Методы расчёта устойчивости откосов и уступов бортов карьера

Министерство образования и науки Российской Федерации

Технический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северо-Восточный федеральный университет имени М. К. Аммосова» в г.Нерюнгри

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

По дисциплине: « Геомеханика ».

На тему: «методы расчёта устойчивости откосов и уступов бортов карьера».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                            

 

 

 

 

                                          Выполнил студент 

                                          гр. ГД -13(6,5) з/о

                                Ефанов Р.В.               

                                      Проверил

 

 

 

 

Нерюнгри 2015 г.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение………………………………………………………………..3
2. Типовые схемы расчёта устойчивости откосов…………………….5
3. Заключение……………………………………………………………22
4. Список литературы…………………………………………………..23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Развитие горнодобывающей промышленности в СССР сопровождается ростом удельного веса открытого способа разработки полезных ископаемых, который имеет ряд преимуществ перед подземным способом, а именно: более высокая производительность труда, меньшая себестоимость и меньшие потери полезного ископаемого, лучшие и более безопасные условия работы.

Развитие горных разработок открытым способом сопровождается ростом числа карьеров, интенсивности работ на них и увеличением их предельной глубины.

Вместе с ростом глубины карьеров также увеличивается срок службы их бортов. В настоящее время средний проектный срок службы карьера уже превышает 30 лет. Характерной чертой современного этапа развития открытой добычи полезных ископаемых является вовлечение в эксплуатацию месторождений со сложными геолого-горнотехническими условиями.

Применение на карьерах мощной высокопроизводительной техники ведет к увеличению параметров элементов горных выработок и к максимальной концентрации работ. В этих условиях вопрос об определении оптимальных углов откосов и обеспечении их устойчивости на открытых разработках приобретает первостепенное значение.

Расчет ожидаемой устойчивости откосов при проектировании базируется, как правило, на весьма приближенном фактическом материале, и поэтому он нуждается в корректировке в процессе строительства и эксплуатации карьеров. Нарушения устойчивости откосов влекут за собой увеличение объемов вскрыши, непроизводительные расходы на дополнительную переэкскавацию, нарушают режим работы на карьерах, вызывают простои и аварии горнотранспортного оборудования и приносят значительный материальный ущерб.

Правильное решение вопросов обеспечения устойчивости откосов на карьерах, своевременное предупреждение возникающих деформаций откосов и корректировка углов откосов в зависимости от изменяющейся горно-геологической обстановки невозможны без постоянного контроля со стороны геолого-маркшейдерской службы горных предприятий за состоянием откосов уступов, бортов и отвалов карьеров.

Весь комплекс работ по обеспечению устойчивости откосов на карьерах состоит из наблюдений за деформациями откосов, расчетов устойчивости, на основе которых устанавливаются их оптимальные параметры, и разработки и осуществления мероприятий по предотвращению нарушений устойчивости откосов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТИПОВЫЕ СХЕМЫ РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ

Выбор схемы расчета устойчивости откосов зависит от формы поверхности скольжения, метода сложения поверхностных и объемных сил, криволинейности уступов, бортов и отвалов в разрезе и плане. Расчетная поверхность скольжения в откосе должна быть слабейшей, ее расположение в массиве и форма зависят от геологического строения и профиля откоса.

В табл. IV.I представлены схемы ВНИМИ для расчетов протяженных прямолинейных участков откосов, формируемых в различных геологических условиях.

Схема I. Предназначена для определения максимально допустимой высоты Нв вертикального откоса и ширины призмы обрушения а при благоприятном залегании поверхностей ослабления: падают в сторону массива, горизонтальны, вертикальны или падают в сторону выемки под углом, меньшим угла внутреннего трения ' по контактам слоев.

В горной практике вертикальные откосы встречаются редко, и величина предельной высоты вертикального откоса обычно служит дополнительным параметром в схемах расчета, а также используется при моделировании. Экспериментальными исследованиями установлено, что вследствие превышения силами сопротивления сдвигу сил отрыва, в верхней части вертикального обнажения возникает поверхность отрыва, глубина которой зависит от величин минимального напряжения σ0 и плотности горной породы γ, т. е.

Нотр =Н90

Рассматривая условие предельного равновесия элементарного блока АВМН (рис. I, а), выделим действующие силы: Р — сила веса блока; Е — сопротивление отрыву по линии МN; cl — сила сцепления по поверхности скольжения АN; R — реакция со стороны наклонного основания блока, равная равнодействующей силы трения и нормальной составляющей веса блока (рис. I,б)

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. I Схемы к расчету предельной высоты вертикального обнажения горных пород

  

 

где σр — расчетная величина сопротивления отрыву горных пород. На рис. I, в изображен многоугольник сил, который замыкается при выполнении условий предельного равновесия. Решение уравнений суммы вертикальных и горизонтальных проекций сил, действующих в откосе, даст формулу расчета величины предельной высоты вертикального откоса

 

В реальных условиях из-за незначительности сил отрыва ими пренебрегают и соответственно Нв =Н90.

В неоднородно-слоистом массиве высоту вертикального откоса Нв рассчитывают с учетом параметров наиболее слабого породного пласта, залегающего на этой высоте.

 

Схема II. Применяется при установлении высоты вертикального откоса с неблагоприятным залеганием поверхностей ослабления в массиве: падением в сторону выемки при β> ', сопротивление сдвигу по которым больше расчетной величины удельного сопротивления отрыву горных пород.

Па рис. II изображен массив с поверхностями ослабления по контактам слоев и системам трещин с ориентацией, близкой к вертикальной. Напряжения, возрастающие с глубиной, приводят к появлению площадок скольжения в нижней

 

Рис. II. Схема к расчету предельной высоты подрезки слоев.

 

части наиболее слабого контакта и перемещению ее относительно верхней части, в которой площадки скольжения обычно не образуются. Так как по наклонно залегающему контакту СА действуют силы трения, обрушение откоса происходит в виде вертикальных лент и обусловлено трещиноватостью массива. Следовательно, высота, при которой в основании откоса появляются площадки скольжения, соответствует предельной высоте h1 откосного сооружения, например, высоте уступа. Расчетную формулу для определения h1 получим из условия предельного равновесия по плоскости скольжения. Этому состоянию соответствует равенство действующих по этой площадке сдвигающих и удерживающих сил, т. е.

h1γ cosβ sinβ = h1γcos2 βtgφ’ + с’

где h1γ cosβ = Р—- масса столба породы, приходящаяся на единицу площади в плоскости АС,

или после преобразования

Минимальной высоте вертикального откоса отвечает угол падения слоев В случае уменьшения или увеличения этого угла величина h1 возрастает, превышая значения H90. Поэтому предельную высоту вертикального обнажения пород следует определять из соотношения Hв = Н90.

 

Схема III. Применяется для определения высоты уступов или участков бортов с падением поверхностей ослабления β в сторону выемки под углами, большими, чем угол внутреннего трения φ, и заоткоске уступов или участков бортов под углами α, большими, чем углы падения поверхностей ослабления (α > β).

При пологом залегании поверхностей ослабления, когда расчетная величина h' > H90, высота откоса определяется по схеме IX. Кроме того, вычисленное значение высоты откоса по схеме II не должно превышать установленное по схеме III.

Определим устойчивость уступа, сложенного пластами пород, падающими в сторону выемки (рис. III). Для этого случая характерно отсутствие площадок скольжения, которые возникают в основании уступа при высоте подрезки пластов h1 . Поэтому призма СОК препятствует оползанию участка ОКNМ. Предельное равновесие призмы наступает, когда площадь ее сечения равновелика площади параллелограмма СDМN, т. е. площади прямоугольников СDО и ОВМ равны. Тогда предельную высоту подрезки пластов можно увеличить на величину h1/a, где а = , и высота уступа Н составит.

 

Формулы имеют аналогичные ограничения применимости. В случае крутого падения пластов для решения целесообразно использовать график плоского откоса; при пологом залегании (т. е. h1 > H90) расчет выполняют по схеме IX.

Для определения угла откоса α при известной его высоте можно использовать выражение

 

Схема IV. Применяется для расчета высоты и угла откоса α, когда углы β падающих поверхностей ослабления и пластов превышают угол внутреннего трения по контактам φ' и не подрезаются горными работами, а откосы оформляются по этим контактам (α = β).

Предельному равновесию отвечает определенное соотношение вертикальной высоты откоса и механических характеристик пород по контактам пластов и под углом к наслоению (рис. IV). Призма АВСD находится в равновесии под действием сил трения и сцепления по поверхности АD. По направлению падения слоев призма давит на основание с силой Q, равной разности касательной составляющей и силы трения по плоскости АВ,т. с.:

Рис. III. Схема к расчету предельной высоты заоткошенного уступа, сложенного слоями пород, падающими в сторону выемки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. IV. Схема к расчету предельной высоты откоса слоистых пород, заоткошенного по наслоению

 

Где Р= aHγ —масса призмы; tgψ’ = tgφ’ + c’ / σср —-угол сдвига (σср — средняя интснсивносгь нормального напряжения по слабейшему контакту).

Условие предельного равновесия записывается в виде:

где а sinα — площадь нормального сечения призмы.

Решение относительно Н дает

Или

Если высота откоса известна и необходимо определитьугол падения слоев, при котором возможна заоткоска по наслоению, то формулу представляют в виде

 

Схема V. Применяется для определения угла откоса при известной высоте или высоты при известном угле, когда в прибортовом массиве или отвале отсутствуют поверхности ослабления, с которыми частично или полностью может совпадать поверхность скольжения в предельном напряженном состоянии борта карьера или отвала. Порядок выполнения расчета по этой схеме рассмотрен в гл. III.

Схема VI. Применяется Я'1я расчета параметров откосов выпуклого профиля при отсутствии поверхностей ослабления в прибортовом массиве горных пород и наличии прочного основания отвалов рыхлых пород. Как это было показано в гл, III, расчет можно выполнить методом предельного напряженного состояния.

При наличии слоистой среды подобный расчет либо невозможен, либо сложен. Поэтому целесообразно выполнять его следующим образом (рис. V).

Отстраивают ориентировочные криволинейные поверхности скольжения в откосе, по ним рассчитывают значения средневзвешенных характеристик сопротивления сдвигу пород с использованием следующих формул:

 

Рис. V. Схема к расчету борта выпуклого профиля:

1 —линия, характеризующая средний наклон борта выпуклого профиля; 2 — профиль борта; 3 — сглаженный (расчетный) профиль выпуклого борта; 4 — линия, характеризующая обший угол наклон;! борта; 5 — наиболее слабая расчетная поверхность; 6 — наиболее слабая расчетная поверхность нижней части борта

 

После этого по графику плоского откоса определяют общий угол наклони борта. Затем, в нижней части откоса, равной примерно 1/3 его высоты, увеличивают угол до значения, максимально допустимою для данного типа пород в откосе, и проводят плавную кривую между точками В и В'. Величину этого угла можно установить по графику плоского откоса. Поверочные расчеты устойчивости выполняют по ряду поверхностей скольжения, из них обязательными являются поверхности, контролирующие устойчивость нижней части откоса и отсутствие выпирания основания откоса при общем угле наклона откоса менее 22°+φп/2.