автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Численно-аналитический способ расчета устойчивости бортов карьеров в песчано-глинистых породах

ГБ ОД

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАРАГАНДИНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ОВДПЩ СЕРГЕЯ ГЕОРГИЕВИЧ

ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ СПОСОБ РАСЧЁТА УСТОЙЧИВОСТИ БОРГОВ КАРЬЕРОВ В ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫХ ПОРОДАХ

Спг "альность 05.15.01 - "Маркшейдерия"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Караганда-Г994

Работа выполнена в Карагандинском политехническом институте

Научны* руководитель: член-корреспондент HAH PK,

доктор технических наук, профессор ПОПОВ Иван Иннокентьевич

1

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

главный научный сотрудник КУТМАНКСИЕБ, Азимхан кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФЁДОРОВ Владимир Гаврилович

Ведущая организация: Государственный'проектный институт

"Карагандагипрошахт"

Защита диссертации состоится " /¿7 " /sojffioj?_1994 г. .

' Е часог на заседании сиециализированного совета Д I4.22.ÜI

Карагандинского политехнического института по присуждению учёно?!

: степени кандидата технических наук / 470075, г.Караганда, Бульвар Мира, 56, главный корпус, конГшренцзал /.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

I * Автореферат разослан " 3 " 1994 г.

Учёны* секретарь специализированного совета : кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Б настоящее время сЕЫше 3/4 полезных ископаемых в мире добывается открытым способом как наиболее производительным, экономичным, с лучшими и сравнительно безопасны-• ми условиями труда. Актуально* народно-хозяйственной задачей яв-.ляется определение таких параметров стационарных бортов карьеров, которые обеспечивали бы минимально необходимые объёмы вскрыши, безопасное ведение горных работ, искяючавдее оползневые явления, в карьерах и на отвалах, и полноту извлечения запасов из недр.

При освоении месторождений борта карьеров сформируются в массивах горных пород с их различными горно-геологическими условиями-, где существенно меняются физико-механические свойства пород и структурно-литолсгические особенности.горного массива, оказывайте определяющее.влияние на устойчивость карьерных относов. Несмотря на.большой объём исследований, выполненных рядом- научно-исследовательских, проектно-конструкторских и учебных институтов и отдельными исследователями, вопросы обеспечения устойчивости карьерных otkocoe е песчано-глшистых породах, особенно для сложных горно-геологических условий, решены не Еполне удовлетворительно , о чём свидетельствуют нередкие случаи оползней и обрушений на карьерах.

Для различных горно-геологических условий, рядом учёных разработаны геомеханические модели прибортовых массивов и соответствующие иы расчётные схекы, позволяющие определять параметры устойчивых карьерных откосое аналитическим, графическим либо графоаналитическим способами. Б последнее время в связи с развитием вычислительно- техники неходит применение более прогрессивны* численно-аналитический способ расчёта, которы" не получил ещё достаточно широкого распространения. Поэтому вопросы обоснования и разработки геомехакических моделей и расширения области применения

численно-аналитического способа расчёта устойчивости карьерных откосов в песчано-глинистых породах являются весыи актуальными.

Исследования проводились в соответствии с хоздоговорной тематикой научно-исследовательских работ, обусловленной координационными планами HAH PK и отраслевыми министерствами.

целью работы является повышение эффективности от-нрытого способа разработки месторождений полезных ископаемых.путём установления рациональных параметров карьерных откосое на базе усовершенствованного численно-аналитического способа расчёта.

Идея работы заключается в применении теории предельного равновесия при математическом описании геоыеханических процессов в прибортовом песчано-глинистом массиве для установления местоположения поверхности скольжения и параметров призмы возможного обрушения на основе комплексного учёта ряда природных и техногенных услов# месторождений.

Задачи исследований: разработка горно-геометрической модели прибортового песчано-глинистого массива в сложных горно-геологических условиях; разработка геомеханических (расчётных) моделей прибортоЕого массива на базе численно-аналитического способа расчёта устойчивости карьерных отшсое с учётом основных природных и техногенных факторов; совершенствование существующих методов изучения Физико-механических свойств пород прибортового массива а разработка методики установления расчётных показателей прочностных сеойств пород, соответствующих выбранной геомеханической модели.

Методы исследований включали: анализ и обобщение литературных источников; натурные марюне^дерско-геодезические наблюдения за сдвижением откосое карьерой и отвалов; теоретические исследования, выполненные с использованием математического аппарата теории предельного равновесия при разработке основ численно-аналитических способов расчёта устойчивости карьерных откосов; аналитико-математические

методы с применением вычислительной техники; технико-экономический анализ и опытно-промышленная проверка результатов исследований. ПроЕедённне исследования основаны на системном подходе и носят комплексный характер.

Научные положения, Еыностме на защиту:

1. Геомеханическне модели прибортовых массивов, адекватные: реальным горно-геологическим условиям, обладают системными свойствами. Их взаимосвязанные элементы (структурная модель, механическая модель, физико-механические свойства пород массива] изучаются с детальностью, необходимой для оцзнки рассматриваемой системы.

2. Установлено, что устойчивость реальных карьерных откосов должна оцениваться коэффициентом запаса устоГ'чивости, определяемым как отношение расчётных прочностных характеристик к предельным. Параметры устойчивых свободных и нагруженных откосов определяются на основе решения интегрального уравнения предельного равновесия, призмы возможного обрушения.

3. Использований"численно-аналитического способа обратных расчётов оползней в неоднородном массиве в комплексе с лабораторными или натурными испытаниями позволяет определить расчётные показатели прочностных свойсте пород для каждой литологической разности прибортового массива практически с той же степенью обоснованности, что и результаты обратных расчётов4

Новые научные результаты.

1. Обоснование геомеханических моделей "однородный массив", "неоднородный массив"-и "нагруженные откосы"-/'при условии выпора основания).

2. Методика расчёта параметров предельных откосов и оденки устойчивости реальных откосое, базирующаяся на основных положениях теории предельного равновесия, для геомеханических моделей однородного и неоднородного массивов и нагруженных откосов.

3. методика определения расчётных характеристик прочности пород дрибортового массива путём комплексного анализа результатов лабораторных (натурных) испытаний и обратных расчётов оползней откосов.

Обоснованность и достоверность научных долокени3. выводов и рекомендаций подтверждается системным характером исследований, маркшейдерскими наблюдениями за состоянием откосов карьеров и отвалов, теоретическими исследованиями, основанными на математическом аппарате теории предельного равновесия, технико-экономическим анализом, достаточной сходимостью теоретических исследований с практическими результатами промншденво-экспершентальной проверки на производстве, материалами внедрения результатов исследований .

Практическое значение имеют:

1. Способы расчёта устойчивости свободных и нагруженных карьерных откосов в песчано-глинистых породах.

2. Алгоритмы и пакет прикладных программ, позволяющие повысить точность и объективность расчётов параметров карьерных отко-сое и снизить их трудоёмкость.

Реализация работы. Расчётные схемы и способы расчёта параметров устойчивых карьерных откосов, реализованные в программах вРБР^/ , БРЬ&З , 5РвР51 использованы в нормативном документе "Временные методические указания по управлению устойчивостью бор-тое карьеров цветной металлургии" (и. г ЩПРОмедь, 1989).

Программы ЗРвР//, 5Р5Р5/, 5Р03С$35 , ЗРВВЗ до расчёту устойчивости карьерных откосов для различных геомеханических моделей и расчётных схерл переданы и используются научно-исследовательбкими и проектными институтами: ВИСГШ и ГШРСтает-мет. Программа использована для установления расчёт-

ных показателей прочности пород прибортового массива и отвалов по результатам съёмок оползней произошедших на карьерах и отвалах Качарского ГОКа, Тургайского бокситового рудоуправления, рудника "Алпыс".

Результаты расчётов свободных и нагруженных откосов использованы при составлении рабочего проекта реконструкции карьера "Алпыс" в связи с приростом запасов (l£8I г.), разработке паспорта отвалообразования на .карьере "Алпыс" (iSSI r.j, при разработке ТЭО кондиций и составлении рабочего проекта на.отработку Чиганакского месторождения барита (IS8I г.)' составлении проекта ■ реконструкции Акаалского карьера (1988 г.), разработке паспорта отвалообразования на Аккадском руднике (IS87 г.). Обоснование параметров Аюкалских огезлое дало реальный экономический эффект 77,8 тыс.руб.(в ценах 1988 r.j.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Карагандинского политехнического института (lg85-IS9<; г*г.), на , территориальной научно-технической конференции "Прогнозная оценка инженерно-геологических условий при открытой разработке месторождений Урала" (г.СвердооЕСк, 1282 г. ) ; У Всесоюзной конференции молодых учёных "Интенсификация горнорудного производства" (г.Екатеринбург, ISSI г.); технических совещаниях в институте "СРЕДАЗНЖРОцЕеткет'^г.Ташкент, IS87 г.); институте "КазГИНалказ-золото" (г.Алматы, I98.I г.) и ИГО "Юкказгеология" (г.Алматы, ISSIr)

Публикации. По теме диссертации опубликовано XI работ.

Объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения, изложенных на 148 страницах машинописного текста, содернит 21 рисунок, 9 таблиц, список использованных источников из 124 наименований и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Системны? подход к решению проблемы обеспечения устойчивости карьерных откосое подразумевает проведение соответствую-

• щих исследований на основе комплексного изучения геологического строения и структуры массива методами геометрии недр и корреля-

• ционного анализа, гидрогеологических.и инженерно-геологических условий месторождений, физико-механических- сеойсте пород, проведение каркшейдерско-геодезическйх -наблюдений за состоянием карьерных откосов, разработку и развитие теоретических осное решения задач обеспечения устойчивости откосое и обобщения данных практики.

- Решению данной проблемы уделялось и уделяется большое внимание. Основные разработка по обеспечению устойчивости карьерных откосое выполнены в ряде специализированных научно-исследо-! зателъоких институтов (ВНШИ и его филиалы, Л-ЖРСмедь, УкрНШ-

проект.ВИСГЕМ, ГШРОцветмет, ИГД им.Скочинского, СредазНЩРО-.. гшетмет и др.), а также кафедрами ряда ВУЗое (ДОТУ, УГА, КарИТИ и др.).

цущестЕенны-"- вклад б разработку методик по определению физико-г.еханйческих сеойсте пород, изучение структуры горного массива, разработку теоретических основ кетодов расчётов устойчивости уступов , бортов карьеров и отвалов внесли Н.В.Мельников, М.М.Протодьяконов, В.В.Соколовский, С.С.Гслушкевич, Н.Н.Маслов, Г.Л.Фисенко, М.А.Ревазов, С.И.Попов, й.И.Попов, В.Т.Сапожников, М.Ь.Певзнер, А.Ы.Демш, Э.Л.Галустьян, В.Н.Попов, Ю.К.ТуринцеЕ, А.М.Гашшзрин, Р.П.Скатов, Б.И.ДушареЕ, А.И.Ильин, БПоловое, П.С.ШпакоЕ, В.И.Зобнин, Г.Г.Поклад, А.т.Кочалов, В.и.Еудков и др. исследователи. Среди зарубежных• учёных заслуживают внимание . труды В.Феллениуса, К.Терцаги, Д.Тейлора, А.Бишопа, Н.Морген-

Штерна, Я.Хуана, Н.Янбу, Е.Спенсера, Г.Крея и др.

Анализ существующих методов расчёта показывает, что возмон-ности теории предельного равновесия как основы для создания надёжных способов решения задач устойчивости откосов далеко не исчерпаны. В развитие способа Г.Л.Фисенко с учётом применения современной вычислительной техники П.С.Шлаковым и Г.Г.Докладоы при -, при участий автора разработан численно-аналитический способ рас-' чёта, в котором в результате анализа различных вариантов, удовлетворяющих осноеным'положениям теории предельного равновесия, кокет быть однозначно установлено местоположение поверхности скольжения в приоткосном массиве. Определённая универсальность этого способа позволила создать единую.методику расчёта параметров предельного откоса или откоса с заданным коэффициентом запаса устойчивости числешю-аналитаческж способом для широкого диапазона извинения горно-геологических условий, особенно для песчано-гли-нистых пород.

Для развития этого способа расчёта возникает необходимость • уточнения к совериенстЕОЕанш некоторых расчётных схем, более полно учитывающих ряд природных а техногенных фактороЕ, таких гак литологическая неоднородность массива, гидрогеологические условия, конструкцию борта к влияние внешней нагрузки на параметры устойчивого откоса при возможном выпоре основания. При этом важное место занимают вопросы.геометрического моделирования массига горных пород, использующего различные способы математического описания поверхностей раздела диалогических разностей пород.и тектонических нарушений, а также обоснования расчётных характеристик пород прибортового массива, адекватных ЕЫбранноч геомеханической модели и расчётной схеме.

Анализ литературных источников по исследованию физико-механи-

ческих сеойств горных пород показывает, что современные методы изучения и определения прочностных характеристик пород приборто-еого массива в целом удовлетворяют решению задач устойчивости карьерных откооое для относительно простых горно-геологических условий месторождений. Слоннссть горно-геологических условий требует более обоснованного комплексного подхода к выбору расчётных прочностных характеристик для каждой литологической разности песчако-глинистых пород, заключающегося в использовании различных методов на основе рационального их сочетания. С точки зрения системного подхода к исследованиям прибортоЕого массива горных пород особое внимание следует уделять совершенствованию методики обратных расчётов оползней и обрушений, которая позволяет устанавливать наиболее обоснованные расчётные прочностные характеристики пород, удовлетворяющие требованиям соответствующей расчётной модели.

Проведённые исследования основаны на системном подходе, при котором изучение сеойсте элементов объекта-системы (прибортоЕого мгссива горных пород) выполняется на одном уровне, т.е. с детальностью, необходимой душ изучения поведения скотемы в целом.

Массив горных пород является сложной физической средой, обладающей рядом специфических особенностей, которые во многом определяют его механическое состояние. Поэтому для математического описания происходящих в массиве процессов при ..разработке методов расчёта устойчивости откосов вынужденно прибегают к схематизации рассматриваемых ЯЕлепий и сеойсте породного массива. В результате создаётся геоглеханическая модель прибортового массива, дрвблияев-но отражающая действительную природу рассматриваемого процесса.

■ По кненио Г.Л.Фисекко геомеханпческая модель строится на основе геологической модели доя.решеная определённой щюблекы определёнными штодаш. Отличив расчётной модели от геологической сос-

тоит в ток, что покпко геологических факторов сна должна учитывать механизм того процесса, для изучения которого она предназначена, а такке используемые при этом методы анализа. Одной из основных задач исследования мзханизиа деформирования массива горных пород является выявление формы и местоположения поЕерх-ности сколксения.

Для всего ■многообразия горно-геологических условий-приборто-вого массива в результате, проведенных в КарПТЙ исследований (II.С. Шпаков, Г.'Г.Поклад) .предложено семь основных моделей приоткос- . ного массива, какдая из которых представлена несколькими расчётными схемами. В разработке отдельных элементов классификации геомеханических моделей аЕтор приникал непосредственное учас- • тие (рис.1).

Математическое списание всех расчётных схем производится уравнениями теории предельного равновесия. Для большинства геомеханических моделей разработана единая методика расчёта параметров предельного откоса и откоса с заданным'коэффициентом запаса устойчивости численно-аналитическим способом с реализацией их решения на ЭВМ взамен обгцзпринятых граФо-аналитических способов, что позволяет повысить объективность, точность расчётов и снизить их трудоёмьюсть.

При разработке гео&ехакических моделей анализ составляющих их элементов выполнялся на основе системного подхода. Структурная модель отражает природные и техногенные условия горного массива: строение толщи, условия залегания- слоев,' тектонические нарушения, положения депрессионных кривых, конструктивные особенности борта, наличие внесшей нагрузки и т.п. Геометрическая' (структурная) модель песчано-глгаистсго массива горных пород образуется соЕовупностыо непрерывных шделей Есех границ (поверхностей раздела) кнгвкерко-геолсгических тел. К числу таких поверх-

а

Рис. { Обобщённые схемы расчёта устойчивости откосов для геомеханических моделей: а - однородны« массив (I] ; б - неоднородны« массив | 1У) ; в - нагруженные откосы [ ут ;

костей относятся: земная поверхность, почва к кровля каждого инпенерно-геологического элемента, уровни грунтовых вод, контуры оползня, поверхности дизъюнктивных нарушений и т.п. Описание этих поверхностей монет быть выполнено по координатам узловых точек, определяющих положение нш-енерко-геологических элементов. Тогда задача моделирования инженерно-геологических.границ сгодится к тону .„чтобы по данным о положении поверхностей раздела'в исходно?}'дискретной нерегулярной модели получить непрерывную интерполяционную (математическую) модель в виде аналитической зависимости, которая позволяет определить граничную' поверхность в любой точке, заданной координата;,гл.

Для математического описания поверхностей раздела нами разработан достаточно простой и надёжный алгоритм ШЛ, использующий принцип "скользящего оша" и основанный на интерполяционно к многочлене Лаграняа типа "

где х, У - координаты расчётной точки; XI , Ус ~ координаты узлов интерполяции; С,^ ■ - номера узлов.

Б работе предлагаются правила индексации инженерно-геологических тел и поверхностей раздела, которые позволяют существенно облегчить решение задачи моделирования прибортового массива на базе ЗБМ. Показано, что замена модели неоднородного массива моделью ювазиоднородной среды,даже при достаточно, близких прочностных характеристиках литологических разностей пород, приводит к существенным: погрешностям оценки устойчивости карьерного откоса.

Все элементы геокеханнческой модели находятся в тесной взаимосвязи друг с другом. С точки зрения системного подхода кая-дая подсистема (структурная модель, механическая модель п физа-

и

ко-кзханические свойства пород) дсшдаа быть рассмотрена с детальностью, обеспечивающей надёжную опенку поведения всей системы "геомеханическая модель массива", в которую ока входит как составной элемент. Б соответствии с этик детальное изучение одного

\

или ДЕух элементов (подсистем) при грубом рассмотрении остальных злежнтоЕ создаёт лишь видимость математической точности решения задачи, не гарантируя еысокой достоверности конечных результатов. Поэтому получение наилучших ,: " результатов возможно на основе изучения всех элементов системы на одном уровне, соответствующем стадии освоения месторождения и уровню научных достижений в исследуемой проблеме. По мере разработки месторождения увеличивается объём и качество исходной информации об объекте исследований (массиве горных пород), что способствует повышение уровня изученности как отдельных элементов (подсистем), так и системы в вдлок.

В работе рассмотрены геомеханичесгсие модели, разработанные при непосредственном участии автора: однородный массив, неоднородный массив и нагрузке нш# откос (при еозшшосты выпора основания ).

При решении задач устойчивости душ расчётных схем, отвечающих вышеназванным геомеханическим моделям, применяется единая методика .численно-аналитических способов расчёта на базе ЗВй. Она основана на использовании модели-"расчленённого'1 отсека обрушения, в которой принята силовая .-схема К.Терцаги. За поверхность разрушения принимается круглоциллшщрическая поверхность, построение её отвечает основным полокенаяк теории предельного равновесия сыпучей среды, к которой могут быть отнесены песчано-глинистые породы.. Неучёт сил взаимодействия иевду блоками, явшацайоя недостатком сааоюЗ схега К.Терцаги, устраняется интегрированием сил по наиболее напряженно?« поверхности.

Для геомеханичеокой модели однородного массива (рис.2) местс-полопенке в сткосе наиболее напряжённой поверхности находится с использованием к-зтода итераций путём последовательного ' изменения ширины призмы возможного обруаения от bmin до ôrnax с шагом лЬ и радиуса круглоцилиндрнчемзди поверхности от Я min до ¡¿тая с шагом iß. . Лдя какдой поверхности находится коэффициент устойчивости откоса п как отношение суш удерживающих и сдвигающих сил, определяемых интегрированием элементарных сил по поверхности скольжения. • Выражение для определения коэ^йдршен-та устойчивости для расчётной схемы IJ запишется в виде

п _ TßltQß(Jo/jûCOS öld9iJoHùCDS dt d9'_

-osr/lij^ klöln 2&1 ' 0.5 Гßi (Ja kiöLtl 2ßi ü9> 'X ИмcoZ&affj +K,1i(L de\f0 *d9j* 60H90 t

*f£bÜ3iJin29id8)

где - соответственно оцепление,- угол внутреннего трения,

плотность пород прибортового массива; б0 - сопротивление пород огрыЕу. Решение задачи нахождения параизтров предельного откоса

H ~f(cL,ß, , б -fioi.ß, -J(HJ, К, Л

сводится к численному решению интегрального уравнения равновесия (I ) кс-тсдом последовательных приближений при коэффициенте запаса устойчивости /г = I по программе SP SP 01 на языке ФОРТРАН-U.

При оценке степени устойчивости проектного ((Фактического) откоса, обладающего некоторым запасок устойчивости, непосредствен-нощ расчёту подвергается не проектный откос, а его предельная схема. Приведение сткоса к предельной схеме производится последовательным изменением расчётных прочностных характеристик пород массива К расч. и ß расч. до предельных их значений К пред. к ß пред., исходя из общего для всех приведённых шив схем уравнения связи /гH,Ö,K, н',р,р. ( 2 )

90 -сС)

'М

О*

Ж

Ж

В

У-

Щ

"21

ч с

£ : \

£ и

19т

Рис.2. Расчетная схема 1.1

5

Рис.З. Расчетная схема /1.1 (с выпором основания) а - общая схема; б - фрагмент

При сохранении Физического смысла коэффициента запаса устойчивости его значение определится из соотношения

п Л'роуг/ = -¿Оррасц (3)

3 Кпр&д р пред Но программе -5Р$Р0/ могут быть решены следующие задачи:

1) определить предельную высоту откоса Н и ширину призмы возможного обрушения Б по заданным углу откоса и физиков механическим характеристикам пород массива /Г , * ;

2) найти , с^ и 5 для заданных 7/ и К , О , Т ; з)

Цсгпоучувосгт/ Л

оценить степень"реального откоса, т.е. наити по известным

параметрам Н , с£ ъ К , р , ^ .

Для определения параметров предельного откоса выпуклого профиля, обеспечивающего минимальны** объём вскрыэных работ, предложен численно-аналитически" способ расчёта (схемы 1.3 и 1.4, программа $>Р&ВЪ ] , в котором при различной степени выпуклости откоса производится проверка его устойчивости по ряду поверхностей скольжения, построенных согласно основным положениям теории предельного равновесия. Предложенное решение, в отличие от существующих, свободно от трудоёмких графических построений и вычислений, имеет более широки* диапазон применения и обеспечивает минимальный объём вскрышных работ. В полученный профиль борта легко вписать технологические параметры уступов.

Для геомеханической модели неоднородного массива (схемы 1/.1 17,4) разработан способ оценки устойчивости реального (либо проектного) борта карьера ступенчатого профиля, который реализуется на ЭВМ по программе $Р0$8$35 . В отличие от известного способа ЗНШИ предлагаемы^ алгоритм позволяет более полно учесть влияние на устойчивость борта карьера совокупности горно-геологических,и технологических ¡пакторов, структура горного массива,гидро-геологических условий и конструктивных особенностей борта.

На основе анализа методов расчёта устойчивости нагруженных откосов предложена модифицированная расчётная схема и решение задачи по программе SPS'Р 51 , которая позволяет учитывать возможность заглубления поверхности скольжения ниже подош-еы откоса. При этом коэффициент устойчивости откоса определяется с использованием принципа суперпозиций, согласно которому сдеи-гающие и удеркиЕающие силы в нагруженном откосе определяются оум-' строганием соответственно сдьигащих и удераивающих сил собственного веса призмы возможного обрушения свободного.откоса и внешней нагрузки (рис.з).

-sminja - 05rzl/mßJ®Q2Gity?C0i&iltri£2(ß-&Lj]äe--a5rk(Jj£HiJin2Gd&tfo%<!in28d9-Jo%m2ffdff)+

6s fit 10

+J0H5 m'ffdQ) *кИг(б+£3} *Tftigß(J& HeCOi&d&'Jj^ fycoi&d9+ >o,srß(J*o,'Heiin zQdQ+f^fhJm ¿Qddß

* Xß(yT-ßo! * 60 И90 * igpjjt (¿COi ßüß

где Cj, - интенсивность внешней нагрузки, Па: '¿о - начальны вектор логарифмической спирали .

Идо = 9 . .

Г ■

Предлагаемая методика позволяет определить отстояние нагрузки любой протяжённости и любого закона распределения от верхней броЕки откоса как при услоЕии- предельного состояния свободного от коса, так и при условии, когда ненагрухенный откос обладает значительна: коэффициентом запаса устойчивости для любой из схем

■JI.l - У1.5.

При исследовании элементов (подсистем) геомеханических моделей прибортозого массива наибольшие затруднения вызывает установление обоснованных прочностных характеристик песчано-глинистых пород, которые из-за несовершенства методики их определения часто оказываются несогласованными ни с геометрической (структурной), ни с механической моделями прибортового массива. Поэтомупри расчётах параметров карьерных откосов существенное значение имеет обоснование- расчётных показателей сопротивления"горных пород сдвигу, которое е большей степени определяет надёжность оценки устойчивости карьерных откосов.

Наиболее надёжные результаты могут быть получены на основе обратных расчётов оползней и обрушений откосов, так как получаемые при этом обобщённые показатели сопротивления пород сдвигу в неявном гиде учитывают конкретные горко-геологические условия и особенности механизма деформирования прибортового песчано-гликис-того массива. Однако,-область надёжного их использования ограничивается условиями оползневого участка либо ему подобными, в связи с чем расширение диапозона применения этих показателе:': представляется Еесьма перспективным. Нами разработан более совершенный способ расчёта показателей сопротивления пород сдвигу на основе обратных расчётов оползней с использованием программы JPÛSS24 для ЕС ЭВМ; она применима как для однородного (кЕазиоднородного) массива, тан и для массива с неблагоприятно ориентированными поверхностями ослабления при.различных вариантах построения поверхности скольжения. Данная методика основана на интегрирований сил по поверхности скольжения с использованием численко-еналктичес-г.огс способа. В ней предлагается порядок перехода от обобщённых прочностных характеристик массива к соответствующим показателям различных типов пород слоистого массива с использованием данных

лабораторных или натурных испытаний пород,исходя из выражений

Цри^орЦ/н! ; П'вк■ Кс ,

где О; и о/ Х.-и К¿' - значение угла Енутреннего трения и

^ ^ . по

сцепления пород I -го слоя, соответственно в массиве и данным лабораторных (натурных) испытаний; <2/7, 8к - коэффициенты приведения

-¿дрМдр' V :7г : ' (6)

здесь у?и Н - значения обобщённых показателей сопротивления пород сдвигу, полученных из обратных расчётов оползня; р'и к' - средневзвешенные значения тех же показателей по данным лабораторных Iнатурных) испытаний пород.

Такой подход позволяет использовать полученные характеристики исследуемых тйпое пород для геомеханической модели неоднородного массива практически с той ке степенью.обоснованности, что и результаты обратных расчётов оползней.

В работе приведены результаты расчётов устойчивости свободных и нагруженных карьерных откосов и отвалое на некоторых месторождениях Казахстана (Чиганакском баритовом, "Алпыс", 2Ур~ гайских бокситовых, Качарском ¡железорудном и Аккальском полиметаллическом ) , выполненных с использованием разработок агтора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа является на данном этапе законченной научно-исследовательской работой, содержащей ноЕое решение актуальной задачи обоснования и разработки ге о механической модели и расширения области применения численно-аналитического способа расчёта устойчивости карьерных 'откосов с целью предупреждения и борьбы с оползням! е песчано-глинистых породах.

Наиболее существенные научные п практические результаты

ZI

исследований заключаются в следующем:

1. Прибортовые массивы, сложенные песчано-глинистыми породами, могут быть представлены различными геомеханическими моделями и соответствующими им расчётными схекаки, математическое описание которых выполняется уравнениями общего и специального предельного равновесия.

2. Адекватные реальным горно-геологическим условиям reo-- ■ механические модели обладают системными свойствами., и их элементы (структурная модель, механическая модель, физико-кеханические свойства] долены изучаться на одном уровне с детальностью, необходимой для оценки рассматриваемой системы и соответствующей стадии освоения месторождения.

3. Разработана методика формирования структурной модели при-бортового массива горных пород, отражающей комплекс природных и техногенных факторов и представляющей собой совокупность моделей горно-геологических границ (поверхностей раздела) в массиве, оказывающих влияние" на устойчивость карьерного откоса. Предложен алгоритм математического описания' горно-геологических гранда 'с помощью "скользящего" интерполяционного многочлена Лагранка, который позволяет описыгать произвольные контуры локальными полиномами малых степеней.

4. Установлено, что замена модели неоднородного массива моделью квазиодвородной среды,дше при достаточно близких прочностных характеристиках диалогических разностей горных пород,приводит к существенным 'погрешностям оценки устойчивости карьерного откоса, достигающим 20 % и более.

Б. Предложена методика комплексного обоснования расчётных показателей физико-механических свойств пород прибортового массива но основе обратных расчётов с использованием результатов лабораторных (натурных) испытаний горных пород, позволяющая полу-

чнть прочностные характеристики для различных литодогических разностей пород неоднородного массива с той же степенью обоснованности, что и обобщённые показатели прочности, полученные по - результатам обратных расчётов оползней.

g. Усовершенствована единая методика численно-аналитического способа расчёта параметров предельного откоса либо откоса с 1 заданным коэффициентом запаса устойчивости. Показано, что оценка устойчивости фактического (проектногр) откоса с заданными геометрическими параметрами и показателями физико-механических' свойеч пород должна осуществляться путём приведения расчётного откоса к его предельной схеме.

7. На основе единой методики разработаны способы расчёта параметров устойчивых откосов для геомеханических моделей:"однородный массив", "неоднородный массив" и "нагруженные откосы". Для Есех предложенных геомеханических моделей разработаны алгоритмы

: и пакет прикладных программ для решения задач устойчивости отко-" сов на ЭВМ.

8.- Расчётные схемы и способы расчёта параметров устойчивых карьерных otkocoe использованы в отраслевом нормативном документе

■ "Временные методические указания...". Пакет прикладных программ для реаения задач устойчивости отшсов передан и используется институтами ВКСГВМ и ШПРОпветмет. Основные рекомендации работы использованы при составлении рабочих проектов отработки карьероЕ и проектов отвалообразования на некоторых месторождениях Казахстана с подтверждённым годовым экономическим эффектом 77,8 тыс.руб. (е пенах 1988 г.

Результаты исследований могут быть'использованы практически на большинстве проектируемых и действующих горных предприятий ., ведущих разрабому иестороадений открытом способом.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Определение .величины отстояния отвала бестранспортной вскрыши от верхней бровки борта карьера // СДЕижение горных пород и земной поверхности при разработке месторождений полезных ископаемых / КарЦТИ. - Караганда, 1984, с. 8-17 (соавторы: ШпакоЕ II.С., Поклад Г.Г., Лягина С.И.).

2. 'Расчёт•■параметров, предельного откоса и коэффициента запаса устойчивости // Изв.вузоЕ. Горный журнал, 1886, Й 12,

с. 27-31 ■(. соавторы: Попов И.И., ШпакоЕ П.С., Поклад Г.Г.).

3. Сценка устойчивости бортов карьеров в сложных горно-гес-логических условиях // Рациональное использование и рекультивация земель на горных предприятиях / КарПТИ. - Караганда, 1588, с. 40-45 (соавтор Смаров С.Т.}.

4. Определение сопротивления горных пород сдвигу по результатам съёмок оползней с использованием ЭВМ // Там же. - с. 66-72 (соаЕтор Шпаков II.С.).

предельного

5. Расчёт параметров^ткоса выпуклого профиля численно-аналитическим способом // Изв.вузов. Горный журнал, 1989, й I, с. 37-41 ( соавторы: Шпаков ¡1.0., Поклад Г.Г., Лягина О.И.).

6. Оценка устойчивости реальных откосов // Тезисы докладов территориальной научно-технической конференции "Прогнозная оценка инженерно-геологических условий при открытой разработке месторождений. Урала" / СГИ. - Свердловск, 1989, с. 22 ( соавторы: Шпаков Ц.С., Поклад Г.Г., Омаров С.Т.].

7. Выбор расчётной.модели прибортового массива при оценке устойчивости карьерных откосов // Сдвижение горных пород и земной поверхности при разработке месторождений полезных ископаемых / КарПТИ. - Караганда, 1989, с. 14-20 ( соавторы: Шпаков II.С., Поклад Г.Г.). •

8. Расчёт устойчивости нагруженных откосов при наличии выпирания основания // Механика горного массива и свойства горных

пород /КарПТИ. - Караганда, I9SÜ, с. 57-66 (соавторы: Шпаков II.С., Доклад Г.Г. J.

9. Влияние сейсмического действия взрывов на показатели сопротивления пород сдвигу // Механика горного массива и свойства горных пород / КарПТИ, - Караганда, I8SQ, с. 12-17 (соавтор: Омаров С.Т.). : ■ .

10. Расчёт устойчивости реальных карьерных относов для геомеханической модели неоднородного массива //Изв.вузов. Горный журнал, 1291, й 9, с. 51-55 (соавторы: Шпаков Д.'С., Доклад Г.Г., Омаров С.Т.).

11. Влияние погрешности определения прочностных свойств пород на параметры предельных откосов // Совершенствование технологических процессов и методов их контроля / КарПТИ. - Караганда, 199I, с. 10-15 (соавторы: Смаров С.Т...Франк Г.Е.).

Личный вклад соискателя в опубликованных в соавторстве работах заключается: /I/ - в разработке алгоритма и анализе результатов расчёта; /2, 3, 5/ - в составлении расчётной схемы и.интегрального уравнения равновесия; /А/ - в предложении модели борта и тела оползня и разработке алгоритма СЕМЛ; /6/ - в обосновании принципа приведения реального откоса в предельное состояние; /7/ - е выборе и обосновании reo механических моделей "однородны^ массив", "неоднородный массив" и "нагруженные откосы и.анализе их элементов; /8/ - в уточнении расчётной схемы нагруженного откоса с Еыпором основания; /9/ - в создании программы и проведении сопоставительных расчётов;/Ю/ - в разработке структурной модели и расчётной схемы; /II/ - в установлении зависимостей параметров предельного откоса от изменения показателе* сопротивления пород сдвигу.

S2SGBI U30HG1 № CII 0210 GTii fU./iSKl GAL-A.'iALYTl GAL ;.LiVnCD OF CALCOUUx^

siABi'ia a?r of flhuKs of opsucasts jw sahd-clay aocics

In tne thesis,on the basis of a systematic approach bo the solution of the proolem of opencast slopes suability,it is suggested to consider the geomechaaical aodels of near-flank ¿asses as systems consisting of three interconnected elements (subsystems): a structural (geometrical) model,a-mecnanicai model and physico-aechar.ical properties of the mass rocks.

The aetnod3 of forming the structural model of near-flank mass of rouks is developed. .The model represents tne complex of natural and tecnnogeneous conditions of tne mass influencing on opencast slopes staoility. The aebuocls of complex study of the rated indices of physi co-mechanical properties of near-flank mass rocks is proposed on the basis of inverse calculate ons of soil slips using the results of rock teats oh patterns (prisms). The schwaes and calculation techniques of the parameters of limit stable slopes and the estimation of the degree of real slopss stability for geomechanic'al models "a homogeneous; aaaa","aa iaaomo~eaeous mass" and "loaded slopes" are developed on the basis of the improved common techniques of the nuraerical-analytical aethod to solve the problem of aljpe stability. ffiiu calculation tecnniques suggested are based on the main statements of the theory of linit equilibrium.

The methodica suggested are used in drawing up the document "Temporary J ustructions on Controlling the Stability of Opencast Slopes in iion-Perroua i£etailurgy",as well as the contractor designs of opencast working-out ana the designo of forming spoil baniis in some ore deposits of the i<epub.lics of ¿Cazaiihstau.

ОЯИГЛК СЕРГЕЙ ГЕОРГИЕВИЧ

KVM-САЗда ШКЫСГАРДАГЫ КАРЬЕР БУЙ1РЛЕР1 Х¥РАЬ,ТШШГЫН АНЩТАУЛЩ САВД-АНАЛИГШ-]Щ ЕШТЕУ ТЭС1Л1

Кен шыгаратын орындардыц куламаларычыц орныцтылыгын шешу тура лы гьиыми жумыста нег!зд1 жуйелх жацындауды шещуде, геомеханикалы I улгхнхц бУй1рлт схлемше, 6ip-6ipiM8H байланысты уш элементтер ко-сылган /система аралык/: структуралык /геометриялнк/ улгх, механи-калык УЛГ1 жене жыныс с1лемдершщ физ ика-механикалык,: каскаттерхн карастыру усынылды. Tay жыныстары сглемхнщ структуральщ улгхеш к,адыптасгыр.у efiici де осы жумыста жасалган.

С1ле* нщ табири жэне техногещцк жагдайдагы шагалыск;ан кешен! кен шыгаратын орындардын, цуламаларыныц керсетхлген ¿сершщ орнык;-тылыгында екенх осы жумыста зерттелгзн жэне бул гылыми жумыста жи-нактык, негхзг! есебшхц KepceTtviurrepi, физика-механикалык, 6уй1пл1 ! жьиыс ciäsmi цурдысынын aflici зерттелген. Негхзгх кэрг есептеудщ пайдасын тау жыныстарын зерттеу нэтижесхнде пайдалан? кажет. Дамы-тшган tSipKeflxi эд1с нсг1зшдо, сандык-талдау тэехл1 ecaöiH шыгару куламалардыц орньщтылыгын евдеу улггсх жэне шект i параметр ecetfi-H14 вдхсхмен н;уламаЛарды^ орныцтылыгынщ дэрежел1 багасы геомэха-никальщ y^ri YiuiH нб1ркелк1 с!лем", "эртутш смем" жане "тиеуЛ1 , куламалар" болып белшетхндхгх зеоттелгоя. Усынылран эдхстет) шек-, Ti тепе-тендхк теориясмныц Heri3ri жагдайлар базасында негхздедген

Есептеу улгхсх жэне кен шыгаратын орындардын кгуламаларыньщ срныцтылык; параметр! есебхнщ ад!сх "Уацытша методикальщ нусцаулар . tycti металлургияда кен шыгаратын орындардын жиегхнхч орньщтылырын бас к,ару" мелшерх дужаттарды курастыруда. пайдасын тахдан. Жумыстьщ негхзгх кептлдемесх жумыс жобаеын цурастыруда, кен ныгаттьш орын-дарды лайдалану жэне ысырмалы пайда болу жобаеын, баск;алармен. катар Казацстандары кен орындарында пайдалануда.