Разработка способа расчета устойчивости уступов и бортов карьеров с учетом их взаимного влияния тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТОРНОГО ДЕЛА.

На правах рукописи

Туманов Сергей Леонидович

УДК 624.131:622.271.33

РАЗРАБОТКА. СПОСОБА РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ УСТУПОВ И БОРТОВ КАРЬЕРОВ С УЧЕТОМ ИХ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ

01.02.07 - "Механика сыпучих тел,.грунтов и горних пород"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

п /

у :/?} Л Новосибирск 1991

Работа выполнена в Волгоградском инженерно-строительном институте. Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В.К. Цветков Официальные оппоненты: доктор технических наук

В.Е. Миренков доктор технических наук В.Я. Степанов

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский институт

горной геомеханики и маркшейдерского дела

. Защита состоится в " № " часов на заседании сподиализированного совета дпоз.17.0: при Институте горного дела СО АН СССР (630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела СО АН СССР.

Автореферат разослан

Ученый секр&тарь специализированного совета докт. техн. наук, профессор

Э.Г. Чайковский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность задачи. Современное состояние открытых горнюс работ характеризуется постоянным увеличением глубины карьеров. В настоящее время проектируются и строятся карьеры глубиной до 7СШ и более, поэтому актуальное значение приобретает проблема обеспечения устойчивости уступов и бортов карьеров, правильный выбор же рациональных параметров, удовлетворяющих требованиям безопасности и технологическим условиям. : '

Увеличение глубины разработки требует выемки большого объема горной породы, что при современной технологии предопределяет образование высоких уступов, которые необходимо выполнять либо пологими,- либо укреплять с целью уменьшения развития дет&орлгацдд и предотвращения обрушения пород. В то же время интенсивная разработка месторождении полезных ископаемых открытки способом требует применения все более мощного и производительного горнотранспортного оборудования, что неизбекно приводит к увеличена) его веса, а следовательно и нагрузки на уступ. В сачзи с этал возникает необходимость более детального изучения вопросов устойчивости нагруженных и укрепленных откосов.

Тема диссертационной работы является составной часты) госбюджетных научно-исследовательских тем, выполнявшихся в ВодгЖК: . в'-1§$1-85гг. по отраслевому плану ШТР уинцветеета СССР "Вопроса оптимальной устойчивости оснований1^ открытых горных выработок" (номер гос. регистрации 81053681); -в" 1985-ЗОгг. по координационному плану НИР Минвуза СССР "Разработка методов решения задач деформирования сред с усложненной структурой грунтов, включая заточи механики отвальных процессов" (номер гос.регистр. 01860019543).

Дель работы - решение задачи расчета устойчивости свободных от внешних нагрузок, нагруженных и укрепленных уступов, а тахзв бортов карьеров с учетом' их•взаимного влияния на основе анализа напряженно-деформированного состояния приоткосной зоны массива горных пород. .

• Основная идея исследования заключается в том, что для решения задачи используются закономерности изменения напряженно-деформированного состояния прноткосных зон: бортов карьеров при переходе от прямолинейной формы откоса к ступенчатой; уступов в зависимости» от угла наклона борта карьера и их местоположения на его откосе; нагруженных и укрепленных уступов.

Для досяжёнйя поставленной цели решались следующие задачи:

определение напряжений в приоткосных зонах бортов карьеров с учетов ступенчато,, форлы откоса;

определение напряжений в однородных и слоистых уступах з зависимости от угла наклона борта карьера и их местоположения на его относе;

определение напряжений в уступах при наличке внешней нагрузки на их верхних площадках;

исследование изменения напряженно-деформированного состояния пркоткосной зоны уступа в связи с возведением в теле откоса противооползневой удерживающей конструкции (буронабивной сееи) ;

проведение анализа влияния различных факторов на устойчивость нагруженных и укрепленных уступов;

разработка способа расчета устойчивости уступов (свободных ст внешних нагрузок, нагруженных, укрепленных) и бортов карьеров с учете:.: их взаимного влияния и построением удобных графиков и поводом простых Формул;

праверг.а полученных результатов экспериментально, сопоставление их с данными натурных наблюдений, сравнение с результатами других авторов и апробация разработанного метода при определении рациональных параметров уступов и бортов карьеров.

При решении поставленных задач использовались методы: кснечнкх элементов - при анализе напряженно-дефорыгрованко-го состояния приоткосннх зон уступов и бортов карьеров;

теории упругости (теории функций комплексного переменного) -ври расчете устойчивости нагруженных уступов и выборе граничных условий, накладываемых на конечно-элементную .схему, при пспользо-■ ьании Ъ^-^о;

грахо-акаянтический - при разработке инженерного метода расчета устойчивости уступов и бортов карьеров с учетом их взаимного влияния;

экспериментальный - моделирование на моделях из эквивалентного катьриала и натурные наблюдения - для проверки результатов тгеретических исследований.

Научная новизна работы состоит в том, что уступы рассматривается не кизолированные, а во взаимозависимости друг от друга, а такха от утла наклона борта карьера при фиксированной его висо-те. Значения коэффициентов устойчивости К уступов при переходе от верхнего к нижнему изменяются (уменьшаются) по линейному закону. Так. в величинах К между верхним и нижним уступами четырехступйнчатого борта при = 35°, сЬ = 60°( исЬ- углы

наклона борта и уступов) в среднем составляет 35$, а для десятисту-пенчатого - 65$ при фиксированной высоте борта карьера.

Установлено, что борт, имеющий два уступа, максимально устойчив. С увеличением числа уступов величина К борта уменьшается, стремясь к величине коэффициента устойчивости борта прямолинейной фор/ы при одинаковой его высоте. Наибольшая разница между коэффициентами устойчивости прямолинейного и двухступенчатого бортов имеет место при = 15°, d. = 75° и в среднем составляет около 20%.

При расчете устойчивости нагруженных уступов выявлено влияние коэффициента бокового распора на величины коэффициентов устойчивости К^. Разница в величинах Кс^ для нагруженных уступов в зависимости от {Ш ( 0,25^ ^ ^ 1,0) составляет в среднем 25$.

Установлено влияние местоположения уступа и угла наклона борта карьера на величину оползневого давления Eon. » действующего на сваю. Так, разница в величинах t^n.между верхним и нижним уступами при ft = 0,5 для ß = 25°, cL = 60° - 102, а для ß = 45°,<L=60°-35$

Личный вклад автора состоит в теоретическом обобщении и практическом решении задачи расчета устойчивости уступов и бортов карьеров с учетом пх взаимного влияния; в получении закономерностей, определяющих влияние различных факторов на устойчивость нагруженных и укрепленных уступов (обработаны и обобщены более 500 результатов расчетов на ЭВМ величин коэ#ициентов устойчивости); в разработке способа расчета устойчивости свободных от внешних нагрузок, нагруженных и укрепленных уступов с получением простых и удобных для инженерных расчетов формул и графиков; проведении экспериментальных исследований на моделях из эквивалентного материала.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций дис- ■ сертации обоснована и подтверждена:

теоретическими предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории упругости, пластичности и механики горных пород;

результатами исследований влияния размеров и числа конечных элементов на распределение напряжений и величины коэффициентов устойчивости (установлено, что увеличение числа элементов в при-откосных зонах уступов в 10 раз вызывает изменение напряжений и величин коэффициентов устойчивости в среднем всего на 552, а увеличение вдвое числа узлов и элементов, лежашкх на контакте слоев, в двухслойных уступах изменяет значения напряжений в среднем на G,7" при этом жгхсякахьное изменение величин коэффициентов устойчивости, вычисленных вдоль контакта, составляет 6i);

удоагвтвэрз-е тюк сходимостью результатов моделирования про-

цессов разрушения с теоретическими результатами исследований испытано более 100 моделей, расхождение теоретических и экспериментальных результатов составило не более 12%) ;

удовлетворительной сходимостью теоретических результатов с данными натурных наблюдений (расчетами по предлагаемому методу установлено, что нижний уступ борта карьера "Миллионный" (п/о "Каз-чермет") находился в предельном состоянии, что и явилось причиной . его разрушения, а коэффициент устойчивости разрушившегося нагруженного уступа на карьере "Ципзендорф" (ГДР) получен равным 0,96).

Практическая ценность работы заключается в возможности применения результатов исследований для:

определения рациональных параметров уступов и бортов карьеров с учетом их взаимного влияния;

определения рациональных параметров нагруженных уступов на основе анализа влиянья на кх устойчивость различных факторов (интенсивности и характера распределения поверхностной нагрузки, ее сирины, расстояния от верхней бровки уступа, физико-механических характеристик горних порода ;

определения величины оползневого давления и на его основе расчетных характеристик свайной удерживающей конструкции (положения сваи, расстояния между сваями в ряду, глубину их заделки) .

Реализация работы.' Результаты исследований позволили рекомендовать рациональные параметры отвалов карьера Себряковского цементного завода им. П.А.Юдина (г.Михайловка, Волгоградская область). Проведена опенка устойчивости уступов в результате воздействия на них горного оборудования применяемого на карьере. Среднегодовой экономический эффект, от внедрения результатов расчетов составит 40 тыс. рублей.

Данные исследований были использованы институтом "Волгоград-гражданпроекг" при разработке проекта на строительство 16-ти этажных домов 17 квартала Центрального района г.Волгограда. Результатом- выполненного расчета явилась оценка устойчивости нагруженных откосов при наличие в их теле свайных удерживающих конструкций.

Результаты диссертации внедрены при расчете устойчивости борга отработанного карьера ¡Туровского демзавода (Московская область), нагруженного весом здания детского комбината.

Ап-эоб-злия габоты. Основные разделы диссертационной работы догладывались и обсуждались: на IX Всесоюзной конференции по механике горных ппрлд (г. фрунве, 1989г.); на Межреспубликанской научно-технический конференции "Численные методы решения задач строитель-

ной механики, теории упругости и пластичности" (г. Волгоград, 1990г.)? на научном семинаре лабораторий "Теория открытой разработки месторождений полезных ископаемых при комплексном освоении недр" в ИПКОН АН СССР (г. Москва, 1990г.); на Межвузовском научно-методическом семинаре по теоретической механике (г. Волгоград, 1987г.); на научно-технических конференциях Волгоградского инженерно-строительного института (г. Волгоград, 1985-SOrr.); на областных научно-практических конференциях ."Инициатива и поиск молодых-ускорению научно-технического прогресса" (г.Волгоград, 1987-88г.).

Автор защищает:

инженерный способ расчета устойчивости свободных от внешних нагрузок, нагруженных, укрепленных уступов и бортов карьеров с учетом их взаимного влияния.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 статьях."

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 119 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка, 5 таблиц, список литературы из 146 наименований я приложения.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н., профессору В.К. Цветкову за помощь, ценные советы и указания, полученные в процессе работы над диссертацией; инженерам В.Т.' Пастухову и H.H. Потаповой за помощь в разработке программ для ЭВЬГ; коллективу кафедры "Теоретическая механика" за полезные, замечания, сделанные при обсуждении диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы задачи исследований.

В СССР в последние десятилетия достигнуты значительные успехи в исследовании устойчивости уступов, бортов карьеров и отвалов. Исследованиями'напряженно-деформированного состояния горного массива успешно занимались многие' советские и зарубежные ученые: Б.З. Амусин, Д.К. Ахпателов, С.А. Ватутин, В.А. Бабаков, Э.Л. Га-лустьян, Г.И. Грицко, A.M. Демин', И.П., Зелинский, Ю.С. Козлов, Г»!.В. Курденя, В.Е. Мирешсов, A.M. Мочаяов, Т.К. Пустовоитова, В.Н. Попов, М.А. Ревазов, A.Q. Ревркенко, Б.Я. Степанов, В.'^.Тру-кбачез» С.Б. Ухов, А.Б. Фадеев, Г.Л. Фисекко, В.К. Цветков, ЕЛ!. Шемякин и др. В решение проблемы устойчивости откосов значительный вклад внесли коллективы институтов ВШИ, 7крНИИпроек?, ВШГЕМ, Института горного дела СО АН СССР, Московского и Свердлов-

ского горных, Магнитогорского горно-металлургического институтов, КГД Министерства черной металлургии СССР, Института геотехнической механики АН УССР, ИГД им. A.A. Скочинского, Унипромедь, МГУ им. М.Б. Ломоносова, БолгИСИ, МЧСИ и др.

Однако многие вопросы еще недостаточно изучены, а в постановке и решении задач об устойчивости уступов и бортов карьеров имеется ряд недостатков. Основным недостатком существующих в настоящее время расчетных методов, является отсутствие строгого анализа напряженного состояния горного пассива.

В предлагаемой работе на основе анализа напряженно-деформированного состояния массива гсрннх пород разрабатывается инженерный метод расчета устойчивости уступов (свободных от внешних нагрузок, нагруженных, укрепленных'» и бортов карьеров с учетом их взаимного влияния.

Все расчеты по определению напряжений, удерживающих и сдвигающих сил, действующих вдоль наиболее вероятных поверхностей разрушения, а также величин коэффициентов устойчивости проводятся на ЭВМ "ЕС - 1022'' по программам, разработанным в БолгИСИ.

В первой главе проведен критический анализ существующих методов расчета устойчивости откосов. В большинстве инженерных методов, при расчетах устойчивости бортов карьеров, форма открса принимается прямолинейной, однако в реальных условиях при открытой разработке месторождений полезных ископаемых откос борта имеет ступенчатую форму. Вопрос о надежной оценке устойчивости откосов ступенчатой формы, вид которой зависит от.числа и угла наклона уступов, до настоящего времени еще не решен.

Кроме того известные аналитические решения рассматривают устойчивость изолированных уступов без учета влияния угла наклона-борта карьера и их местоположения на его откосе. Игнорирование веса вышележащих горных- пород может привести к значительным ошибкам при определении устойчивости уступов.

Требуют дальнейшего изучения и совершенствования вопросы устойчивости нагруженных и укрепленных уступов, поскольку в настоящее время отсутствуют обоснованные в теоретическом отношении методы их расчета на основе анализа напряженно-деформированного состояния пргготкосной зоны массива горных пород.

Указанные недостатки в решении задач об устойчивости уступов и боргов каоъеров не позволяот во многих случаях достаточно точно и надеыи определять рос рациональные параметры. В связи с этим возникает необходимость более детального изучения вопросов, связан-

них с выявлением взаимного влияния уступов и бортов карьеров на их устойчивость, а также определения рациональных параметров нагруженных и укрепленных уступов в зависимости от различных факторов.

В предлагаемой работе в той или иной мере устраняются указанные недостатки. Исследуется устойчивость бортов карьеров в зависимости от числа и угла наклона уступов, а также уступов в зависимости от угла наклона борта карьера и их местоположения. Проводится анализ влияния различных факторов на устойчивость нагруженных и укрепленных уступов.

" Поставлены задачи и обоснован выбор методов решения. Показано, что метод профессора В.К. Цветкова, учитывающий реальное напряженное состояние массивов горных пород, имеет ряд преимуществ по сравнению с известными инженерными решениями и в настоящее время является наиболее эффективным при решении поставленных задач. При исследовании- напряженно-деформированного состояния бортов сло-аной геометрической формы, а также слоистых и укрепленных уступов целесообразно использовать метод конечных элементов с отработкой граничных условий, накладываемых на конечно-элементную схему, на основе точного решения задач теории упругости.

Во второй главе разрабатывается способ расчета устойчивости уступов и бортов карьеров с учетом их взаимного влияния. Для этого рассматриваются различные сочетания углов наклона бортов £ и уступов 25°4ё-^75°). Каждому значению Ь соответствуют равные по величине углы наклона и высоты уступов п. = = . где Н ~ высота борта карьера, 2 - число уступов. Определяются величины коэффициентов устойчивости К бортов карьеров в зависимости от числа и угла наклона уступов, а также величины К каждого уступа в зависимости от угла наклона борта карьера и местоположения на его откосе.

На рис. 2.3 изображены прямолинейный (|5> = 35°) и двухступенчатый ' ( = 60°) борта карьера, соответствующие им наиболее вероятные поверхности разрушения при коэффициенте бокового распора |\Д, = 0,75 и параметре устойчивости Д. =0,2; эпюры удерживающих и сдвигающих сил (для прямолинейного - сплошные линии, для двухступенчатого - пунктирные). Из рисунка видно, что изменение форды борта карьера, в связи с появлением уступов,перераспределяет удерживающие и сдвигающие силы вдоль наиболее вероятной поверхности разрушения таким образом, что его величина коэффициента устойчивости возрастает на 15&.

Рис. 2.3. Схема к расчету устойчивости прямолинейного и двухступенчатого бортов при ^ = 35°, ¿> = 60°

При увеличении углов наклона уступов разница в величинах коэффициентов устойчивости при фиксированном значении утла р несколько возрастает, при уменьшении - величина К двухступенчатого борта стремится к величине коэффициенту устойчивости прямолинейного.

С увеличением числа уступов разница в значениях К прямолинейного и многоступенчатого бортов становится незначительной; Как и следовало ожидать, чем больше уступов имеет борт, тем меньше их влияние на налря>.:е;шое состояние его приоткосной зоны и величину коэффициента устойчивости.

Полученные результаты могут быть использованы на практике, ак при открытых разработках поверхностного типа карьеры имеют небольшое число уступов (например, карьеры Министерства промышленности строительных материалов СССР^ , поэтому общий угол наклона борта мо?.ет быть увеличен без изменения расчетных значений коэффициентов устойчивости, что даст существенный экономический эффект за ст- /д «ны'ения объема вскрышных пород.

При исследовании устойчивости уступов установлено, что напря-кенно-де|юрмированное состояние их приотйосннх зон в значительной

мере зависит от местоположения уступов на откосе борта карьера. На ряс. 2.12 показаны левая часть расчетной схемы для определения устойчивости уступов трехступенчатого борта при = 35°, à. = = 60°, эпетры безразмерных ( в долях $ И ) сжимающих напряжений при ^Л, = 0,75 вдоль горизонтальных уровней 1,П,Ш, проходящих через основания каждого из грех уступов. Разница в величинах вертикальных 6а. , горизонтальных Gy. и касательныхнапряжений п приот-косных зонах верхнего и нижнего уступов составляет в среднем соответственно 283, 35'*, 55^.

трехступенчатого борта при Р» - 35°, <L - 60°

Бресте с этим исследования показали, что на распределение напряжений в приоткосннх зонах уступов значительное влияние оказывает угол наклона борта карьрра. С увеличением угла £ напряжения в уступах возрастают. Так, разница в величинах напряжений между нижними уступами зля бортов с сочетаниями р = 25°, = 60° :т ^ ~ = 35^, сЬ = 03° составляет для <ГХ, Сц-, среднем - 203, 23Й,

27%, а пля сочртчний & = 25°, = СП0 и & = 45°, = 60° уже -оСЛ 39", 12". !

Тлк:п: образом, чо?>- ниже расположен уступ т чем круче угол наклона ¡"¡орта карьер?!, тем .">ольир величины ясох трех состапляюхгх ь*.:.'Рлч»ь~л*, 'ггз, естественно, сказывается на устойчивости уступов.

При этом верхний уступ можно рассматривать как изолированный, устойчивость других уступов уменьшается при переходе от верхнего к нижнему. Так разница в величинах коэффициентов устойчивости между верхним и нижним уступами для £Ь = 25°, <L = 60° составляет - 221, для р = 35°, «*. = 60° - 28$, для ^ = 45°, = 60° - 32%.

При определении величин коэффициентов устойчивости нижних уступов была: отмечена интересная особенность: увеличение числа уступов при Н = const на величину К нижних уступов практически не . влияет. Это объясняется.тем, что при фиксированной высоте борта карьера увеличение числа уступов уменьшает их высоту, что повышает устойчивость, с другой - увеличивает нагрузку на нижний уступ, что снижает его устойчивость. Влияние этих двух факторов делает устойчивость нижнего уступа практически неизменной.

Получены формулы и графики для определения величин коэффициентов устойчивости уступов и бортов'карьеров с учетом та взаимного влияния:

при j^s (2.13)

при o<jUo,i jUrn• <2Л4>

Где: Л'еС^Н'ЧЦр ; (1.3)

С , ^ , J3 - сцепление, объемный вес, угол внутреннего трения, горных пород; CL , "b , & - коэффициенты, определенные 'профессором В.К. Цветковым для прямолинейных изолированных откосов; ffW и % - коэффициенты, полученные в диссертации и учитывающие взаимное влияние уступов и бортов карьеров на их устойчивость (определяются формулами 2.6, 2.12 диссертации).

Полученные формулы позволяют определять такие сочетания углов наклона борта и уступов для заданных значений физико-механических характеристик, при которых будет обеспечена как устойчивость борта, так и всех его уступов. Эти вопросы особенно актуальны при отстройке бортов глубоких карьеров, имеющих большое число уступов.

Наряду с этим во второй главе исследуется устойчивость слоистых уступов. Выявляется влияние физико-механических характеристик, модулей упругости и расположения слоев на распределение напряжений вдоль их контакта и величины коэффициентов устойчивости верхнего v. нижнего уступов.. Для этого рассматриваются двухслойные уступы, прг надлежащие бортей карьеров при ^ = 25°, 35°, 45°, = 60°, ft =

- и -

= 2, сложенные слоями пород, падающими в сторону выемки. Принято, что наиболее вероятная поверхность разрушения полностью совпадает с контактом слоев, а угол наклона контакта в каждом рассматриваемом случае равен углу наклона борта карьера. На рис. 2.26 показана расчетная схема для исследования устойчивости двухслойных уступов при & = 35°, с)» = 60°.

Рис. 2.26. Схема к расчету устойчивости уступов двухступенчатого борта при ^ = 35°, = 60

Введены следующие обозначения: (U.^, - коэффициент бокового распора и модуль упругости верхнего слоя; ^ , С-г - нижнего слоя; р = 0,3; 0,75; 0,1 ^ Е{:

В результате проведенных исследований получены формулы, по которым легко вычислять величины К слоистых уступов (расчетные формулы приведены в таблице 2.1). Из таблицы следует, что разнпца в величинах коэффициентов устойчивости между верхним и нижним уступами при £ = 25° - 2%, при £ = 35° ~ 12* и при f> = 45° - 16' Установлено значительное влияние физико-механических характернее и расположения слоев на устойчивость уступов. Если более слабый слой находится снизу (слабое основание^ коэффициент устойчивости

^ Контакт слоев проходит через точки 90 - 111; 264 - 360, т есть поперечное сечение верхнего слоя - треугольник, нижнего - вс. остальная область.

Значения величин

Таблица 2.1

: : : % : ®2

: * ; /Ц, : Верхний уступ Нижний уступ

\ « • * • ' ¥ • 0,1 : 1,0 10 0,1 : 1,0 : 10

! 1 : 2 : 3 : 4 : 5 6 : 7 ! 8

1!.р^\=0,75 6,52,Х + 1,9

2.' (ЦЦ =0,3

3. ^Ц -0,75 6,38 X + 1,7

25°, = 60е 5,33 X + 1,45

6,36 Л + 1,

82

5,19 X + 1,41

6,21 X + 1,

64

го I

4.(^=0.75

5. =0,3 (Ц=0,75

6. (ЦЦ =0,75 6,24X + 1,5

=0.3_

6,31 Л. + 1,

44

= 35°, А. = 60° 2,61 X + 0,3

5,65 X + 1,36

2,49 Л + 0,26

5,53 X + 1,1

7.^=0,75 В» =0,3

9. ^Ц-0,75 8,5 А + 1,19

7,8 А- + 1,15

^ = 45°, = 60° 2,9Х + 0,64

6,53 X + 0,96

2,71 Я + 0,25

7,3 X + 0,98

в среднем для рассматриваемых значений ^ к оЬ вдвое меньше аналогичного коэффициента, вычисленного для схемы, в которой этот слой находится сверху (прочное основание)

Кроме того, во второй главе исследуется устойчивость однородных и слоистых уступов при наличие в их приоткосных зонах пластических областей. Применение способа решения упруто-пластических задач, разработанного профессором В.К. Цветковым для расчета устойчивости прямолинейных однородных и слоистых изолированных уступов к рассматриваемым задачам показало, что появление пластической области перераспределяет горизонтальные и касательные напряжения. Однако перераспределение происходит таким образом, что удерживающие и сдвигающие силы изменяются незначительно, поэтому величина коэффициента устойчивости, полученная при использования упруго-пластического и упругого решений практически одинакова.

В третьей главе исследуется устойчивость нагруженных уступов в зависимости от различных факторов: характера распределения и интенсивности поверхностной нагрузки С^ , ее ширины 6- , расстояния от верхней бровки уступа ^ , физико-механических характеристик горных пород, а также углов наклона бортов и уступов. Оки выбираются таким образом, что охватывают широкий дяадозоя значений встречающихся на практике: интенсивность поверхностной нагрузки, создаваемая горным оборудованием, отвалами, железнодорожным транспортом изменяется в пределах - = (0,1 - 2,5) ; ее ширина - . Ь - (0,05 - 1,0) VI ; положение нагрузки на откосе определяется расстоянием от верхней бровки уступа; для рассматриваемых физико-механических характеристик и высот уступов параметр устойчивости Хъ принимает значения 0,1 ^./Ц.^ 10, утлы наклона уступов 25°^ 75° и бортов карьеров 15° 4 ^ 4 60°. Расчетная схема представлена на рис. 3.1.

Исследовано влияние каждого из вышеперечисленных факторов на устойчивость нагруженных уступов. При этом установлено, что рассматриваемые нагрузки уменьшают величину коэффициента устойчивости в 1,3-2,4 раза; при увеличении с1 от 25° до 75°значения ^уменьшаются для«1Ц= 10 в 3,5 раза, для = ОД в 1,3 раза; при увеличения ^/'а, от 0,05 до 0,75 величины коэффициентов устойчивости (при прочих равных условиях) уменьшаются на 40%, а при дальнейшем увеличении отношения - практически не изменяются .для всех рассматриваемых в работе вариантов нагруженных уступов; наиболее неблагоприятное расположение нагрузки на верхней площадке уступа соответствует 0,13 "Ь, .

Рис. 3.1. Расчетная схема нагруженного уступа

Обработка данных расчета позволила получить простую и-удобную формулу для определения величин коэффициентов устойчивости нагруженных уступов .

при ^>0,25^1 КЯ- К - (» (3'3)

где К - коэффициент устойчивости ненагруженного уступа формулы 2.13, 2.14 ; р^ , • '¿о/^- коэффициенты, определяемые из графиков рис. 3.8-3.11 диссертации. При 0 4 $/^£0,25 в формуле (3.3) следует принять 0,25.

Полученная формула справедлива для равномерно распределенной нагрузки (статическая нагрузка от горнотранспортного оборудования). В случае динамической нагрузки, имеющей место при работе экскава- . (форма нагрузки прямоугольный треугольник), и нагрузки, создава- _ емо 1: весом отвала (равнобедренный треугольник), для определения величин коэффициентов устойчивости используется формула

. ■ . (3.1)

где у - коэффициент, учитывавший характер нагругения (для дина- • м.пческой нагрузки - £ = 0,35; для нагрузки от отвала - | =0,1).

. В четвертой главе исследуется устойчивость уступов, укрепленных вертикальным буронабивными сваям диаметром I) = (0,01 -0,1 !> Рассматриваются уступы = 60е, П = 2), принадлежащее бортам карьеров при £ -- 25°, 35°, 45°. На рис. 4.1 показана расчетная схема для = 35°, = 60° с указанием расположений сваи и поверхности разрушения ДВС при =0,5 и ^Д* = 0,75.

Рис. 4.1. Расчетная схема укрепленного уступа

Известно, что значения напряжений являются функциями модулей упругости и коэффициентов бокового распора. Если откос укреплен, то прпоткосный массив и свайная удерживающая конструкция отличаются значениями Е н . Учитывать такую неоднородность можно при помощи ГЖЭ. Расчетная конечно-элементная схема для ^ - 35°,

^ = 60° представлена на рис. 2.26. Расчеты проводятся при отношении модулей упругости бетона Е^ и горной породы Ега равном 1; 10; 100; 1000 и величинах коэффициентов бокового распора 0,2 и 0,25$1,0. При этом установлено, что влияние перераспределения напряжении в результате возведения в теле откоса сваи на величину коэффициента устойчивости укрепленного уступа Ки& незначительно. Возрастание величины Кэд происходит за счет дополнительных удерживающих сил, возникающих вдоль той части поверхности разрушения, которая проходит через тело сваи так как материал сваи обладает по сравнению с горными породами повышенными прочностными свойствами.

Формулу для определения величин коэффициентов устойчивости

укрепленных уступов можно записать в виде .

Как. = к Ч (4.4)

где К - коэффициент устойчивости неукрепленного уступа (формулы 2.13, 2.14); параметр устойчивости сваи; о^и СЦ- коэффициенты, определяемые рис. 4.8, 4.9 диссертации.

Наряду с этим в четвертой главе исследуется величина оползневого давления Coa » действующего на свайную удерживающую конструкт®- üол определяется как часть эпюры, соответствующая разности между удерживашгат и сдвигающими силами, действующими на сваю на участке, заключенном медду дневной поверхностью и наиболее вероятной поверхность!) разрушения.

Установлено, что величина Ыоп. в значительной мере зависит от угла наклона борта карьера и местоположения уступа на его откосе.

Ejo^ возрастает при переходе от верхнего уступа к нижнему и с увеличением утла наклона борта карьера. Кроме того, оползневое давление является функцией коэффициента бокового распора и параметра устойчивости уступа и с увеличением (U- и возрастает.

В пятой главе приводятся результаты экспериментальных исследований устойчивости уступов и бортов карьеров на моделях из эквивалентного материала, В качестве эквивалентного материала применялась смесь кварцевого песка (97$) и технического масла (3%). Характеристики смеси ирц уплотнении, обусловленном только действием ее веса следующие: ^ = 1,55 х ÍQ4 Н/м3, С =«4,9 х 102 Па, 0 = = 24°, (Л = ',75. . }

Суть•эксперимента заключалась в определении и сравнении вели- -чин разрушающих нагрузок на каждый уступ трехступенчатой модели борта (£ = 35°, dL = 60°),а также сопоставлении величин Q, для прямолинейной и двухступенчатой моделей бортов (^ = 60°, = 75°).

Зсего для каждой из рассматриваемых моделей проведено по Ю опытов. Средние значения разрушающих нагрузок для нижнего, среднего и верхнего уступов при этом оказались соответственно равными:

0,и = 0,38 кПа; = 0,82 кПа; СЦ = 1,49 кПа, то есть Як^ЯсЧв-Средние значения разрушающих нагрузок для прямолинейного борта -£^пр.= 0,41 кПа; для двухступенчатого - = 0,84 кПа, то есть Следовательно, величины t^ при переходе от нижнего уступа к верхнему увеличиваются, при этом величина нагрузки, требуемая для разрушения двухступенчатой модели борта на 24$ больше, чем для прямояшзййбй» Под'гверадейа правильность теоретаперш выводов с

том, что устойчивость уступов неодинакова, а зависит от их местоположения на откосе борта карьера, а борт с уступает устойчивее,

чем прямолинейный.

Кроме того, в пятой главе сравниваются даннне натурных наблюдений за реальными объекта™ с' результатами расчетов устойчивости этих яе объектов защишаемнм методом. Установлена удовлетворительная сходимость данннх натурных наблюдений и теоретических расчетов. Так, по предлагаемому методу определено, что низший уступ борта карьера "Миллионный" (п/о "Казчермет") находился з предельном состоянии, что и явилось причиной его разрушения. А коэффициент устойчивости разрушившегося нагруженного уступа на карьере "Ципзе-ндорф" (ГДР"! , определенный по предлагаемому метолу, равен 0,96.

В диссертационной работе приводятся сопоставления результатов расчетов устойчивости нагруженных уступов, полученных разработанным методом с результатам ВШИ. Рассмотрена устойчивость уступов, нагруженных весом экскаваторов ЭШ-4/40 и ЗВГ-15.

Установлено, что для рассмотренных частных случаев форма и положение поверхностей разрушения, а также величины К q, в значительной мере зависят от коэффициента бокового распора. На. рис. 1;4 приведен график зависимости коэффициентов устойчивости нагруженных уступов от (It для экскаватора ЭШ-4/40 (сплошные линии) и ЭБГ-15 (пунктирные линии). Прямые линии соответствуот величинам , полученным по методике ВНИМИ.

К

\5

/ л \ V

-4 \

т V -о Jamaj-fm, • ——- —~

/ \ •...........

О у г 1 А 5 б ? 6 9

Рпс. 1.4. График зависимости К^ от ^U»

Для экскаватора ЭШ-4/40 линия разрушения и коэффициенты устойчивости, полученные по методике ВаЖИ, соответствуют значениям ¡и. равным 0,75 и 2, а для экскаватора ЗВГ-15 соответственно - 0,3-и 5. При изменении (1Л, от 0,3 до 3 (для экскаватора ЭШ-4/40 и от П,3 до 10 (для экскаватора ЭВГ-15) наибольшее отличие коэффициентов устойчивости составляет 251!, а при 1,5 уступ максимально устойчив. При (Ы.> 3 (наличие тектонических сил-' уступ, нагруженной весом экскаватора ЭШ-4/40, теряет устойчивость.

Следовательно, величины К^ , полученные по методике ИШ7., соответствуют величина!/ коэффициентов устойчивости, получении.' для некоторых фиксированных значений (Ц» , в то время как разработанный способ позволяет определять величины Кс^ при любых значениях коэффициентов бокового распора.

1. Существующие инженерные методы рассматривают устойчивость изолированных уступов без учета влияния угла наклона борта карьера и их местоположения на его откосе. При этом, определяя устойчивость самого борта, не учитывается влияние уступов на величину его коэффициента устойчивости."Для устранения указанных недостатков применяется метод профессора В.К. Цветкова, имекыий ряд преимуществ по сравнению с известными инженерными решениями. При исследовании напряженно-деформированного состояния бортов сложной геометрической формы, а также слоистых и укрепленных уступов целесообразно использовать метод конечных элементов.

2. При исследовании влияния уступов на устойчивость бортов карьеров установлено, что наличие уступов увеличивает величину коэф-фкцг:ента устойчивости К борта, при этом наибольшее влияние оказывают два уступа. Максимальная разница между величинами К прямолинейного и двухступенчатого бортов имеет место при углах наклона борта = 15° и уступов ¿- = 75° и в среднем для рассматриваемых значений коэффициентов бокового распора |Ц> ч параметров устойчивости X составляет 20%. С увеличением числа уступов разница в величинах К прямолинейного борта и борта с уступам:-: уменьшается . стремясь к нулю.

3. При исследовании устойчивости уступов опреаелено, что на напряженно-деформированное состояние пс прзоткосных зон большое влг? яняе оказьхг.тт угол- наклона борта карьера и гестополоч^ние уступов на его откосе. Чем ниже расположен уступ к чем круче угол кантона

борта, тегл болызе вел:ткапрячеяяЛ, что уменьшает значения К уступов пря переходе от верхнего к нпжн?:*?/. Так, разнила в вел-пп-нах коэ4фтод::н103 устоЛчигсстя уежду верхним я иаянп&с уступает: четырехступенчатого борта п?х 5 = 35°, ^ - 60° з сред не?.' составляет 35"'', а для десятпступенчатого - При этом верхняЛ уступ «•очно рассматривать как '/золкроваяньЛ, а вели чина К нгхпего уступа при (фиксированной знсото борта карьера практически постоянна, то есть не зависит от числа уступов.

4. Исследование устойчивости слоистых уступов показало, что на распределение напряжений вдоль контакта слоев я вежгшнк коэффициентов устойчивости оказывают влияние угол наклона борта карьера и местоположение уступов. Б значительной мере величина коэффициента устойчивости зависит от физико-механических характеристик

7 располо-кек^я слоез. "Перестановка" слоев монет значительно изменять устойчивость откоса, что происходит за счет существенного перераспределения напряжений вдоль их контакта. Если более слабый слой находится внизу, то коэффициент устойчивости з среднем на 40'1 меньше аналогичного коэффициента вычисленного для схемы, з которой этот слой находится сверху.

5, Применение способа ранения у^фуго-пластяческих задач, разработанного профессором Б,К, Цветковым, для исследования устойчивости неизолированных однородных и слоистых уступов прч наличие в их прчоткоешх зонах упругих и пластических областей показало, что удерживающие к сдвягаетсие силы, действующие вдоль наиболее вероятных поверхностей разрушения изменяются незначительно, поэтому коэффициенты устойчивости, полученные при решении упругой и смешанной задач, практически одепшеовн (отличие не превышает 10?).

6. При определении устойчивости нагруженных уступов установлено, что величины их коэффициентов устойчивости в значительной мере зависят от формы эгооры к интенсивности поверхностной нагрузки, ее пгарянн, расположения на верхней площадке уступа, его геометрически параметров, фязтао-мэханичоскнх характеристик горных пород. Так, при измекенпп интенсивности поверхностной нагрузки от 0,1 до 2,5величина коэффициента устойчивости уменьшается в 1,3-2,1 раза. Увеличение ширины нагрузки °'05 д0 1,0 СН!-као'1' величины К^з среднем на 40«. Установлено, что наиболее неблагоприятное расположение нагрузки на верхней площадке уступа соответствует расстоянию от верхней бровки равному,13К.

7. Исследования показали, что наличие в.теле откоса свайкой удерживающей конструкции увеличивает коэффициенты устойчивости в

среднем на 30% в зависимости от величины коэффициента бокового распора, параметра устойчивости уступа и сваи, ее диаметра. Ве- ' личина оползневого давления Eon. определяется на основе анализа напряженно-деформированного состояния приоткосной зоны уступов и зависит от их местоположения на откосе борта карьера и утла наклона последнего, а также коэффициента бокового распора. Так, разница в величинах Еоп.дяя нижнего уступа ф = 45°, = 60°) при значениях ja- = 1; 0,5 составляет в среднем 32?. А разница в величинах оползневого давления между верхним и"нижним уступами при {W- = 0,5 составляет для ß =25°, cL = 60° -10%, а для £ = = 45°, cL = 60° - 355. Определив величину Eon.в рассматриваемом сечении в зависимости от указанных факторов, по.известным формулам можно определить расстояние между, сваями и глубину их задел-, ют.

8. Экспериментальными исследованиями на моделях из .эквивалентного материала установлено качественное и количественное соответствие результатов эксперимента и.теоретических исследований. Определено, что для разрушения двухступенчатой модели борта =

= 60°, = 75°)требуется разрушающая нагрузка на 24% больше, чем для соответствующего прямолинейного' откоса. А для разрушения уступов трехступенчатой модели борта (ß = 35°, cL = 60°)требуется нагрузка возрастающая при переходе от нижнего уступа к.верхнему. При этом величины К , определенные по формулам, полученным, в диссертации от действия экспериментально найденных разрушающих нагрузок, отличались от единицы не более 12%.

Получение .теоретические результаты хорошо согласуется с данными натурных наблюдений.' Так, коэффициенты устойчивости, определенные для разрушившихся уступов карьеров "Миллионный" (п/о "Каз-чермет") и "Ципзендорф" (ГДР) отличаются от единицы не более чем на 51. .

9. На основе проведенных исследований разработан инженерный способ расчета устойчивости уступов (свободных от внесших нагрузок, нагруженных, укрепленных) и бортов карьеров, включающий простые и удобные для использования формулы и графики. Применение данного способа позволило рекомендовать рациональные параметры ' отвалов карьера Себряковского цементного завода им. П.А. Юдина (г. Михайловка, Волгоградская область). Проведена оценка устойчивости уступов, в результате воздействия на них горнотракспортного оборудования, применяемого на карьере. Среднегодовой экономический эффект от внедрения результатов расчетов составит 40 тыс* руб

лей.

Результаты диссертации внедрены при расчете устойчивости борта отработанного карьера Щуровского цемзавода (Московская область), нагруженного Бесом здания детского комбината.

Результаты исследований были использованы также институтом "Волгохтадгражданпроект'' при разработке проекта на строительство 16-ти этажных жилых домов в Центральном районе г. Волгограда. Проведена оценка устойчивости нагруженных откосов при наличие в их . теле свайных удерживающих конструкций.

Содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Цветков В.К., Туманов С.Л. Влияние коэффициента бокового распора на устойчивость рабочих уступов нагруженных горным оборудованием // Изв. вузов. Горный журнал.- 1986.- В 11.- С. 27-29.

2. Цветков-В.К., Туманов С.Л. Взаимное влияние уступов и бортов карьеров на их устойчивость // ФТПРПИ.- 1988,- № 2,- С. 103108.

3. Цветков В.К., Туманов С.Л., Кривоносов С.П., Потапова Н.Н., Богомолов А.Н., Рагозин А.Ю. Влияние тектонической трещины на устойчивость откоса // Изв. вузов. Горный журнал,- № 3,- С. 43-47.

4. Туманов С.Л. Исследование влияния уступов на устойчивость бортов карьеров на моделях из эквивалентного материала. Волгоград, 1988.- 7с.- Деп. во ЕНИИИС Госстроя СССР 05.07.88, № 9240.

5. Туманов C.JÍ. Экспериментальное исследование устойчивости уступов бортов карьеров на моделях из эквивалентного материала. Волгоград, 1988,- 11с.- Деп. во ВНИШС Госстроя СССР 05.07.88,

& 9242.

6. Туманов С.Л. Исследование начального напряженного состояния массива горных пород на устойчивость нагруженных уступов // Творческий поиск молодых ученых и специалистов - ускорению научно-технического прогресса: Тез. докл. обл. науч.-практ. конф. 21-23 декабря 1987.- С. 52-53.

7. Туманов С.Л. Определение рациональных параметров бортов и уступов карьеров // Инициатива и поиск молодых - ускорению научно-технического прогресса: Тез. докл. обл. науч.-практ. конф. 20-22 декабря 1988.- С. 109-111.

M