Устойчивый углы откоса уступа

Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах

МИНИСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА —
МЕЖОТРАСЛЕВОЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ВНИМИ

16 марта 1998 г.

с Министерством топлива
и энергетики РФ

Введено в действие с 1 января 1999 г.

ПРАВИЛА
ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ
НА УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗАХ

С.-Петербург
1998

Правила разработаны ВНИМИ на основе большого объема фактического материала по изучению характера проявлений деформаций прибортовых массивов и отвалов в различных горно -геологических условиях, лабораторных и аналитических исследований процессов деформирования откосов, анализа эффективности инженерно-технических мероприятий по повышению устойчивости бортов, уступов и отвалов.

Правила содержат методы оценки устойчивости откосов, определения максимальных параметров устойчивых бортов, уступов и отвалов на разрезах, а также рекомендации инженерно-технических мероприятий для повышения устойчивости откосов.

В Приложениях приведены графики предельных параметров бортов, уступов и отвалов, примеры необходимых расчетов и каталоги физико-механических свойств вмещающих угольные пласты пород и отвальной смеси.

Правила предназначены для использования горными предприятиями, проектными, научно-исследовательскими организациями угольной промышленности.

Правила разработаны впервые.

И .Ф. Петров (председатель), В.С. Зимич (зам. председателя), А. М . Навитн ий (зам. председателя), Т.К. Пустовойтова , А.Я. Савченко, В. М . Савин, А.А. Бели нкин , А.Л. Виру ла , В.Е. Дроздов, А.Ф. Па стушенков , В.П. Шорохов, Б.Г. Афанась ев , В.Н. Попов

Г.Л . Фи сенко, Т .К. Пустовойтова, А.М. Мочалов, Э.Л. Галустьян, А.Н. Гурин, С.В. Кагермазова, И.И. Ермаков, С.П. Бряков, Б.Г. Афанасьев, Ю.А. Норватов, В.И. Пушкарев, С.А. Ишутин, Н.А. Кутепова, Ю.С. Козлов

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Настоящие правила регламентируют способы оценки устойчивости бортов разрезов, отвалов и методы расчетов максимальных параметров устойчивых бортов, уступов и отвалов, а также меры по предупреждению оползневых явлений и борьбы с ними.

2. Требования к надежности оценки устойчивости бортов разрезов с увеличением их глубины и сроков службы, учитывая опасность для горного предприятия деформирования прибортовых массивов в этих условиях, повышаются.

Меры предупреждения оползневых явлений и борьбы с ними должны обеспечивать безопасность, экономическую и экологическую целесообразность разработки полезных ископаемых открытым способом.

3. Для надежного прогноза устойчивости откосов необходимы исходные данные, характеризующие горно-геологические условия поля разреза.

Факторы, влияющие на устойчивость бортов разрезов, изложены в разд. 2, дополнительные факторы, учитывающие особенности условий устойчивости отвалов, приведены в разд. 9.

Требования к изученности инженерно-геологических условий угольных месторождений для определения устойчивости бортов разрезов и уступов изложены в «Методическом пособии по изучению инженерно-геологических условий угольных месторождений, подлежащих разработке открытым способом» (Л.: Недра, 1986. — 112 с).

В период строительства и эксплуатации разрезов инженерно-геологические условия уточняются на основании изучения деформаций бортов разрезов, детального изучения физико-механических свойств горных пород, их трещиноватости, условий залегания слоев пород по мере их вскрытия, тектонического строения массива.

4. Правила оценки устойчивости откосов и определения максимальных параметров бортов разрезов, уступов и отвалов в зависимости от горно-геологических условий на разрезах изложены в разделах 3, 5 и 9. Влияние воды на напряженное состояние массива в схемах расчета устойчивости откосов оценивается учетом действующих сил гидростатического взвешивания и гидродинамического давления.

5. В приложениях 1, 3, 4, 5 Правил приведены графики предельных параметров бортов и уступов в различных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях. Учитывая схематизированность этих условий и определенные допущения, сделанные при расчетах упомянутых графиков, для принятого варианта параметров откоса необходимо производить контрольную оценку устойчивости откоса по представленной в табл. 3.1 и разд. 5 соответствующей схеме расчета.

Приведенные в указанных приложениях графики применимы при определенных условиях, указанных в п. 5.3.6 настоящих Правил.

6. Наиболее надежным способом оценки фактического состояния откосов при принятых параметрах бортов разрезов и уступов является контроль за деформациями прибортового массива, которые не должны превышать для рассматриваемых условий предельно допустимых величин.

Метод оценки устойчивости бортов по их деформациям и прогноз смещений земной поверхности прибортовых массивов горных пород по их деформационным свойствам приведены в разд. 7.

Требования к методике и периодичности наблюдений за деформациями откосов на разрезах изложены в «Методических указаниях по наблюдениям за деформациями бортов разрезов и отвалов, интерпретации их результатов и прогнозу устойчивости» (Л.: ВНИМИ, 1987. — 118 с).

7. Выбор эффективных инженерно-технических противооползневых мероприятий определяется геологическими условиями прибортового массива горных пород и причинами возникших деформаций.

Рекомендации соответствующих инженерно-технических мероприятий, повышающих устойчивость откосов, изложены в разд. 8.

8. Настоящие Правила предназначены для технического решения вопросов устойчивости откосов на всех стадиях освоения месторождений: от проектирования и строительства угольных разрезов до погашения в них работ. Требования к периодичности необходимой контрольной оценки устойчивости бортов разрезов изложены в разд. 3.

9. Отступления от настоящих Правил допускаются только при согласовании с органами Госгортехнадзора на основании заключения специализированной организации, имеющей соответствующую лицензию.

1. ОБОЗНАЧЕНИЯ

H — высота борта разреза (карьера), м;

H ₉₀ — высота вертикальной трещины отрыва, м;

H _в — предельная высота вертикального откоса, м;

— высота вертикального откоса при подрезке слоев, м;

H — предельная высота устойчивого отвала, м;

H’ — условная высота промежутка высачивания, м;

a — ширина призмы возможного обрушения борта (откоса уступа, отвала) по земной поверхности (верхней площадке уступа, отвала), м;

h’ — глубина, при которой возникают площадки скольжения на контакте (глубина трещин отрыва), м;

α — угол наклона борта, угол откоса уступа, угол откоса отвала, (. °);

β — угол падения слоев и поверхностей ослабления массива, угол наклона основания отвала (слабого контакта в основании отвала), (. °);

ε = (45° — φ/2) — угол между направлением наибольшего главного напряжения и площадкой скольжения, (. °);

ω = (45° + φ/2) — угол наклона поверхности скольжения в верхней части, (. °);

γ — плотность (объемный вес) горной породы, т/м 3 , г/см 3 ;

γ _в — вес единицы объема воды (плотность воды), г/см 3 ;

W — естественная влажность (весовая) пород, %;

С — сцепление породы, кг/см 2 ;

С — сцепление пород в образце (монолите), кг/см 2 ;

C _м — сцепление пород в массиве, т/м 2 ;

C’ — сцепление пород по контактам поверхностей ослабления, т/м 2 ;

C_n — сцепление (расчетная величина) в массиве, измененное на величину коэффициента запаса устойчивости, т/м 2 ;

σ — прочность пород на одноосное сжатие, т/м 2 ;

σ _р — сопротивление пород отрыву, т/м 2 ;

f _кр = σ /100 — коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову;

λ — коэффициент структурного ослабления массива;

n — коэффициент запаса устойчивости борта, откоса уступа, отвала;

a’ — коэффициент, зависящий от прочности пород в монолитном образце и характера трещиноватости;

l _т — средний размер структурных блоков, м;

φ — угол внутреннего трения породы, (. °);

φ ‘ — угол трения по поверхностям ослабления, (. °);

φ _n — угол внутреннего трения (расчетная величина), измененный на величину коэффициента запаса устойчивости, (. °);

f = tg φ — коэффициент внутреннего трения;

L — общая длина поверхности скольжения (расчетной поверхности) призмы возможного обрушения, м;

l_i — длина отрезков вероятной поверхности скольжения (длина основания блока), м;

P _i — вес отдельного блока, на которые разбивается призма возможного обрушения вертикальными гранями, т;

N _i — нормальная составляющая веса отдельного блока, т;

T_i — касательная составляющая веса отдельного блока, т;

j_i — угол наклона площадки, являющейся основанием отдельного блока, (. °);

R_i — силы реакции по площадкам поверхности скольжения, т;

D_i — сила гидростатического давления, т;

k — коэффициент, характеризующий обводнение прибортового массива;

Е _i — силы реакции между смежными блоками (равнодействующие сил трения и сцепления), действующие по боковым поверхностям отдельного блока, т;

θ, θ ‘ — углы излома поверхности скольжения, (. °);

ψ — угол излома поверхности скольжения на границе со слабым слоем, (. °);

τ — касательные напряжения по заданной площадке, т/м 2 ;

σ _п — нормальные напряжения по заданной площадке, т/м 2 ;

τ_max — максимальное значение общего сопротивления сдвигу отвальной массы (горной породы), т/м 2 ;

K _ф — коэффициент фильтрации, м/сут;

ξ — предельная (критическая) величина относительного смещения по поверхности разрушения;

υ — скорость смещения, мм/сут;

τ‘ — относительное сопротивление пород сдвигу;

J — угол наклона депрессионной кривой (. °);

α_ест — угол естественного откоса горных пород, (. °).

2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ РАЗРЕЗОВ

Все факторы, влияющие на устойчивость бортов разрезов, можно разделить на четыре группы (рис. 2.1):

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

К наиболее существенным инженерно-геологическим факторам относятся [1, 2]:

1. Структурно-тектоническое строение массива. Условия залегания угольных пластов и вмещающих пород, наличие тектонических нарушений, трещин большого протяжения, поверхностей древних оползней и т.д.

От пространственной ориентировки крупных поверхностей ослабления в массиве горных пород (слоистости, сланцеватости, разрывных тектонических нарушений, поверхностей древних оползней) в значительной степени зависят положение и форма поверхностей скольжения, что, в свою очередь, определяет схему расчета устойчивости бортов. Этот фактор является одним из решающих при оценке устойчивости откосов, сложенных осадочными слоистыми породами при направлении падения слоев и нарушений в сторону открытой горной выработки, так как по таким поверхностям ослабления сцепление незначительно, а углы трения существенно меньше, чем по другим направлениям.

2. Прочность горных пород в прибортовом массиве.

Основными характеристиками прочности пород в массиве при оценке устойчивости откосов являются показатели сопротивления сдвигу или срезу (сцепление и коэффициент внутреннего трения), которые определяются генезисом пород, степенью литификации осадочных пород, их литолого-петрографическими особенностями (минеральным и гранулометрическим составами, структурой и текстурой в образце, составом цемента в осадочных сцементированных породах, плотностью сложения в рыхлых несвязных породах — песках, галечниках, гравелистых породах, плотностью сложения и влажностью в мягких связных — глинистых породах); сцепление в массиве всех трещиноватых пород зависит от прочности (сцепления) пород в образце, интенсивности и характера трещиноватости пород (формы и размера структурных блоков), а также сцепления пород по контактам слоев и другим поверхностям ослабления.

Геомеханическое обоснование параметров вскрышных уступов при разработке мульдообразных залежей

Для оп­ре­де­ле­ния па­ра­ме­т­ров и тем­пов гор­ных ра­бот не­об­хо­ди­мо об­ла­дать ин­фор­ма­ци­ей об ус­той­чи­во­с­ти бор­тов ка­рь­е­ра на за­дан­ный мо­мент вре­ме­ни. При раз­ра­бот­ке муль­до­об­раз­ных за­ле­жей во­про­сы ус­той­чи­во­с­ти при­об­ре­та­ют осо­бый ха­рак­тер вслед­ст­вие спе­ци­фич­но­с­ти за­ле­га­ния по­лез­но­го ис­ко­па­е­мо­го, име­ю­ще­го кра­е­вые вы­хо­ды на по­верх­ность.

За­да­ча ус­той­чи­во­с­ти мас­си­вов по­род яв­ля­ет­ся ча­ст­ной за­да­чей об­щей те­о­рии пре­дель­но­го на­пря­жен­но­го со­сто­я­ния грун­тов, но име­ет весь­ма су­ще­ст­вен­ные осо­бен­но­с­ти, обус­лов­лен­ные спе­ци­фи­кой дви­же­ния масс при на­ру­ше­нии их ус­той­чи­во­с­ти [1]. При­чи­ной на­ру­ше­ния ус­той­чи­во­с­ти в дан­ном слу­чае яв­ля­ет­ся умень­ше­ние вну­т­рен­них со­про­тив­ле­ний в мас­си­ве (раз­ру­ше­ние ес­те­ст­вен­ных упо­ров) вслед­ст­вие об­на­же­ния бор­та при от­ра­бот­ке ме­с­то­рож­де­ния. Рас­смо­т­рим эти во­про­сы при­ме­ни­тель­но к ус­ло­ви­ям Не­рюн­г­рин­ско­го уголь­но­го раз­ре­за. Учи­ты­вая ге­о­ло­ги­че­с­кие ус­ло­вия Не­рюн­г­рин­ско­го ме­с­то­рож­де­ния, приз­ма ве­ро­ят­но­го об­ру­ше­ния бор­та раз­ре­за бу­дет яв­лять­ся ополз­нем сколь­же­ния, то есть ополз­нем по за­фик­си­ро­ван­ной по­верх­но­с­ти, ко­то­рой яв­ля­ет­ся кров­ля уголь­но­го пла­с­та, име­ю­щая бо­лее низ­кие проч­но­ст­ные свой­ст­ва, чем мас­сив вскрыш­ных по­род в це­лом.

Рас­че­ты ус­той­чи­во­с­ти пре­иму­ще­ст­вен­но вклю­ча­ют в се­бя оп­ре­де­ле­ние сдви­га­ю­щих и удер­жи­ва­ю­щих сил (на­пря­же­ний) и ус­та­нов­ле­ние на ос­но­ве срав­не­ния этих сил ко­эф­фи­ци­ен­тов за­па­са ус­той­чи­во­с­ти за­дан­но­го про­фи­ля. Для рас­че­та ус­той­чи­во­с­ти бор­тов ка­рь­е­ров и от­ко­сов от­ва­лов при­ме­ня­ют ме­то­ды ал­ге­б­ра­и­че­с­ко­го сум­ми­ро­ва­ния сил по круг­ло­ци­лин­д­ри­че­с­ким и мо­но­тон­ным кри­во­ли­ней­ным по­верх­но­с­тям и ме­тод мно­го­уголь­ни­ка сил при лю­бой фор­ме по­верх­но­с­ти сколь­же­ния [2, 3]. Урав­не­ние рав­но­ве­сия име­ет вид:

где: ji,ci — со­от­вет­ст­вен­но, угол вну­т­рен­не­го тре­ния и сцеп­ле­ние по ос­но­ва­нию бло­ков, сла­га­ю­щих об­ру­ша­ю­щий­ся борт;

Ni,Ti — со­от­вет­ст­вен­но, нор­маль­ные и ка­са­тель­ные со­став­ля­ю­щие мас­сы эле­мен­тар­ных бло­ков по­ро­ды;

Ii — дли­на на­клон­но­го ос­но­ва­ния бло­ков.

Кри­вая сколь­же­ния для гор­ных по­род ес­те­ст­вен­но­го за­ле­га­ния ха­рак­те­ри­зу­ет­ся в верх­ней сво­ей ча­с­ти тре­щи­ной от­ры­ва, ве­ли­чи­на ко­то­рой за­ви­сит от проч­но­ст­ных свойств по­род и рав­на [3]:

H90=2c/g ctg (45°+j/2) (2)

При раз­ви­тии в мас­си­ве гор­ных по­род си­с­те­мы тре­щин (осо­бен­но тре­щин па­де­ния) вы­со­та вер­ти­каль­но­го от­ко­са приз­мы опол­за­ния мо­жет уве­ли­чи­вать­ся. При про­гноз­ных рас­че­тах ус­той­чи­во­с­ти бор­тов раз­ре­за «Не­рюн­г­рин­ский» тре­щи­но­ва­тость мас­си­ва в яв­ном ви­де не учи­ты­ва­ет­ся, а рас­чет ве­дет­ся по сла­бей­шим проч­но­ст­ным ха­рак­те­ри­с­ти­кам вме­ща­ю­щих по­род. Ус­ред­нен­ные фи­зи­ко-ме­ха­ни­че­с­кие свой­ст­ва вскрыш­ных по­род и по­лез­но­го ис­ко­па­е­мо­го раз­ре­за «Не­рюн­г­рин­ский» пред­став­ле­ны в таб­ли­це 1.

Из таб­ли­цы 1 вид­но, что вскрыш­ные по­ро­ды об­ла­да­ют близ­ки­ми проч­но­ст­ны­ми свой­ст­ва­ми, что поз­во­ля­ет при оцен­ке ус­той­чи­во­с­ти при­ни­мать ус­ред­нен­ные ха­рак­те­ри­с­ти­ки по все­му ком­плек­су вме­ща­ю­щих по­род, то есть: g=2,5 т/м3; j=30°, С=62 т/м2. Рез­кое сни­же­ние проч­но­ст­ных свойств по кон­так­ту поч­вы пла­с­та с ни­же­ле­жа­щи­ми вме­ща­ю­щи­ми по­ро­да­ми поз­во­ля­ет с вы­со­кой сте­пе­нью ве­ро­ят­но­с­ти счи­тать кров­лю ниж­ней пач­ки вме­ща­ю­щих по­род ли­ни­ей ог­ра­ни­че­ния ополз­не­вой приз­мы [2, 3, 4].

Рас­чет ус­той­чи­во­с­ти про­из­во­дил­ся по про­грам­ме, раз­ра­бо­тан­ной на ка­фе­д­ре ге­о­ло­гии МГГУ, дву­мя ме­то­да­ми: ал­ге­б­ра­и­че­с­ко­го сум­ми­ро­ва­ния сил и мно­го­уголь­ни­ка сил. Шаг пе­ре­бо­ра ве­ро­ят­ных кри­вых сколь­же­ния при оп­ре­де­ле­нии раз­лич­ных по­ло­же­ний фрон­та гор­ных ра­бот со­став­лял 1.0 м. Оп­ре­де­ле­ние гра­нич­но­го по­ло­же­ния бор­та, при ко­то­ром от­кос ста­но­вит­ся не­ус­той­чи­вым (h@1,0), про­из­во­ди­лось спо­со­бом по­сле­до­ва­тель­но­го из­ме­не­ния ге­не­раль­но­го уг­ла на­кло­на (b) ра­бо­че­го бор­та раз­ре­за.

Вскрыш­ные по­ро­ды в пре­де­лах за­ле­жи на­хо­дят­ся в на­пря­жен­но-де­фор­ми­ро­ван­ном со­сто­я­нии, и при раз­ви­тии фрон­та гор­ных ра­бот в на­прав­ле­нии па­де­ния уголь­но­го пла­с­та ус­той­чи­вость бор­та раз­ре­за оп­ре­де­ля­ет­ся толь­ко проч­но­ст­ны­ми свой­ст­ва­ми вскрыш­ных по­род без уче­та сла­бо­го кон­так­та. Ли­ния сколь­же­ния про­хо­дит по мас­си­ву, то есть при на­ру­ше­нии ус­той­чи­во­с­ти про­ис­хо­дит скол по­лу­скаль­но­го мас­си­ва и его об­ру­ше­ние с оп­ро­ки­ды­ва­ни­ем. По­это­му угол на­кло­на бор­та раз­ре­за при пе­ре­ме­ще­нии фрон­та гор­ных ра­бот от про­фи­ля I к про­фи­лю VI или от про­фи­ля XIV к про­фи­лю VIII бли­зок к ус­той­чи­во­му уг­лу от­ко­са ус­ту­па и со­став­ля­ет по­ряд­ка 55-65° (рис. 1).

На­и­боль­ший ин­те­рес с точ­ки зре­ния ус­той­чи­во­с­ти бор­та раз­ре­за пред­став­ля­ет раз­ви­тие фрон­та гор­ных ра­бот по вос­ста­нию, то есть от цен­т­ра за­ле­жи к ее кры­ль­ям. В этом слу­чае кри­вая сколь­же­ния про­хо­дит по поч­ве пла­с­та по кон­так­ту, име­ю­ще­му низ­кие проч­но­ст­ные свой­ст­ва, с опол­за­ни­ем мас­си­ва в центр за­ле­жи.

При рас­че­тах ус­той­чи­во­с­ти ре­ша­лись сле­ду­ю­щие за­да­чи:

• ус­та­нов­ле­ние мак­си­маль­но воз­мож­но­го ге­не­раль­но­го уг­ла на­кло­на бор­та раз­ре­за при раз­лич­ных по­ло­же­ни­ях фрон­та гор­ных ра­бот;
• ус­та­нов­ле­ние ко­эф­фи­ци­ен­та за­па­са ус­той­чи­во­с­ти при за­дан­ных па­ра­ме­т­рах бор­та ка­рь­е­ра при на­хож­де­нии фрон­та ра­бот в на­и­бо­лее опас­ной, с точ­ки зре­ния ус­той­чи­во­с­ти, зо­не;
• ус­та­нов­ле­ние за­ви­си­мо­с­ти ко­эф­фи­ци­ен­та за­па­са ус­той­чи­во­с­ти от по­ло­же­ния фрон­та гор­ных ра­бот при за­дан­ных па­ра­ме­т­рах бор­та раз­ре­за;
• ус­та­нов­ле­ние па­ра­ме­т­ров бор­та раз­ре­за при ус­ло­вии обес­пе­че­ния нор­ма­тив­но­го ко­эф­фи­ци­ен­та за­па­са ус­той­чи­во­с­ти (h=1,1) [4].

Рас­сма­т­ри­ва­лось не­сколь­ко ва­ри­ан­тов раз­ви­тия фрон­та гор­ных ра­бот при ус­ло­вии со­блю­де­ния по­сто­ян­ной вы­со­ты ус­ту­па hy=15 м и ра­бо­чем уг­ле его от­ко­са a=75°. На рис. 2 пред­став­лен ре­зуль­тат рас­че­та ус­той­чи­во­с­ти на­и­бо­лее сла­бо­го в ге­о­ме­ха­ни­че­с­ком от­но­ше­нии бор­та. Из рас­че­тов вид­но, что при b@20° ко­эф­фи­ци­ент за­па­са ус­той­чи­во­с­ти ста­но­вит­ся рав­ным нор­ма­тив­но­му, и даль­ней­шее уве­ли­че­ние уг­ла при­ве­дет к опол­за­нию бор­та раз­ре­за. Ши­ри­на ра­бо­чих пло­ща­док при этом со­ста­вит 38 м.

С уче­том не­по­движ­но­с­ти ниж­ней бров­ки бор­та бы­ли про­из­ве­де­ны рас­че­ты ус­той­чи­во­с­ти при раз­лич­ных ге­не­раль­ных уг­лах на­кло­на, по ре­зуль­та­там ко­то­рых был по­ст­ро­ен гра­фик (рис. 3, про­филь V). Гра­фик h=f(b) ото­б­ра­жа­ет за­ви­си­мость ко­эф­фи­ци­ен­та за­па­са ус­той­чи­во­с­ти от ге­не­раль­но­го уг­ла на­кло­на бор­та по­сред­ст­вом из­ме­не­ния ши­ри­ны ра­бо­чих пло­ща­док при по­сто­ян­ной вы­со­те ус­ту­па hy=15 м.

Из гра­фи­ка вид­но, что ко­эф­фи­ци­ент за­па­са ус­той­чи­во­с­ти h=1.24 обес­пе­чи­ва­ет ус­той­чи­вость ра­бо­че­го бор­та при за­дан­ных ши­ри­не пло­щад­ки ус­ту­пов 62 м, вы­со­те 15 м и уг­ле их от­ко­са 75°. Ге­не­раль­ный угол от­ко­са при этом со­став­ля­ет по­ряд­ка 13.5°.

На рис. 3 (про­филь VI) изо­б­ра­жен гра­фик за­ви­си­мо­с­ти h=f(b) при та­ком по­ло­же­нии фрон­та гор­ных ра­бот, ког­да око­ло 70% бор­та на­хо­дит­ся прак­ти­че­с­ки на го­ри­зон­таль­ном ос­но­ва­нии, а лишь его верх­няя часть — на кры­ле за­ле­жи. Ми­ни­маль­ный ко­эф­фи­ци­ент за­па­са ус­той­чи­во­с­ти h@1,12 со­от­вет­ст­ву­ет кон­фи­гу­ра­ции бор­та с ге­не­раль­ным уг­лом от­ко­са 27,68°. Рост ко­эф­фи­ци­ен­та за­па­са ус­той­чи­во­с­ти с уве­ли­че­ни­ем уг­ла от­ко­са с 27° до кри­ти­че­с­ко­го (bкр»55°–60°) вы­зван уве­ли­че­ни­ем объ­е­ма приз­мы об­ру­ше­ния, на­хо­дя­щей­ся на го­ри­зон­таль­ном ос­но­ва­нии.

При на­хож­де­нии фрон­та гор­ных ра­бот в цен­т­ре за­ле­жи (при уг­ле на­кло­на бор­та b»13°) ко­эф­фи­ци­ент h со­став­ля­ет по­ряд­ка 1.9–1.95. По ре­зуль­та­там рас­че­тов по­ст­ро­ен гра­фик опе­ра­тив­но­го оп­ре­де­ле­ния ко­эф­фи­ци­ен­та за­па­са ус­той­чи­во­с­ти при уг­ле на­кло­на бор­та b=13° в за­ви­си­мо­с­ти от по­ло­же­ния ниж­ней бров­ки (рис. 4).

Оце­ни­ва­лась так­же ус­той­чи­вость ра­бо­че­го бор­та в слу­чае раз­ви­тия фрон­та гор­ных ра­бот в на­прав­ле­нии от про­фи­ля VII к про­фи­лю XIII. Рас­че­ты по­ка­за­ли, что ко­эф­фи­ци­ент за­па­са ус­той­чи­во­с­ти при та­ком на­прав­ле­нии раз­ви­тия фрон­та гор­ных ра­бот вы­ше на 20–80%, что свя­за­но с бо­лее по­ло­гим за­ле­га­ни­ем пра­во­го кры­ла за­ле­жи.

На ос­но­ва­нии вы­ше­из­ло­жен­но­го мож­но сде­лать вы­вод, что при при­ня­тых па­ра­ме­т­рах си­с­те­мы раз­ра­бот­ки (вы­со­та ус­ту­па 15 м, угол ра­бо­че­го от­ко­са 75°, ши­ри­на пло­щад­ки 62 м при ге­не­раль­ном уг­ле бор­та 13°) ра­бо­чий борт раз­ре­за на всех эта­пах экс­плу­а­та­ции ме­с­то­рож­де­ния до кон­ца его от­ра­бот­ки бу­дет ус­той­чи­вым.

Под­ра­бот­ка бор­та с бо­ко­вых сто­рон до­пу­с­ти­ма на вы­со­ту не бо­лее двух ус­ту­пов и оп­ре­де­ля­ет­ся ве­ли­чи­ной Н90, то есть глу­би­ной тре­щи­ны от­ры­ва. Бо­лее точ­ные ре­ко­мен­да­ции по воз­мож­но­с­ти бо­ко­вой под­ра­бот­ки бор­тов мо­гут быть вы­да­ны по­сле по­лу­че­ния ин­фор­ма­ции о ха­рак­те­ре и раз­ви­тии на­пря­же­ний в мас­си­ве по ре­зуль­та­там на­тур­ных ис­сле­до­ва­ний. n

1. Цы­то­вич Н.А. Ме­ха­ни­ка грун­тов. М.: Выс­шая шко­ла, 1983.

2. Галь­пе­рин А.М., Ша­фа­рен­ко Е.М. Ре­о­ло­ги­че­с­кие рас­че­ты гор­но­тех­ни­че­с­ких со­ору­же­ний. М.: Не­дра, 1977.

3. Фи­сен­ко Г.Л. Ус­той­чи­вость бор­тов ка­рь­е­ров и от­ва­лов. М.: Не­дра, 1965.

4. Ме­то­ди­че­с­кие ука­за­ния по оп­ре­де­ле­нию уг­лов на­кло­на бор­тов, от­ко­сов ус­ту­пов и от­ва­лов стро­я­щих­ся и экс­плу­а­ти­ру­е­мых ка­рь­е­ров. Л.: ВНИ­МИ, 1972.

Устойчивый углы откоса уступа

• Новости
• Каталог
  • Журналы
  • Горный журнал
  • Обогащение руд
  • Цветные металлы
  • Черные металлы
  • Eurasian mining
  • Non-ferrous Мetals
  • CIS Iron and Steel Review
  • MPT
  • Музеи
  • Ore & Metals Weekly
  • Архив журналов
  • Книги
• Реклама
• Подписки

Э. П. Артемьев, старший научный сотрудник, канд. техн. наук, e-mail: lubk-igd@mail.ru

А. В. Яковлев, зав. лабораторией открытой геотехнологии, канд. техн. наук, e-mail: yakowlev.igd@mail.ru

Е. С. Бусаргина, инженер, тел.: +7 (343) 350-54-11

В. Г. Бушель, главный инженер рудоуправления, тел.: +7 (343) 414-76-02

А. В. Дубских, главный специалист по буровзрывным работам, тел.: +7 (343) 414-73-26

На основе районирования прибортовых массивов в глубинной зоне карьера по геомеханическим условиям формирования устойчивых уступов и бортов в их конечном положении разработана специальная технология производства буровзрывных работ, минимизирующая сейсмическое воздействие массовых взрывов на законтурный массив горных пород. Обоснована возможность увеличения углов погашения высоких уступов и бортов карьера.

1. Малютин В. Н., Отдельнов А. В. Оценка эффективности технологии постановки уступов, сложенных трещиноватыми породами, в предельное положение : сб. науч. тр. / «Унипромедь». — Свердловск, 1988.

2. Артемьев Э. П. Деформационные процессы в ближней зоне законтурного массива при массовых взрывах на карьерах. // Геомеханика в горном деле : доклады Всероссийской конф., 10–11 октября 2007 г., г. Екатеринбург / ИГД УрО РАН. — Екатеринбург, 2008.

3. Зотеев О. В. и др. Учет геомеханических процессов при обосновании параметров геотехнологии при разработке рудных месторождений // Неклассические задачи геомеханики : тр. Всероссийской объединенной научной сессии Научных советов РАН по механике деформируемого твердого тела и проблемам горных наук, г. Якутск, 16–20 июня 2008 г. / УРАН ИГДС СО РАН ; отв. ред. С. М. Ткач. — Якутск : Изд-во ЯНЦ СО РАН.

4. Маляров И. П., Паршаков Ю. П. Обоснование ведения буровзрывных работ при постановке уступов карьеров в предельное положение. — Свердловск : УПИ им. Кирова, 1983.

5. Падуков В. А. Деформационно-энтропийный критерий прочности горных пород // Взрывное дело. — 2008. — Вып. № 99/56.

Устойчивость подработанных бортов и уступов карьеров

В настоящее время для оценки устойчивости откосов бортов (или уступов) карьеров наибольшее применение находит подход, в соответствии с которым предполагается, что в массивах пород уступов и бортов образуется так называемая призма обрушения (призма сползания). Со стороны массива призма обрушения ограничена потенциальной поверхностью разрушения (скольжения), т.е. поверхностью, вдоль которой напряжения, достигнув предельной величины, приведут к разрушению.

Существуют строгие методы решения задачи устойчивости откосов, но они связаны с довольно значительными техническими трудностями и не являются универсальными для инженерных расчетов. Поэтому в практике горного дела получили распространение приближенные методы, в которых форма поверхности скольжения принимается априорно и вдоль нее рассчитывают соотношение сдвигающих и удерживающих сил.

В этом случае условие устойчивости откоса записывается в виде:

где ΣS_i — сумма удерживающих сил по наиболее слабой поверхности; ΣT_i — сумма сдвигающих сил по той же поверхности.

Их отношение n = ΣS_i / ΣT_i носит название коэффициента запаса устойчивости. Соответственно, поверхность, по которой n = 1, называют предельной, или поверхностью скольжения.

Cопротивление сдвигу горных пород в общем случае зависит от нормальных напряжений, действующих на площадке сдвига, и прочностных свойств пород:

где τ — сцепление горных пород; σ_n — нормальное напряжение к площадке сдвига; τ — касательное напряжение, действующее вдоль площадки сдвига; φ — угол внутреннего трения.

Тогда, в условиях плоской задачи, с учетом зависимости (10.1) получим:

где ΣT_i и ΣN_i — суммы сдвигающих и нормальных (удерживающих) сил по поверхности скольжения; f_ср = tgφ_ср и τ_ср — средние значения коэффициента трения и сцепления по всей поверхности скольжения; L— длина поверхности (линии в плоской задаче) скольжения.

С использованием изложенных принципов расчет устойчивости откоса производят следующим образом:

Участок массива пород, ограниченный откосом АВС и круглоцилиндрической поверхностью скольжения АС₁ и высотой СС₁ предельно устойчивого вертикального обнажения пород, делят на ряд одинаковых по ширине а вертикальных полос (рис. 10.2). В качестве точек приложения массы полос Q условно выбирают точку средней их высоты. Разлагая массу полос Q на касательные и нормальные составляющие к поверхностям скольжения, получают Т_i и N_i.

Просуммировав раздельно вектора касательных и нормальных компонент (с учетом масштаба) и определив длину линии скольжения L, получают отмеченное выше соотношение запаса устойчивости откоса:

Рис. 10.2. Схема к расчету устойчивости откоса при кругло-цилиндрической поверхности скольжения

В верхней части откоса выделяется вертикальный отрезок СС₁ линии скольжения. Эта поверхность (линия) отрыва при поверхностной части откоса формируется в результате воздействия напряжений растяжения (разрыва). Величину ее, обозначенную h_π/2, Г.Л. Фисенко рекомендует определять по зависимости:

Однако, при расчетах устойчивости откосов по изложенной методике сложности возникают при определении местоположения круглоцилиндрической поверхности скольжения. Делают это методом последовательных приближений или с помощью соответствующих графиков и таблиц.

Проведение подземных горных работ в зоне влияния карьера (под дном и в бортах) вызывает перераспределение напряжений в подработанном массиве и существенно изменяет условия устойчивости откосов.

Изменение напряженного состояния массива горных пород вызывает, в свою очередь, перераспределение величин и направлений действия (и соотношения) сдвигающих и удерживающих сил. Уменьшение устойчивости подработанных откосов происходит в большинстве случаев за счет снижения удерживающих сил, которые могут уменьшаться врезультате:

♦ снижения прочностных характеристик массива пород в борту;

♦ изменения геометрических параметров откоса борта (увеличение высоты, изменение формы массива борта, увеличение угла наклона откоса и т.д.);

♦ изменения направления действия удерживающих (часто и сдвигающих) усилий.

Степень снижения прочностных характеристик (разупрочнения пород) в результате подработки может быть различной и зависит от конкретных условий месторождения:

интенсивности структурной раздробленности массива;

ориентировки плоскостей ослабления относительно подземных очистных выработок и элементов карьера;

начальной прочности массива;

стадии развития зоны сдвижения;

степени подработки массива;

скорости подработки и др.

Массивы скальных, достаточно упругих, средней трещиноватости пород могут снижать прочность при подработке (в зоне сдвижения) в 1,5—2 раза.

С.Т. Колбенков и Н.И. Митичкина отмечают, что на Ткварчельском угольном месторождении наблюдалось несколько случаев оползней склонов гор, подработанных очистными выработками. Установлено, что оползню предшествует значительное снижение прочностных свойств пород. Нарушение структуры массива в этом случае привело к уменьшению углов внутреннего трения в среднем на 18—20%, а величины сцепления — на 45%.

Можно предположить, что в пластичных, хорошо деформирующихся породах степень разупрочнения массива при подработке несколько ниже. Однако, несомненно, что во всех случаях подработка существенно снижает прочность массива, приводит к его разуплотнению. Учет ослабляющего действия на устойчивость откосов бортов и уступов в результате изменения структуры и прочности массива не вызывает особых трудностей и заключается в определении структурных, прочностных и других характеристик массива общеизвестными полевыми и лабораторными методами.

Более опасны и сложны для учета и прогнозирования два других фактора, определяющих ослабление откосов карьера. Эти факторы проявляются совместно, так как изменение геометрии борта карьера неизбежно вызывает перераспределение действующих в нем напряжений, в частности, изменение величин, направлений действующих напряжений и в соответствии с этим деформаций массива пород борта. Нагляден в этом отношении механизм деформирования откосов и массивов борта, представленный С.Г. Авершиным. Он указывает, что здесь, при прочих равных условиях, решающее значение имеют соотношения горизонтальных составляющих векторов деформации (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Сдвижение пород при подработке откосов (по С.Г. Авершину).

Штриховой линией показано положение, к которому будет стремиться подрабатываемый откос. МОН – эпюра напряжений в откосе.

При сдвижении горных пород подработанный откос будет стремиться к положению, показанному штриховой линией, вызывая растягивающие напряжения на участке АО и сжимающие — на участке ВО. И то, и другое в общем случае приводит к снижению устойчивости откоса в целом. Возможно такое взаимное положение откоса и выработки, когда последняя практически не снизит устойчивость откоса.

С.Г. Авершин рекомендует во всех случаях осуществлять подработку откосов в направлении от массива. Эта схема предпочтительна, но она не гарантирует от деформации и обрушения подрабатываемого откоса. Следовательно, во всех случаях необходимо оценивать устойчивость подработанных откосов расчетными методами. Тем не менее, в практике совместной разработки рудных месторождений имеются убедительные подтверждения справедливости приведенной рекомендации С.Г. Авершина.

Опыт совместной разработки месторождения «Норильск-1» карьером «Угольный ручей» и подземным рудником «Заполярный» детально рассмотрен Б.П. Юматовым. Горные работы карьера и рудника движутся навстречу друг другу. Наблюдения за сдвижением массива горных пород и уступов карьера показали, что как в процессе развития зоны обрушения в массиве, так и после выхода ее на поверхность существенных деформаций откосов борта и уступов карьера не отмечалось. Результирующий угол наклона откоса борта составлял 20 — 22° при 35 — 40° по предельному контуру.

При расчетах устойчивости подработанных откосов используются те же методы, что и для оценки неподработанных откосов. Однако при этом следует учитывать указанные ранее факторы, ухудшающие устойчивость откоса.

При определении потенциальной поверхности скольжения откоса в условиях подработки прежде всего необходимо рассмотреть поверхности, проходящие через характерные зоны и точки мульды сдвижения пород, образуемые на поверхности от проведения подземных очистных работ (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Формы сдвижения горных пород при подработке склонов (по Г.Л. Фисенко):

а — при выемке пологих пластов, залегающих в прочных породах; б — то же, в слабых и средней прочности породах; в — то же, под склонами, покрытыми мощным чехлом слабых (или рыхлых глинистых) пород

Г.Л. Фисенко считает, что характер деформирования подрабатываемых откосов зависит также от соотношения геометрических и прочностных параметров участвующих в сдвижении массивов пород. Если массив борта сложен прочными породами, то это соответствует условию

наблюдается другая схема сдвижения (см. рис. 10.4 б), обусловленная возникновением площадок скольжения в зонах опорного давления очистной выработки и недостаточным сопротивлением сдвигу по подошве призмы в нижней части откоса. Характерно, что целики, оставленные в выработанном пространстве, в этом случае будут разрушаться от сжатия со сдвигом. Несущая способность целиков в данном случае предполагается значительно ниже, чем при одной вертикальной нагрузке сжатия.

Возможна и третья схема, отмечает Г.Л. Фисенко, которая характеризуется наличием мощной толщи рыхлых пород (наносов) на откосе (склоне). В этом случае подработанная толща пород с наносами прогибается, вследствие чего уменьшается боковой распор в рыхлых породах и нарушается их равновесие.