникам для последующего удаления ее за пределы карьера. Кроме того, для осушения карьеров используются водопонизительные вертикальные или горизонтальные скважины, а в отдельных случаях и дренажные подземные горные выработки.

Если оползневые деформации откосов уже имеют место, то необходимо принять меры по локализации или по приостановке развития процесса.

Для уменьшения массы сползающего прибортового клина производят выполаживание угла откоса до такой величины, при которой сползания не происходит. Уточненная величина угла откоса устанавливается соответствующим расчетом по заданному коэффициенту запаса устойчивости.

Наиболее распространенным методом предотвращения дальнейшего развития оползня является отсыпка контрфорсов (рис. 2.12, а).

В передней части сползающих масс отсыпается дамба из скальных вскрышных пород, что создает упор и выполаживает общий угол наклона поверхности откоса.

Вместо контрфорсов в передней части оползня можно оставить целик пород или полезного ископаемого, если работы производятся на проектной глубине, а также применить породные стенки, сооружаемые у основания оползня.

Рис. 2.12 – Локализация развития оползней:

а — устройство контрфорсов; б — пригрузка откосов; в — подготовка основания отвала; α₁ — средний угол наклона откоса; α₂ — угол наклона откоса с учетом дамбы

При образовании фильтрационных оползней используется способ пригрузки наклонной поверхности фильтрующегося откоса слоем дробленой скальной породы мощностью не менее 1,5 м. В этом случае достигается свободное высачивание подземных вод на откос без выноса породы (рис. 2.12, б). Пригрузка откосов скальными породами делается с увеличением мощности слоя к основанию откоса, поэтому приводит к перераспределению напряжений в прибортовом массиве, увеличивает коэффициент запаса устойчивости на 20—25%.

При укладке отвалов на наклонное основание при наличии слабой, обводненной поверхности предварительно производят механическое рыхление поверхности основания с помощью тракторных рыхлителей на глубину 0,5—0,7 м или устраивают продольные траншеи. Эти меры увеличивают сопротивление скольжению отвальных пород по поверхности основания. Иногда траншеи заполняют фильтрующимся материалом, что обеспечивает отвод воды из отвальных масс (рис. 2.12, в).

Меры искусственного укрепления прибортового массива горных пород обеспечивают повышение сопротивления сдвигу пород в зоне наибольших напряжений по потенциальной поверхности скольжения (обрушения), или всего массива в целом. К этим мерам можно отнести:

1) механическое укрепление железобетонными сваями, пионами, анкерами, гибкими тросовыми тяжами;

2) физико-химическое укрепление с применением цементации, нагнетанием укрепляющих растворов из полимерных материалов, смол, с применением электрохимической и термической обработки;

3) изолирующие и защитные покрытия набрызгбетоном по металлической сетке, смолами, с использованием агромелиоративных способов.

Железобетонные сваи надежно закрепляют участки массива, имеющие плоскости ослабления (дизъюнктивные нарушения, плоскости напластования), неблагоприятно ориентированные относительно откоса. В этом случае в скважины, пробуренные в основании контакта, укладывают металлическую арматуру и заливают бетоном или цементным раствором, предварительно заполнив скважину заполнителем в виде щебня и песка (рис. 2.13, а).

Анкерное укрепление применяют для упрочнения связи слабой приповерхностной зоны с основной массой пород за пределами потенциальной поверхности ослабления. Различают распорные анкеры, у которых замок размещается в прочной части массива (рис. 2.13, б), а также анкеры, которые скрепляют породы на всем его протяжении посредством бетона или смол.

Рис. 2.13 – Схемы укрепления прибортового массива

цементация или смолизация, используется в интенсивно трещиноватых породах, обладающих хорошей водопроницаемостью. В этом случае с верхней площадки откоса бурят вертикальные или наклонные скважины на расстоянии 4—6 м друг от друга. В них нагнетают цемент до полного насыщения массива (рис. 2.13, в).

2.5.2. Способы предотвращения осыпей.

Так как осыпи откосов уступов — самые распространенные виды деформаций, в настоящее время разработаны разнообразные способы борьбы с ними. Перечислим основные из них.

1. Заоткоска уступов предусматривает создание оптимального для данных пород наклона откоса, при котором снижается степень разрушения и скатывания пород. В рыхлых породах эта работа выполняется, как правило, экскаваторами, а в скальных — путем применения специальных методов взрывания на предельном контуре погашения уступа.

Заоткоска уступов взрывным способом может производиться по следующим схемам:

а) предварительное щелеобразование на предельном контуре уступа наклонными скважинами. Создаваемая в данном случае взрыванием скважин щель является экраном для ударных волн при массовых взрывах на границе с предельным контуром. Сущность метода состоит в том, что по линии предельного контура уступа ВВ’ бурят ряд наклонных скважин, расположенных на расстоянии 1,5—2 м друг от друга (рис. 2.14, а). Скважины заряжают уменьшенными рассредоточенными зарядами. Взрывание контурных скважин производят с опережением по отношению к массовому взрыву приконтурного блока А’АВВ’;

Рис 2 14 – Схемы закрепления осыпей:

а — предварительное щелеобразование; б — заоткоска уступа наклонными и вертикальными скважинами; в — укрепление железобетонными сваями; г — искусственная бровка; д — укрепленная берма

б) заоткоска уступа по проектному контуру посредством наклонных или вертикальных скважин переменной глубины (рис. 2.14, б).

Такие меры направлены на снижение зоны, разрушаемой массовыми взрывами, так как при мгновенном взрывании большого количества взрывного вещества в скважинах зона частичного разрушения пород распространяется на расстояние до 8—10 м за пределы линии отрыва, что приводит к снижению сопротивляемости пород сдвигу и их стойкости против выветривания.

2. Создание широких берм механизированной очистки с целью избежания образования за счет осыпей сплошных откосов на всю высоту борта. Это достигается сдваиванием и страиванием уступов на предельном контуре карьера.

3. При остановке уступов в предельном контуре с подрезкой наклоненных в сторону откоса слоев пород для обеспечения проектного угла наклона откоса целесообразно производить опережающее укрепление пород уступа железобетонными сваями (рис. 2.14, в).

4. Если не осуществляется укрепление пород приконтурного массива, то образование осыпей приводит к уменьшению полезной ширины бермы за счет срезания верхней части откоса уступа или даже всего откоса. Для восстановления берм создают искусственную бровку или сооружают специальные укрепления (рис. 2.14, г).