Рациональный профиль борта карьера

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

© A.M. Демин, А. М. Иоффе, В. Л. Зенкин, 2002
УДК 622. 271
A.M. Демин, А. М. Иоффе, В. Л. Зенкин РАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОФИЛЬ БОРТА КАРЬЕРА
В
се существующие способы формирования устойчивых бортов карьеров можно разделить на две основные группы (рис. 1). В первую группу входят способы, использование которых позволяет создать дополнительное удерживающее усилие на поверхности обрушения или снизить сдвигающее усилие, действующее по этой поверхности, и тем самым повысить устойчивость откосов уступов и бортов (увеличить коэффициент запаса устойчивости ослабленных откосов). Ко второй группе относятся способы, предотвращающие частично или полностью ухудшение прочностных характеристик массива горных пород в приконтурной зоне, что позволяет не допустить снижения устойчивости уступов со временем (сохранить их фактический коэффициент запаса устойчивости).
Следует отметить, что наряду с использованием щелевого экранирования для формирования устойчивых карьерных откосов достаточно широкое применение находят способы укрепления пород уступов и бортов.
Опыт применения обоих способов на ряде карьеров позволяет сделать вывод о том, что использование технологии «предварительного щелеобразования» и укрепления дает возможность отстраивать откосы уступов и бортов более крутыми, не снижая их устойчивости, при этом достигается значительный экономический эффект.
Таким образом, предложенная схема формирования устойчивых уступов и бортов карьеров указывает на возможность сохранения устойчивости откосов с увеличением или сохранением коэффициента запаса.
Разнообразные природные условия развития деформаций, локальные и региональные особенности массивов горных пород привели к разработке большого числа расчетных методов (методик), которые отличаются способами и точностью решения, условиями применения, учетом разного количества факторов, неодинаковыми техническими предпосылками.
Следует отметить, что методы по расчету устойчивости откосов применяются повсеместно в черной, цветной, угольной и урановой промышленностях. Наибольшее распространение получили методы ВНИМИ, по которым были выпущены методические документы, утвержденные Г осгор-технадзором в 1972 году и уточненные в последующие годы в других методических указаниях (1985−87 гг.). В черной, цветной металлургии и промышленности строительных материалов были также выпущены отраслевые нормативные документы по расчету устойчивости откосов.
В настоящее время методы расчета устойчивости бортов развиваются и совершенствуются.
Следует отметить разработку нового расчетного метода В. К. Цветковым, учитывающего все основные факторы, влияющие на устойчивость откосов бортов и отвалов и позволяющие определять их оптимальные параметры в соответствии с требованиями безопасности и экономичности ведения горных работ.
А. М. Деминым совместно с В. К. Цветковым разработана методика, определяющая влияние вогнутой, плоской и выпуклой форм контуров откосов на устойчивость бортов глубоких карьеров. Установлено, что в крепких породах и при глубинах разработки более 400 м целесообразно применение выпуклого контура. Дальнейшее развитие этих исследований привели к наиболее выгодной циссоидной форме выпуклого контура откоса карьера.
В практике Минатома Р Ф при добыче высокоценного сырья: урановых, золотосодержащих и редкоземельных руд открытым способом для определения устойчивости откосов бортов и отвалов широко использовались расчетные схемы, разработанные ВНИМИ и усовершенствованные во ВНИ-ПИпромтехнологии.
На основании проведенного анализа в черной, цветной и атомной промышленности была разработана характеристика месторождений высокоценного сырья по генетическим, инженерно-геологическим комплексам пород и методам расчета устойчивости откосов карьеров (см. табл. 1). Приведенные в этой таблице расчетные схемы устойчивости откосов охватывают все особенности геолого-структурного строения прибортового массива: квазиизотропный или слоистый с углом падения внутрь борта- слоистый, ослабленный в основании борта горизонтальным или пологозалегаюим контактом- слоистая толща с согласным и несогласным наклоном откоса борта, а также ослабленными полого- или крутозалегающими тектоническими нарушениями (трещинами, зонами дробления) (схемы ВНИМИ — ВНИПИПТ).
С помощью указанных расчетных схем были определены параметры бортов на 85 карьерах атомной отрасли, многие из которых отрабатываются и по настоящее время. Глубина карьеров колеблется от 100 м до 350−400 м и в перспективе на некоторых карьерах может увеличиться до 800−1000 м.
В связи со значительной изменчивостью инженерногеологических условий массивов горных пород уступов, бортов и отвалов для определения их устойчивости потребовались многовариантные расчеты. Известные графоаналитические и графические методы расчета устойчивости карьерных откосов, основанные на алгебраическом сложении и многоугольнике сил, требуют больших затрат времени на получение результатов и не обеспечивают необходимую точность расчетов.
Для повышения надежности выполняемых расчетов и снижения затрат рабочего времени на эти расчеты были составлены алгоритмы и программы, отличающиеся от принятых типовых схем ВНИМИ и позволяющие оценивать по фактически полученно-
Рис. 1
му коэффициенту запаса устойчивость уступов, группы уступов и бортов карьера с учетом их конструктивной конфигурации и наличия в породном массиве различных поверхностей ослабления (тектонических трещин, слоистости, слабых контактов и т. д.) (схемы ВНИМИ-ВНИПИПТ).
Расчеты устойчивости по этим программам выполняются с введением коэффициентов запаса в нормативные показатели физико-механических свойств пород, а также с учетом обводненности, влияния кривизны карьеров в плане и сейсмичности районов расположения карьеров.
С помощью указанных алгоритмов и программ были проведены расчеты устойчивости уступов и бортов на ряде карьеров Минатома Р Ф при добыче основного сырья и других полезных ископаемых.
При вовлечение в отработку запасов глубоких горизонтов карьеров резко возрастают объемы вскрыши в пределах карьерного поля. В связи с этим актуальной становится проблема обоснования и разработки рациональных конструктивных параметров уступов и бортов и методов их расчета, обеспечивающих минимизацию объемов вскрыши в карьере при сохранении максимально возможных объемов запасов, полезных ископаемых, отрабатываемых открытым способом.
Следует отметить, что к настоящему времени наработаны усовершенствованные методы, учитывающие не одну вертикальную компоненту плоского напряженного состояния, а все три. К ним в первую очередь относятся методы, разработанные в ИПКОН РАН и Волгоградской государственной архитектурно-строительной академией.
Один из таких методов предложен для однородных (ква-
зиизотропных) и слоистых откосов, когда поверхность разрушения пересекает контакты слоев. Метод учитывает начальное напряженное состояние массива горных пород при широком диапазоне применения величины коэффициента бокового распора д и разработан на основе общего решения плоской задачи расчета устойчивости откосов.
В известных в настоящее время методах не используется ни коэффициент бокового распора, ни коэффициент Пуассона, так как эти величины не входят в расчетные формулы методов. Исследования показывают, что при изменении углов откосов
от 20 до 60° фактическая величина коэффициента устойчивости К больше коэффициентов, определенных другими методами, в среднем на 10−35%. Поэтому углы наклонов однородных и слоистых откосов могут быть уточнены без изменения расчетных значений коэффициента устойчивости К.
Подробно, предложенная методика расчета устойчивости откосов карьеров, изложена в методических указаниях для однородных и слоистых откосов, которые учитывают распределение напряжений в приоткосных зонах, начальное напряженное состояние массива горных пород, учитывающего коэффициент бокового распора д, и величины модулей упругости слоев. Эти методические указания рассмотрены на специальном семинаре в АГН и рекомендованы к применению.
Формулы по данной методике реализованы в составленной нами программе «Алгоритм ст. раэ» на ІВМ -РС АТ для построения расчетной геомеханической слоистой модели карьерного откоса.
Увеличение глубины карьера делает все более актуальным вопрос о придании рациональной формы контура его бортам. Форма контура борта оказывает существенное влияние на объем вскрыши при больших глубинах открытой разработки полезного ископаемого. Из множества возможных вариантов форм контуров откосов бортов обычно сравнивают три простейших: прямолинейную, вогнутую и выпуклую.
В настоящее время для глубоких карьеров существуют рекомендации о целесообразности применения бортов выпуклого профиля, разработанные во ВНИМИ. Следует отметить, что данные рекомендации
являются некорректными, поскольку предусматривают ренос начала координат из верхней части откоса в нижнюю, перемену знаков в рекуррентных формулах, построение
ругого слоя по всему контуру откоса. Возможность придания борту выпуклого профиля обуславливается геологическим строением массива, параметрами уступов и берм всех чений, а также шириной технологических площадок для мещения различного оборудования.
Другая рациональная выпуклая форма контура борта карьера в виде циссоиды, имеющая более строгое математическое обоснование, предложена В. К. Цветковым. Циссоидная форма контура откоса получена на основе анализа напряжений и решения задачи теории упругости. При любом значении коэффициента бокового распора цис-соидная форма откоса определяется функциональной зависимостью I X
У = X -- (1)
у (а — х)
На рис. 2 дано изображение левой ветви циссоиды OFDAM (ось ОХ — ось симметрии). Использование этого решения, а также расчетного метода, базирующегося на
положениях теории упругости, пластичности, линейной теории ползучести и механики горных пород при исследовании устойчивости бортов выработок с прямолинейными и свободными от напряжений контурами показало, что при любом значении коэффициента бокового распора ненарушенного массива горных пород коэффициент устойчивости выпуклого циссоидального откоса DAM равен аналогичному коэффициенту го откоса с углом р (ВОАС). При этом каждому прямолинейному контуру соответствует криволинейный, являющийся частью циссоиды, имеющий такой же коэффициент устойчивости (на рис. 2), соответствующие прямолинейные контуры изображены пунктирными линиями. Если контуры откосов -плавные кривые, ложенные между отрезком ОА и частью циссоиды OFDA, устойчивость откосов практически одинакова. Если же контуры выпуклых откосов выходят за пределы циссоиды, их устойчивость уменьшается.
Следовательно, циссоидальный профиль борта карьера обеспечивает максимальное сокращение объема вскрыши, а также наибольшую устойчивость уступов (так как контур борта максимально разгружен от напряжений) и как следствие этого минимальные нарушения геологической среды, наибольшую безопасность работ и сохранность оборудования.
Как показали исследования В. К. Цветкова и А. М. Демина, применение выпуклых циссоидальных профилей бортов карьеров возможно как в случае однородного массива горных пород, так и неоднородного при горизонтальном залегании слоев или при их падении в сторону массива. При падении слоев в сторону массива в каждом конкретном случае необходимо проведение дополнительных исследований, подтверждающих или исключающих возможность использования такого профиля.
Рис. 3. Схема к расчету устойчивости ЮгоЗападного борта карьера Мурунтау до гор. -70 м профиль (1−1): 1 — плоский откос- 2 — циссо-идный откос
Таблица 2
«АЛГОРИТМ H21cІs. PAS» КАРЬЕР «М» ПРОФИЛЬ 1−1 КООРДИНАТЫ УСТУПОВ ЮГО-ЗАПАДНОГО БОРТА С ЦИССОИДНЫМ ОТКОСОМ
Высота борта, м — 600. 00
Угол наклона борта, град — 37,00
Разница объемов циссоидного и плоского бортов, м3 —
79 357. 46
Построение циссоидального контура борта карьера полняется следующим образом. Сначала определяется угол наклона прямолинейного борта карьера р при заданном
значении коэффициента устойчивости. Затем, используя функциональную зависимость (1), вместо прямолинейного борта отстраивается имеющий с ним одинаковую устойчивость борт циссоидального профиля. Коэффициент «а», входящий в уравнение (1), зависит от величины угла P и определяется формулами:
1. При 30° & lt- p & lt- 90°
h
a =----(2)
cos P
где h — высота и угол наклона борта карьера (рис. 2). В этом случае нижняя точка борта — О (ОВ — подошва), верхняя — D (DE — дневная поверхность).
2. При 15° & lt- p & lt- 30°
2,25 + 2,598/ - 0,25/2 + J/2(0,0625/2 — 7,876) + /(14,288 +1,299/2) — 8,438
a =-----------------------------------------------------------1
6,75 -1,299/
(3)
где /= ctq p2- h2, p2 — высота и угол наклона борта карьера. В этом случае нижняя точка борта карьера — F с координатами XF = 0,75а — h2, YF = l, 299a — h2 ctq2 (FG — подошва). Верхняя — А с координатами Ха = = 0,75a, YA = l, 299a (AC — дневная поверхность). Положение начала координат системы О при построении контура борта циссои-дального поперечного сечения по формуле (3) определяется величинами XfYf.
Для расчета циссоидного откоса нами был разработан алгоритм и программа «Алгоритм H21 cis. pas» с определением разности объема между циссоидным и плоским откосами для IBM-PC/AT. Результаты расчета циссоидного откоса с разностью объема на 1 п.г. м протяженности борта, сделанные по программе «Алгоритм H21cis. pas», приведены в табл. 2. На рис. 3 дана схема к расчету устойчивости западного борта карьера Мурунтау с циссоидным откосом глубиной 600 м и углом откоса 370. Разность объемов вскрыши составит на 1 п.г. м протяженности борта — около 80 000 м³. Расчет устойчивости плоского откоса проводился по специально разработанному алгоритму и программе на IBM — PC AT.
Данная методика и аналогичные расчеты апробированы для условий Михайловского карьера и алмазной ки «Ломоносовская». Полученные предварительные зультаты также свидетельствуют о возможности сокращения объемов вскрыши на этих карьерах.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Демин А. М. — Институт проблем комплексного освоения недр РАН. Иоффе А. М., Зенкин В. Л. — ВНИПИ ПТ.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой