Расчет устойчивости откоса уступа

Определение параметров бортов карьеров и поддержание их в устойчивом состоянии

Аннотация:

Содержание:

ПРЕДИСЛОВИЕ

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВ КАРЬЕРА
1.1. Оценка устойчивости откоса при плоской поверхности скольжения (метод П.М. Цимбаревича)
1.2. Расчёт откосов выпуклого профиля
1.3. Расчёт устойчивости откосов при наличии поверхностей ослабления
1.4. Определение параметров устойчивых бортов карьеров по методу ВНИМИ
1.4.1. Схемы расчёта устойчивости протяжённых прямолинейных участков бортов карьеров, откосов уступов и отвалов для различных геологических условий

2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ
2.1. Общая информация об устойчивости бортов
2.2. Обоснование параметров бортов карьера в конечном положении
2.2.1. Физико-механические свойства горных пород и руд
2.2.2. Методика расчётов по обоснованию максимально допустимых параметров бортов карьера
2.2.3. Величина коэффициента запаса устойчивости бортов карьера в конечном положении
2.2.4. Расчётные значения показателей физико-механических свойств пород в массиве
2.2.5. Результаты расчётов по оценке устойчивости бортов карьера и предварительные рекомендации по их параметрам в конечном положении
2.2.6. Расчёт устойчивости бортов карьера с учётом действия горизонтальных тектонических напряжений
2.2.7. Рекомендации по углам откоса бортов карьера

3. ИСХОДНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРНЫХ ПОРОД И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОЕКТАХ
3.1. Физико-механические свойства пород на карьерах региона
3.2. Изучение особенностей и закономерностей изменения свойств пород от генезиса до разработки месторождения и техногенного складирования пород (отходов)

4. МЕТОД И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ БОРТА ГЛУБОКОГО КАРЬЕРА ПО ДАННЫМ ГЕОЛОГОРАЗВЕДКИ И ЭКСПЕРИМЕНТА
4.1. Определение размера структурного блока по данным натурно-экспериментальных (керн) определений. Характеристика нарушенности массивов пород и их прочностного состояния
4.2. Исходные данные для определения расчетных прочностных характеристик пород и определение параметров бортов карьера

5. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВ ГЛУБОКИХ И СУПЕРГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ
5.1. Выявление взаимосвязей прочностных характеристик пород (угла ф и сцепления) при определении параметров бортов карьеров
5.2. Учёт криволинейности борта карьера

6. ПЕРСПЕКТИВНОЕ РАЗВИТИЕ ГОРНЫХ РАБОТ НА КАРЬЕРЕ (ВАРИАНТ КОМБИНАТА ОАО «КОВДОРСКИЙ ГОК»)
6.1. Основные особенности развития горных работ по варианту ОАО «Ковдорский ГОК»
6.2. Основные положения варианта развития горных работ при разработке Ковдорского месторождения комплексных железных руд открытым и подземным способами в глубоких зонах
6.3. Методы и способ повышения устойчивости бортов суперглубокого карьера (на примере Ковдорского карьера комплексных железных руд)

7. ПОДДЕРЖАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ УСТУПОВ И БОРТОВ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ ПРИ ИХ ФОРМИРОВАНИИ
7.1. Экспериментальное изучение свойства горных пород на ползучесть
7.2. Выявление особенностей и закономерностей деформации пород под действием нагрузок
7.3. Определение и учёт упругих характеристик пород при прогнозировании устойчивости горных объектов (борта карьеров)
7.3.1. Статические и динамические показатели деформируемости
7.4. Определение обобщенных показателей деформируемости для квазиоднородных элементов массива
7.5. Устройство устойчивого профиля борта
7.5.1. Влияние взрывов на устойчивость откосов уступов и бортов карьеров
7.6. Искусственное укрепление откосов
7.6.1. Механические способы укрепления откосов
7.6.2. Изучение влияния горно-геологических и горнотехнических факторов при выборе метода укрепления откосов уступов и бортов в карьерах
7.6.2.1. Учёт горно-геологических факторов при построении моделей массивов горных пород прибортовых зон карьеров
7.6.2.2. Заоткоска уступов и бортов карьеров
7.6.2.3. Выбор метода крепления ослабленных участков уступов и бортов карьеров
7.6.2.4. Опыт укрепления откосов уступов и участков бортав карьерах
7.6.2.5. Определение параметров разрушения берм и их укрепление
7.6.2.6. Решение проблем и способы постановки уступов и бортов карьеров ОАО «Апатит» под предельно устойчивыми углами откосов
7.6.2.7. Отстройка и поддержание в устойчивом состоянии высоких и крутонаклонных участков бортов для размещения на них комплексов циклично-поточной технологии
7.7. Изменение коэффициента запаса устойчивости во времени и оценка возможности деформации (обрушения) уступа (борта)
7.8. Повышение устойчивости обводненных откосов
7.9. Особенности ведения мониторинга техногенных процессов (горнодобычных) при создании бортов глубокого карьера

22.3. Методы расчёта устойчивости уступов и бортов карьеров.

Существующие расчетные методы условно можно разделить на две группы — строгие и приближенные.

В расчетах по строгим методам используют математический аппарат механики сплошных сред. В практике горного дела наибольшее распространение получили приближенные методы, основанные на допущении, что сдвижение происходит по определенным для данных условий поверхностям, по которым сдвигающие силы превышают удерживающие. Исходя из этого допущения, основное условие устойчивости горных пород в откосах может быть записано в виде:

SS_i>ST_i , (22.1)

где SS_i — сумма сил, удерживающих откос от сдвига по наиболее слабой поверхности; ST_i —сумма сдвигающих сил по этой поверхности.

Отношение суммы удерживающих сил к сумме сдвигающих носит название коэффициента запаса устойчивости (n = SS_i/ST_i). Наиболее слабой является та поверхность, по которой это отношение наименьшее. Поверхность, по которой действуют силы с отношением n = 1, называют предельно напряженной или поверхностью скольжения.

Форма и местоположение в массиве поверхностей скольжения зависят от ориентировки в пространстве тектонических нарушений, слоистости, сланцеватости и других крупных поверхностей ослабления, от механических характеристик и объемного веса пород, от высоты и угла наклона откоса. Существенное влияние на устойчивость откосов оказывает также наличие водоносных горизонтов, водоемов, открытых и подземных водостоков в окрестностях карьера.

При расчетах устойчивости откосов рассматривают обычно две формы поверхностей скольжения: плоскую и круглоцилиндрическую.

Плоскую форму принимают в тех случаях, когда углы падения пород, слагающих откос, больше угла внутреннего трения по контактам слоев и меньше угла рабочего откоса уступа, т. е. в условиях, при которых происходит подрезка контактов между слоями. Плоская поверхность скольжения наблюдается и в тех случаях, когда происходит подрезка дизъюнктивных нарушений или ярко выраженных трещин, падающих в сторону выемки под углами, превышающими угол внутреннего трения пород.

В остальных случаях при расчетах устойчивости откосов в связных горных породах (преимущественно при однородном или слоистом строении массива) принимают, как правило, круглоцилиндрическую поверхность скольжения.

Сопротивление сдвигу горных пород является величиной переменной, зависящей от ряда факторов, в том числе от нормальных напряжений, действующих по поверхности сдвига, т. е. t = f(s_n). Обычно эту зависимость представляют в графической форме. В общем виде она криволинейна, однако в определенных пределах может быть заменена прямой

t =t_o+s_n tgj, (22.2)

где t_o—сцепление горной породы; (j—угол внутреннего трения, тангенс которого является коэффициентом внутреннего трения; s_n и t—нормальная и касательная составляющие напряжений по предельно напряженным площадкам, из которых слагается поверхность скольжения.

Большая протяженность бортов дает возможность при расчете их устойчивости ограничиваться решением плоской задачи объемного напряженного состояния.

Профессор Г.Л. Фисенко разработал формулы, по которым определяются предельная высота вертикального откоса в слоистом массиве, когда слои падают в сторону массива или, наоборот, в сторону выемки.

При круглоцилиндрической поверхности скольжения оценку устойчивости откосов производят следующим образом.

Участок откоса АБВ (рис 22.2), ограниченный поверхностью скольжения АВ₁В, делят на ряд вертикальных полос 1, 2, 3. одинаковой ширины а. Принимая средние высоты полос условно за их веса Q_i, разлагают последние на касательные и нормальные составляющие к поверхности скольжения.

Рис 22.2 Схема к расчету устойчивости откоса при круглоцилиндрической поверхности скольжения.

Просуммировав отдельно отрезки касательных и нормальных составляющих (с учетом их масштаба) и измерив длину расчетной поверхности скольжения L, составляют соотношение:

f_cpSN_i+Lt_cp

В этом выражении знаменатель представляет сумму сил, сдвигающих оползневой клин, а числитель—удерживающих его. При этом, чем больше значение n, тем более устойчив откос. При n = 1 откос находится в состоянии предельного равновесия.

В верхней части откоса часто наблюдается поверхность отрыва BB₁ (вертикальная трещина), высота которой может быть определена по специальной формуле. При появлении поверхностей отрыва значение расчетной силы сцепления уменьшается. Поэтому при расчетах следует принимать L, равное длине линии скольжения AB₁, т. е. не включать в нее высоту трещины отрыва h_p/2.

При расчетах устойчивости уступов и бортов карьеров по круглоцилиндрической поверхности большую сложность представляет определение её местоположения. Иногда это делают методом последовательного приближения, что связано с трудоемкими вычислениями, профессор Г. Л. Фисенко предложил определять её местоположение, используя положения теории сыпучей среды.

Поверхность скольжения можно построить и по данным маркшейдерских наблюдений. Если направления векторов от верхнего основания откоса к нижнему постепенно выполаживаются, а значения их остаются примерно одинаковыми, то это свидетельствует о движении сползающей части уступа как одного целого. В этом случае поверхность скольжения строят так, как показано на рис. 22.3.

Рис. 22.3 Построение поверхности скольжения по данным маркшейдерских наблюдений (стрелками указаны векторы сдвижения).

Положение поверхности скольжения оползня можно определить также путем инклинометрических измерений в скважинах, пробуренных в оползневом массиве. С помощью этих измерений определяют искривление ствола скважины и по измеренному значению его кривизны на отдельных интервалах устанавливают местоположение поверхности скольжения оползня, поскольку наибольшим искривлениям подвергается отрезок скважины, расположенный в зоне формирования поверхности скольжения.

Для ориентировочного определения углов наклона бортов карьеров «Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов, уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости, Л, ВНИМИ, 1971» рекомендует пользоваться значениями, представленными в табл. 22.1, составленной на основании результатов многолетних наблюдений за устойчивостью откосов в различных горно-геологических условиях.

Рекомендуемые значения углов наклона бортов карьеров для различных горно-геологических условий.

и общая характеристика пород, слагающих борта карьера

Геологические условия и основные факторы, оказывающие влияние на углы наклона бортов.

Угол наклона, град.

I-а. Преимущественно крепкие слаботрещиноватые породы.

I-б. Крепкие породы с интенсивной трещиноватостью.

Ширина берм, высота уступов (одиночных или сдвоенных) и угол их откосов, зависящие от углов падения в сторону карьера поверхностей ос-лабления (слоистости, сланцеватости, тектонических нарушений и крупных трещин).

При отсутствии неблагоприятно ориентированных поверхностей ослаб-ления.

II. Наряду с крепкими породами в борту залегают хлоритовые, серицитовые и талькохлоритовые сланцы, выветренные уплотнён-ные песчано-глинистые породы.

Борт лежачего бока при падении слоёв под углом более 40 0 и при глубине более 200 м. При отсутствии поверх-ностей ослабления большого протяже-ния, падающих в сторону карьера.

При наличии поверхностей ослабле-ния, падающих в сторону карьера.

При мульдообразном залегании слоёв.

III. Борта или их участки сложены рыхлыми (слабоуплотнёнными) и несвязными осадочными или полностью дезинтегрированными (выветрелыми) породами

Преобладают песчано-гравийные, ме-ловые, выветрелые, изверженные и другие хорошо дренированные отло-жения; в нижней части бортов нет пластичных глин и поверхностей ослабления.

В средней или нижней части борта имеются горизонтальные или согласно падающие поверхности ослабления или слои пластичных глин; основание откоса сложено пластичными глинами.

Рассмотренные методы расчёта устойчивости уступов и бортов карьеров не учитывают особенностей высоконапряжённых массивов, сложенных скальными породами. К ним относятся:

гравитационно-тектоническое поле естественных напряжений;

иерархично блочное строение.

Вследствие этих особенностей нарушения устойчивости уступов и бортов карьеров происходят в виде образования вывалов пород, ограниченных структурными неоднородностями различных порядков.

Здесь, по аналогии с подземными выработками, также может быть выделена некоторая «ослабленная зона», в пределах которой связи между отдельными структурными блоками существенно нарушаются под совокупным воздействием динамических технологических нагрузок (главным образом, от взрывных работ), процессов перераспределения статических полей напряжений и процессов выветривания пород.

Как показывают результаты наблюдений и инструментальных измерений мощность этой «ослабленной зоны» может достигать нескольких метров.

Поскольку качественной разницы между процессами образования «ослабленной зоны» в подземных выработках и при открытой разработке скальных месторождений нет, здесь может быть применён тот же метод расчёта параметров «ослабленной зоны», который рассматривался нами ранее.

Преимуществом этого метода является точный учёт статического поля напряжений, особенно это важно сточки зрения возможности прямого учёта горизонтальных напряжений тектонического происхождения, а также дифференцированный подход к учёту прочностных свойств именно тех структурных неоднородностей (эффективных структурных неоднородностей), по которым возможно разрушение и образование вывалов пород, т.е. нарушение устойчивости уступов и бортов.

В результате применения этого метода в условиях Ковдорского комплексного апатит-бадделеит-магнетитового месторождения оказалось возможным для отдельных участков карьера рекомендовать конструкцию борта с вертикальными уступами высотой 30 м.

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 или оптимального угла наклона откоса при установленной технико-экономическим расчетом его высоте, или, наоборот, 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, построенным тем или иным способом, рис. 4.3

Рис. 4.3 Схема построения потенциальной поверхности скольжения в однородном прибортовом массиве

К ним относятся:

а) расчет однородного борта по круглоцилиндрической поверхности скольжения;

б) алге­браическое сложение сил по потенциальной поверхности сколь­жения;

в) метод многоугольника сил.

Расчет параметров устойчивости однородных бортов карьеров основан на том, что предельно напряженный прибортовой клин АВСDЕ (рис. 163) ограничен в мас­сиве потенциальной поверх­ностью скольжения, которая делится на три части: верти­кальная плоскость отрыва СD, вычисляемая по формуле (VI.6.3); наклонная площадка скольжения ЕD, отклоняющаяся от вертикали на угол = 45°—р/2; круглоцилиндрическая поверхность скольжения АЕ, пересекающая основание откоса под углом к его плоскости. По характерным участкам борта карьера вкрест простира­ния его строят детальные инженерно-геологические разрезы, на которых должны быть выделены слои или группы слоев пород с различными показателями сопротивления сдвига р_i, и K_i и трещиноватости. Исходя из опыта эксплуатации карьеров с аналогичными горно-геологическими условиями, задаются приближенным значением угла наклона борта , под которым строят поверхность откоса АВ. Для построения потенциальной поверхности скольжения вычисляют ширину призмы возмож­ного обрушения и глубину вертикальной трещины отрыва H₉₀. Ширину призмы возможного обрушения вычисляют по фор­муле

(VI.6.4)

В формулах (VI.6.3), (VI.6.4) в качестве р и К принимаются средние их значения. В том случае, когда сцепление пород оп­ределялось в образцах, сцепление их в массиве К_м опреде­ляют по формуле

(VI.6.5)

где К — сцепление породы в образце, Па; а — коэффициент, зависящий от прочности пород и характера трещиноватости; W— интенсивность трещиноватости, обратно пропорциональ­ная среднему расстоянию между трещинами l, м. От точек F и D под углом к вертикали проводят плоскости скольжения до пересечения с точкой Е. В точке А под углом к поверхности откоса проводят касательную к поверхности скольжения. Пер­пендикуляры ОА и ОЕ к прямой аа и DЕ — радиусы кругло-цилиндрической поверхности скольжения, а точка О — центр окружности. После построения потенциальной поверхности скольжения СDЕА вычисляют средние весовые характеристики сопротивления сдвигу пород по поверхности скольжения:

(VI.6.6)

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

где — средний наклон поверхности скольжения в отдельных слоях (наклон касательной к поверхности скольжения в сере­дине слоя), угл. градус.

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

Консалтинг

Геомеханическое обоснование параметров устойчивости бортов открытых горных разработок и откосов отвалов

Геомеханические исследования и моделирование

– структурная оценка месторождения для определения геомеханических доменов и гидрогеологических условий;

– оценка качества исходных данных инженерно-геологических и гидрогеологических данных, разработка программы выполнения геологоразведочных работ и инженерных изысканий;

– проведение полевого геомеханического обследования участков открытых горных работ;

– полевые геомеханические исследования, картирование, документирование, создание баз данных;

– подготовка обоснования исследования горного массива геофизическими методами;

– интерпретация результатов геофизических исследований;

– построение геомеханических моделей отработки месторождения с учётом литологических, структурных и гидрогеологических особенностей месторождения с учётом горно-технических факторов;

– оценка напряженно-деформированного состояния бортов карьеров и отвалов на основе натурных наблюдений и компьютерного моделирования.

Геомеханическое обоснование устойчивости откосов бортов, уступов и отвалов

– расчёт устойчивости откосов на угольных разрезах;

– расчёт устойчивости и несущей способности отвалов;

– оценка устойчивости откосов склонов, выемок и насыпей при строительстве, эксплуатации, консервации и ликвидации ответственных зданий, сооружений и транспортных коммуникаций;

– расчёт устойчивости складов ПСП, ППСП;

– оценка устойчивости дамб гидротехнических сооружений;

– расчёт ширины призм возможного обрушения для различных типов горнотранспортного оборудования.

Разработка инженерно-технических решений и мероприятий

– разработка инженерно-технических решений и мероприятий, повышающих устойчивость откосов;

– разработка мероприятий по обеспечению устойчивого состояния отвалов;

– разработка мероприятий по обеспечению устойчивого состояния системы борт-отвал;

– разработка мероприятий и рекомендаций по устранению последствий деформационных процессов (оползней, обрушений и т.д.) прибортовых массивов горных выработок, отвалов и насыпей;

– разработка рекомендаций по построению устойчивого борта в целом, сложенного породами различных групп, для которых устойчивые углы откосов бортов и уступов определены раздельно.

Мониторинг деформаций

– разработка проекта геомеханического мониторинга за устойчивостью бортов карьеров и отвалов;

– разработка системы мониторинга деформаций для СМИС;

Инжиниринговые и консультационные услуги

– анализ принимаемых горно-технических решений;

– консультационные услуги по технологии открытых горных работ;

– выполнение поверочных расчётов устойчивости;

– консультационные услуги в части увязки геомеханического обоснования устойчивости бортов, уступов и отвалов с задачами выбора схем вскрытия рабочих горизонтов, конструирования рабочих и стационарных бортов разреза, включающих в себя систему вскрывающих выработок;

– консультационные услуги по определению параметров технологических схем ведения горных работ на разрезах с учетом обеспечения устойчивого состояния их элементов (устойчивых откосов уступов и отвальных ярусов, необходимых берм безопасности при нагрузке уступов горнотранспортным оборудованием и т.п.);

– консультационные услуги по увязке мероприятий по обеспечению повышения устойчивости объектов горного производства (бортов, уступов, отвалов) с основными технологическими решениями по предприятию открытой угледобычи.

• О компании
  • О нас
  • История компании
  • Отчетность
  • Сотрудники
  • Музей
  • Лицензии
  • Вакансии
  • Наши заказчики
  • Отзывы

• Услуги
  • Проектирование
  • Геологоразведка
  • Инженерные изыскания
  • Надзор и контроль
  • Консалтинг
  • Финансы
  • Угледобыча
  • Маркшейдерия

• Проекты
• Медиацентр
• Тендеры
• Наши партнеры
  • Информация
  • Зарубежные партнеры
  • Российские партнеры
• Контакты

Кемерово, ул. Н. Островского, 34

(+7 38 42) 58 56 56

(+7 38 42) 58 01 30

ОАО «Кузбассгипрошахт». Все права защищены, любое копирование материалов сайта запрещено.