Коэффициент запаса устойчивости откосов

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Карагандинский государственный технический университет

Кафедра разработки месторождений полезных ископаемых

Методические указания

к курсовой работе по дисциплине «Управление состоянием массива»

для студентов специальности 5В0707000 «Горное дело»

(Открытая разработка месторождений полезных ископаемых)

дневной и дистанционной (заочной) форм обучения

Караганда

Общие сведения

Курсовая работа по курсу «Управление состоянием массива» является завершающей формой отчетности по изучаемой дисциплине.

Целью курсовой работы является использование полученных знаний для решения конкретной , связанной с прогнозом , выбором и обоснованием оценки устойчивости бортов разрезов, откосов уступов и отвалов , а также способов управления состоянием массива и передового опыта.

В процессе выполнения курсовой работы должна широко использоваться учебная, научная и справочная литература.

Задания на курсовую работу выдается руководителем индивидуально для конкретных горно-геологических условий.

Курсовая работа состоит из пояснительной записки объемом 25-40 страниц. Оформление пояснительной записки курсовой работы производится с полным соблюдением требования норм стандартов.

Исходные данные

Исходные данные для проектирования формируется по отчетным данным практики студентов, литературных источников, научных результатов проектных и научно-исследовательских организаций и выдаются руководителем вместе с заданием на выполнения курсовой работы.

Раздел I. Краткие горно-геологические и горно-технические характеристики месторождения.

1.Горно-геологические особенности залегания полезных ископаемых и вмещающих пород..

1.1.Сведения о физико – технических свойствах полезного ископаемого и вмещающих их пород (в табличной форме).

1.2. Трещиноватость и и нарушенность массива горных пород.

1.3.Гидрогеологическая характеристика месторождения.

1.4. Сведения о генетических и тектонических нарушениях массива горных пород..

2. Применяемые технологические схемы вскрытия и отработки полезного ископаемого (схемы вскрытия и системы разработки, технология отработки уступа) и их параметры.

3. Механизация вскрышных и добычных работ.

4. Применяемые методы обеспечения устойчивости бортов разрезов (карьеров) и отвалов.

Раздел II. Расчет параметров карьерных откосов и оценка их устойчивости.

В практике открытых горных работ имеется целый ряд примеров разрушений больших объемов бортов разрезов (чаще всего оползни на бортах лежачего бока), карьеров и отвалов.

Кроме оползней на разрезах широко развиты и другие виды разрушений откосов – осыпи, обрушения, просадки, фильтрационные деформаций (оплывание, суффозия. выпор, выщелачивание и растворение пород). Борта разрезов и уступы карьеров, сложенные песчано-глинистыми породами, подвержены также поверхностной эрозий.

Значительно осложняют работу разрезов и карьеров оползни внешних и особенно внутренних отвалов.

Для бортов карьеров, сложенных слоистыми породами висячего бока, характерны глубинные оползни-выпирания и оползни-надвиги. Фактором, способствующим возникновению оползней надвига и выпирания, является наличие в основании борта (и не только в основании) слабых контактов между слоями или слоев пластичных глин.

Все факторы, оказывающие влияние на устойчивость откосов на разрезах и карьерах разделяются на две группы – природные и горно-технологические.

На основе исследований устойчивости бортов разрезов, проведенных на большом числе месторождений СНГ с разнообразными геологическими и гидрогеологическими условиями ВНИМИ разработана классификация горных пород и инженерно-геологических комплексов по условиям устойчивости бортов разрезов и карьеров [4].

Проведение массовых лабораторных и натурных испытаний горных пород позволило составить таблицы физико-механических свойств горных пород, значений сцепления трещиноватых глин, сцепления и углов трения по различным контактам слоев [9].

Эти данные и результаты исследований последних лет [1,2,3,4,5,6] позволяют выполнять ориентировочные расчеты устойчивости бортов, откосов уступов и отвалов.

Коэффициент запаса устойчивости откосов

При наличии достоверной информации о геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических условиях предполагаемого к открытой разработке месторождения составляются прогнозы возможных деформации откосов. На основе этих прогнозов предусматриваются мероприятия по предупреждению нарушений устойчивости уступов и бортов карьеров.

По поперечным разрезам борта карьера оценивают степень опасности возникновения деформаций откосов на различных участках, анализируя при этом геологическое строение массива, физико – механические свойства пород в целом и в ослабленных зонах, гидрогеологические условия и возможные изменения сопротивления пород сдвигу после проведения выработок. Оконтуривание участки бортов и уступов на которых возможны деформации откосов. Производят расчеты устойчивости бортов и откосов уступов и при необходимости корректируют контур карьера, места заложения въездных и выездных траншеи, параметры уступов и борта карьера в целом.

Механико- математической основой расчетов устойчивости бортов угольных разрезов и карьеров является теория предельного равновесия сыпучей среды.

В теории предельного равновесия рассматриваются две группы задач принципиально отличающихся методами их решения:

1) Задачи, в которых условия предельного равновесия удовлетворяются не в каждой точке некоторой области прибортового массива;

2) Задачи, в которых условия предельного равновесия удовлетворяются не во всех точках некоторой области массива, а лишь по ее внутренней границе.

Сыпучая среда характеризуется возможностью выражения ее свойств сцеплением «С» и углом внутреннего трения и не допускает больших растягивающих напряжений. Как частные случаи сыпучей среды могут быть выделены несвязные или идеально сыпучие породы ( с=0, ) и идеально связные породы (с )

Таким образом, при анализе сыпучей среды внутренние удерживающие силы, препятствующие разрушению массива под действием внешних сдвигающих (касательных) сил Т по некоторой выделенной в нем площадке площадью S ,будут равны:

F=fN+cS,

где F- силы, удерживающие массив в равновесии

f- коэффициент внутреннего трения породы;

N – нормативные к рассматриваемой площадке силы;

с- сцепление;

S- площадь анализируемой площадки.

Условия предельного равновесия по рассматриваемой площадке наступит в том случае, если сдвиговые силы, действующие по ней станут равны удерживающим силам, т.е ( Т=fN+cS)

Для примера рассмотрим схему действия сил в откосе высотой h с углом откоса , если породы, слагающие откос, имеют характеристики =0.

Предположим, что поверхность обрушения в откосе имеет плоскую форму (рис.1.1.1 а).

Объем породы АБВ, ограниченной поверхностью откоса, верхней площадкой уступа и поверхностью обрушения, называется призмой возможного обрушения. Площадь призмы в поперечном сечении откоса определяется из выражения:

S = 0.5h² ), (1.1.2)

Вес призмы обрушения:

P=0.5 h² ( - ), (1.1.3)

Тогда величины сдвигающих (касательных к поверхности АВ) сил Т и нормальных к этой поверхности сил N составят :

Т=0.5 h² ( - )sin ,

N=0.5 h² ( - )cos , (1.1.4)

Рисунок 2.1.1 Расчетная схема к определению устойчивости откоса: а –схема действия сил в откосе к плоской поверхности обрушения; б – график зависимости коэффициента запаса устойчивости откоса от гула наклона расчетной поверхности обрушения

По поверхности обрушения АВ будут действовать удерживающие массив равновесия силы, суммарная величина которых составит:

F=Ntg +cL, (1.1.5)

где L – длина поверхности обрушения АВ в поперечном сечении откоса.

Отношение удерживающих сил к силам, стремящихся сдвинуть призму обрушения, является мерой устойчивости откоса и называется коэффициентом запаса устойчивости

К_з = , (1.1.6)

Если К_з , то откос будет устойчив. При К_з=1 , то откос находится в состоянии предельного равновесия. При величине К_з откос существовать не может.

На рис.2.1.2,б приведен график зависимости коэффициента запаса устойчивости от величины угла наклона поверхности обрушения в откосе высотой h с углом откоса . Как видно из этого графика, при пологих расчетных поверхностях обрушения коэффициент запаса устойчивости высокий. Поверхность, для которой соотношение / минимально по сравнению с другими возможными поверхностями обрушения в данном откосе, называется наиболее слабой поверхностью в массиве.

При прогнозировании устойчивости откоса задача сводится к отысканию в массиве наиболее слабой поверхности и определению по ней коэффициента запаса (К_з) устойчивости. Полученный К_з сравнивают с нормативными его значениями, соответствующими литологическому составу пород в массиве и технологическому назначению откоса. Если рассчитанный К_з не соответствует нормативному, то производится изменение геометрических параметров откоса или предусматриваются мероприятия по управлению состоянием массива.