автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Расчет оптимальных параметров бортов угольных разрезов в условиях крутого залегания слоев горных пород

^ СЙЧ

< <0 ЯИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

я4 ^

^ КАРАГАНДИНСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО

N ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

НОВИКОВА ЛЮДМИЛА КИРИЛЛОВНА

РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ В УСЛОВИЯХ КРУТОГО ЗАЛЕГАНИЯ СЛОЕВ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.15.01 - "Маркшейдерия"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Караганда - 1994

Работа выполнена в Казахском научно-исследовательском Институте горной геомеханики и маркшейдерского дела (КаэНИМИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ПУШКАРЯВ Василий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ОШОВ Рафаил Петрович кандидат технических наук АНАШКИН Алексей Иванович

Ведущая организация: Государственный проектный институт

"Карагандагипрошахт"

Защита диссертации состоится " 1994 г.

в 10 часов на заседании специализированного совета Д 14,22.01 Карагандинского ордена Трудового Красного Знамени политехническо: института по присуждению ученой степени кандидата технических на} / 470075, г.Караганда, Бульвар Мира, 56, главный корпус, конферв! зал /.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " 2.9 " ____1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат технических наук Кыэыров К.Б,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность теми. В настоящее время на угольных разрезах Урала, Кузбасса и Казахстана в условиях крутого обратного и вертикального падения слоев фиксируется деформации бортов, по характеру резко отличающиеся от деформаций откосов в любых других условиях. Установлено, что деформирование поверхности бортов свя зано с изгибом и разворотом крутых слоев, проявляющихся задолго до наступления предельного равновесия прибортового массива, рассчитанного традиционно из условия сопротивления его сдвигу вкрес наслоения. Практика показывает, что использование известных расчетных схем в условиях угольных месторождений с крутопадающей слоистостью приводит к нереальным результатам. Поэтому для определения оптимальных параметров бортов угольных разрезов в рассматриваемых условиях необходимы иные методы их расчета, что в сочетании с технологическими и экономическими факторами и предопределяет актуальность работы. Так, например, протяженность бортов объединенного разреза Экибастуэсхого бассейна, сложенных крутыми слоями пород, составляет около 12 км, причем их большая часть должна эксплуатироваться в течение десятков лет. Таким образом, даже для одного бассейна решение задачи имеет весьма важное значение. Диссертационная работа выполнена как составная часть отраслевых планов 1985-1990 гг. бывшего Минуглепрома СССР » планов института ВНИМИ по следующим основным темам: "Обобщить и оценить результаты исследований, разработать рекомендации по прог нозу деформаций бортов, уступов и внутренних отвалов и способам и предупреждения на разрезах при использовании оборудования большой единичной мощности и поточной технологии" Ор гос.регистрации 018700206&5), "Разработать и внедрить рекомендации по параметрам бортов Экибастузских разрезов на участках с крутым залеганием ело ев горных пород" С* гос.регистрации 0292193000) и др.

Целью работы является повышение эффективности и безопасно! ти ведения открытых горных работ на сложноструктурных угольных месторождениях путем установления оптимальных параметров бортоз разрезов в массиве с крутопадающей слоистостью на основе разработки метода расчета предельных откосов и прогнозирования дефо{ ций их поверхности.

Основная идея работы заключается в использовании особенно тей характера деформирования откосов в массиве с крутопадающей слоистостью для разработки методов расчета устойчивости бортов угольных разрезов и предрасчета деформаций приоткосной зоны.

Задачи исследований. Аля достижения поставленной цели реша лись следующие задачи:

- уточнить характер деформирования откос® с крутопадающей слоистостью в натурных условиях;

- определить условия возникновения деформаций изгиба слоев в откосах;

- разработать инженерные методы оценки устойчивости откосов и прогноза деформаций их поверхности;

- оценить в общем случае влияние основных горногеологических факторов на равновесие крутых слоев б откосах и мероприятия по снижению их отрицательного влияния на развитие деформаций слс истого массива.

Методы_исследований. При решении поставленных задач использовались следующие методы исследований: натурные, включающие изу чение структуры и инструментальные наблюдения за деформациями бортов угольных разрезов с крутопадающей слоистостью; лабораторные, включающие изучение физико-механических свойств горных пород; аналитические методы оценки устойчивости откосов на основе теории предельного равновесия; анализ и обобщение результатов отечественного и зарубежного опыта по рассматриваемым вопросам.

выносимые на защиту:

- характер деформирования откосов в неоднородном массиве с крутопадающей слоистостью, традиционно отождествляющийся с квазь изотропной средой, отличается от классического и проявляется в изгибе слоев с межслоевыми подвижками, развороте и опрокидывании слоев с их возможным сдвигом;

- крутые слои в осадочном массиве изгибается не по всей высоте откоса, а в установленных пределах; это зависит от угла их падения, общего угла откоса и прочностных характеристик вкрест наслоения и' по контактам слоев;

- расчет предельных углов наклона бортов в условиях крутого залегания слоев возможен на основе геомеханической модели квазиизотропного массива с учетом отрицательной поправки в их угол наклона в связи с изгибом слоев и изменением природного сцепления массива горных пород вкрест наслоения и по контактам слоев.

Достоверность_научных_полокений, выводов и рекомендаций обеспечивается результатами большого количества натурных наблюдв' ний за Деформациями бортов, лабораторных исследований прочности горных пород по контактам слоев, аналитическими исследованиями устойчивости откосов на основе теории предельного равновесия, сопоставлением результатов прогнбза устойчивости откосов с фактическими данными и результатами эффективного внедрения рекомендаций, в той' числе при полной их реализации на отдельных участках разрезов производственного объединения "Экибастузуголь".

На^чная_новизна результатов исследований заключается в следующем:

- экспериментально уточнен характер деформирования откосов

в массиве с крутопадающей слоистостью; установлены три стадии развития деформаций: изгиб слоев с межслоевыми подвижками, их разворот и опрокидывание;

- определены условия возникновения деформаций изгиба крутых слоев в откосах; установлено, что слои изгибаются не по всей вы-

соте откоса, а в пределах, зависящих от угла их падения, характеристик прочности по контактам и угла откоса;

- разработаны инженерные методы расчета параметров предельных откосов в массиве с крутопадающей слоистостью и предрасчета деформаций изгиба слоев в приоткосной зоне.

Личный вклад автора в получение научных результатов:

- инструментальными наблюдениями уточнен характер деформиро вания бортов в массиве с крутопадающей слоистостью;

- аналитическими исследованиями установлено влияние основны; характеристик прочности и угла падения слоев на их изгиб в отко сах;

- разработан инженерный метод оценки устойчивости слоистых откосов, построены графики отрицательных поправок в предельный угол изотропных откосов как функций высоты, угла падения слоев I характеристик прочности по контактам;

- предложен приближенный метод предрасчета деформаций изгибе слоев как под действием статических нагрузок, так и с учетом гидродинамических.

Разработанные инженерные методы оценки устойчивости предельного равновесия слоистых откосов и предрасчета деформаций изгиба слоев позволяют прогнозировать дли тельную устойчивость бортов разрезов, характер развития и величи ны деформаций их поверхности как по простиранию, так и по высоте бортов и оперативно решать практические вопросы предупреждения этих деформаций в конкретной горногеологической обстановке.

ЕёЁлизация работы^ Результаты исследований нашли практическое применение при разработке рекомендаций по обеспечению устойчивости стационарных бортов разрезов "Северный" и "Богатырь" ПО "Экибастузуголь". Рекомендации использованы при составлении проектов реконструкции разрезов с условным экономическим эффектом за счет предотвращения недопустимых деформаций бортов и исключе-

ния в этой случав их выполаживания,

_Апробация_работы._ Основные положения диссертации докладывались и подучили одобрение на: научно-технических совещаниях ПО "Экибастузуголь", проектного института "Карагандагипрошахт"; научн технических кЪнференциях Карагандинского политехнического института \.Караганда, 1967-1991 гг.); научно-технических советах институтов ВНИМИ и КазНИМИ (Санкт-Петербург - Караганда, 1989-1991 гг.); международной научно-практической конференции "Проблемы развития угольной промышленности Республики Казахстан" (Караганда, 1993г.).

Публикация. Основное содержание работы отражено в пяти опубликованных статьях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 179 страниц машинописного текста, включая 35 рисунков, 9 таблиц, 2 приложения и список использованной литературы из 62 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе оценивается состояние изученности вопроса и некоторых решений, непосредственно с ним связанных. Приводится сравнительный, анализ методов расчета устойчивости слоистых откосов известных методов определения прочности массивов горных пород, особенности процесса деформирования бортов угольных разрезов в массиве с хрутопадающей слоистостью и исследуется влияние характеристик контактной прочности на предельное равновесие слоистых откосов,

В обоснование и создание существующих методов оценки устойчивости бортов карьеров внесли крупный вклад С.И.Попов, Г.Л.Фисенко, й.И.Попов, В.Т.Сапожников, Ю.И.Туринцев, М.Е.Певзнер, В.Н.Попов, Э.Л.Галусгьян, В.И.Пушкарев, Р.П.Окатов, В.В.Несмеянов, А.М.Гальперин, Б.Д.Половов, В.И.Зобнин, Л.Б.Фадеев, А.М.Мочалов, Ю.С.Козлов, Т.К.Пустовойтова, П.С.Шпаков, Г.Г.Поклад, О.Г.Афанасьев,

Задача устойчивости крутых слоев в откосах решалась лишь в Уральском филиале ВНИМИ Б.Г.Афанасьевым и В.Т.Сапожниковым. На основе результатов большого объема моделирования слоистых откос< эквивалентными материалами авторами предложен приближенный. спос< определения,отрицательных поправок в угол изотропного откоса в зависимости от угла падения слоев без учета высоты откоса и других факторов. В связи с узким диапазоном моделирования условий, область применения способа ограничена. Предложен также метод рас чета устойчивости откосов с крутопадающей слоистостью веревочным многоугольником. Механическая основа метода предполагает разворс слоев с меяседоевыми подвижками. В предельном равновесии слоев эт деформации не допускаются. Следовательно, углы наклона откосов, рассчитанные методом веревочного многоугольника, получаются весь ма пологими.. Поскольку поверхность бортов в реальных условиях чаще всего бывает пригодча для эксплуатации и при ее значительны деформациях, то и их углы наклона могут быть более крутыми, Таки образом, нерешенными остаются задачи предельного равновесия отко сов, т.е. определения их параметров на момент оползания прибор-тового массива и оценки состояния откосов с промежуточными параметрами, т.е. с углом наклона - положе предельного и круче недеформированного \ сС"р > сС > обнер).

Анализ обобщенных результатов натурных наблюдений за деформациями бортов угольных разрезов показал, что деформации поверхности борта, сложенного крутыми слоями, в его допредельном состоянии связаны с изгибом и разворотом слоев, что сопровождается межслоевыми подвижками, образованием обратных ступенчатых заколоЕ и просадкой приоткосной части массива пород. Ширина деформированной прибортовой полосы (земной поверхности) в 2-3 раза больше,чем у изотропного откоса и составляет 1,0 - 1,5 Н \Н - высота борта

Совершенно очевидно, что при изгибе и развороте слоев природ ное сцепление по их.контактам нарушается. Поэтому при оценке ус-

тойчивости откосов, например, методом многоугольника сил сцепле ние по второму семейству линий скольжения, совпадающих с наслое нием, следует принимать равным нулю. Поверочные расчеты показал что степень устойчивости откоса этот фактор снижает не более,чв на 2-3$. Однако сцепление К прибортового массива в целом снижа ется существенно и примерно на 0,9 К ^ К ~ сцепление по контактам слоев). Кроме этого, при расслоении массива в микродвиже ние приходят все его структурные блоки, углы трения по граням к торых предопределяют угол трения массива. Учитывая, что на угол ных месторождениях преобладают две взаимно перпендикулярные <с колебанием + 30°) системы трещин, нормально секущие наслоение,к эффициент внутреннего трения массива горных пород рекомендуется определять по формуле В.и.Пушкарева-Д.Н.Кима (1972), уточненной для конкретных условий:

и.4)

где^гД, , iy.fi' и {фА - коэффициенты трения горных пород соответственно вкрест наслоения, по контактам слоев и торцевых граней структурных блоков; Л - общий коэффициент структурного ослабления массива. Отметим, что традиционно принимается ьРм ~ . При Р на 2-4° и при отношении /Р0 * 0,5-0,7 угол трения осадо кого массива будет отличаться от угла внутреннего трения пород в образце на 6-10°,

Очевидно также', что на изгиб и разворот крутых слоев в отю сах в дополнение к статическим гравитационным силам оказывают влияние динамические силы от массовых взрывов, гидродинамически! силы и горизонтальные составляющие тектонического поля напряжет что исследовалось на уровне постановки задачи.

Таким образом, устойчивость откосов, сложенных крутыми слоями пород может быть объективно оценена при учете целого ряда д<

полнительных факторов методами, соответствующими характеру проявления деформаций, наблюдаемому в натуре.

Во второй главе исследуется характер деформирования откосов при крутом обратном и вертикальном залегании слоев горных пород и разрабатывается принципиальная схема расчета их предельного равновесия.

Приведенные в главе конкретные результаты инструментальных наблюдений за динамикой перемещения слоев на деформирующемся участке борта свидетельствуютиеосмещении тела оползня, а лишь о развороте его отдельных блоков (слоев), При этом величины и скорости перемещения реперов максимальные на верхних горизонтах и минимальные - на нижних по всем наблюдательным станциям. Аналитические исследования, проведенные в дополнение к натурным, позволили выделить три стадии развития деформаций откосов в массиве с крутопадающей слоистостью.

На первой стадии, задолго до наступления предельного равновесия откоса по потенциальной поверхности скольжения, происходит консольный изгиб слоев, "закрепленных" на уровне подошвы выемки, когда за счет межслоевых подвижек нарушается природное сцепление по их контактам. На второй стадии начинается излом сдоев по системе продольных нормальных трещин и их разворот. За счет развития напряжений растяжения в поперечном сечении слоя примерно в два раза снижается сцепление массива в целом. На третьей стадии происходит опрокидывание сдоев со сдвигом по сформировавшейся на второй стадии поверхности скольжения.

В настоящее время при оценке устойчивости слоистых откосов традиционно применяют У схему расчета ВНИМИ при падении слоев в сторону выемки под углом не менее 80°, в сторону массива и до горизонтального залегания, когда угол между наслоением и поверхностью откоса составляет не менее 65°. При других значениях углов падения слоев характер деформирования откосов иной в зависимости

от него использувтся IX или X схемы. Анализ приведенных выше по дояений показал, что при падении слоев в сторону выемки под угл

£ 4: 45°+£/2. +в' (2.3)

поверхность скольжения в верхней части откоса совпадает с наело ением и его устойчивость оценивается по X схеме; при

£ > 45° Л/0/2' * в' (2.2)

потенциальная поверхность скольжения откоса по форме близка к круглоцилиндрической и степень его устойчивости оценивается по • схеме расчета, но с учетом изгиба слоев (схема У,'). Выше

и является углом излома поверхности скольжения на границе специального и обыкновенного напряженного состояния. %и падении слоев в сторону массива при

(2.8)

изгиб слоев с межслоевыми подвижками невозможен и устойчивость

откоса в этом случав оценивается по У или IX схеме расчета (в зг

' 1 а

висикости от величины ^о и прочности пород); при

л (2.9)

изгиб слоев с межслоевыми подвижками будет иметь место и устой/

чивость откоса оценивается по схеме У , т.е. с учетом изгиба слоев.

^лои могут изгибаться не обязательно по всей высоте откоса, что определяется углом их падения, характеристиками прочности по контактам и углом откоса. Изгиб слоев в средней части откоса невозможен при

где 5" - угол наклона поверхности скольжения по рассматриваемо му сечению, совпадающему с наслоением пород.

Предельное равновесие откосов с учетом возможного изгиба ело

I

ев рекомендуется оценивать по схеме расчета У , принципиальные положения которой следующие.

Поскольку слоистый массив а откосе деформируется с межслое-ми подвижками, о чем свидетельствует образование на его поверхности ступенчатых заколов, то вдоль потенциальной поверхности скольжения имеет место сложное напряженное состояние. При работе слоя на изгиб его одна половина в поперечном сечении будет испытывать напряжения сжатия, другая - растяжения. В откосе, т.е. при наличии касательных напряжений, одна половина слоя будет работать на сдвиг со сжатием, другая - на сдвиг с растяжением. Соп ротивление пород сдвигу при одновременном действии касательных и растягивающих напряжений будет характеризоваться некоторой величиной ^ , зависящей от величины действующих растягивающих напряжений. Очевидно, что максимальный изгиб претерпевает вертикаль, ный слой, т.к. в этом случае влияние масс соседних слоев на его устойчивость минимальное. Тогда во внешней от выемки половине слоя сцепление по ее основанию будет близким к нулю, а сцепление по основанию слоя в целом составит половину природного ^силы трения остаются неизменными;. При отличном от вертикального падения слоев коэффициент снижения сопротивления пород чистому сдвигулсцепления) при растягивающих напряжениях в зависимости от угла падения слоев и отношения временного сопротивления пород

растяжению <s>p к их сцеплению определяется по формуле: Г - агс£я.& cos.jз _ Г, scn(axciv& +J3) или при (s>p » и,25/К ^условия Экибастузского месторождения) Р - cos л т

иГ Л£П W tjh) '

Тогда по основанию слоя в целом

Ск = 0.5 (1*сг\ <гл7у

а сцепление

= кс< ■ . й.1»

Следовательно, степень устойчивости откосов относительно их предельного состояния в условиях крутого залегания слоев пород может оцениваться известным : методом многоугольника сил при ве-

личине сцепления вкрест наслоения, определяемой по приведенным выше формулам, и сцеплении между слоями, равном нулю.

Используя описанную выше принципиальную схему оценки предельного равновесия анизотропных откосов с изгибающимися сдоями,втретьей главе приводятся графики отрицательных поправок к углу наклона изотропного откоса в зависимости от высоты слоистого борта, угла падения слоев и механических характеристик массива, построенные по результатам большого числа расчетов. Графики построены для следующего диапазона условий: высота откосое И = 5-16 Н90 ^ И90 « 2 К < 45° - Р/2 ) - предельная высот вертикального обнажения пород); Р = 25,30 и 35°; £ *■ 5, 10, 15 и 20°. В качестве примера на рис.! приведены графики отрицательных поправок для Р * 30° и Р Е 5,10, 15 и 20°. Пользование графиками простое и заключается в следующем. Для известных характеристик массива ^ , К , р рассчитывается предельная высота вертикального обнажения пород ^о • Известными методами многоугольника или алгебраического сложения сил определяет ся предельный угол наклона изотропного откоса коСиь) плоского профиля заданной высоты н . Для условий высоты Н * М/Ндо , заданных $ , ^ и /по графикам путем интерполировани находится отрицательная поправка л сС в <£из» Предельный угол слоистого откоса ¿об

Устойчивость слоистого откоса в целом с углом об обеспечивается, но поправка а не предотвращает деформаций его поверхности. С целью предотвращения опрокидывания слоев, не изменяя коэффициент запаса устойчивости борта в целом, рекомендуется следующий способ снижения деформаций его поверхности.

На рис.2 показана призма I возможного обрушения изотропного откоса 2 с углом ^¿иъ в массиве с падением слоев горных пород под углом . Линия АС соответствует контуру откоса, построен ного с учетом отрицательной поправки в угол сСиъ , Точка Д

на криволинейной поверхности скольжения 3 с углом ее наклона в этой точке 8" определяется по формуле (2.14). Ниже границы илоя) ВД изгиба слоев не происходит и поэтому на участке АБ угол откоса следует задавать равным сЬи.ъ г а на участке ВС угол откоса Ж ■ . Отрицательная поправка

легко определяется графически. Поверочными расчетами установлено, что откос выпуклого профиля АБС в целом является устойчивым.

Реализация способа позволит за счет более пологого угла наклона верхней части борта, предотвратить большие деформации прибортовой полосы земной поверхности и наклонной поверхности борта, а за счет изменения его профиля существенно сократить объем вскрыши (призма АБС не отрабатывается).

В главе также рассматривается вопрос определения оптимальных параметров высоких уступов, сложенных крутыми разнопрочными

слоями; горных пород. Вероятность изгиба и разворота слоев пред> »

определяется их мощностью, взаимным расположением в пространстве и высотой уступа в каждом конкретном случае.

В четвертой главе разрабатывается приближенный способ прог ноза деформаций откосов в массиве с крутопадающей слоистостью, приводятся общая оценка и мероприятия по снижению влияния основ' ных горногеологичзских факторов на равновесие крутых слоев в откосах.

Поскольку напряжения в бортах карьеров не выходят за пределы прочности массива пород на сдвиг, то для предрасчета деформаций поверхности откосов используются приближенные, но для относительной оценки вполне достаточной точности решения задач линейной теории упругости. Тогда величина перемещения конца вертикального слоя в приоткосной области копира напряжений треугольной формы) рассчитывается по формуле:

4 - (ох Ь-__, .

У " ЗОЕ О '

где - горизонтальная составлявшая суммы главных напряже-

ний (о^ и , тс/м2;

¡1 - высота слоя, м;

J. - момент инерции слоя ( &, ё - размеры поперечного сечения слоя; в плоской задачи 8 * 1м); £ - модуль продольной упругости породы (модуль Юнга), т/м2.

Перемещение конца слоя, срезанного плоскостью откоса (эпюра трапецеобразной формы):

г г * Л '

где %-^и ^ - горизонтальная составляющая нагрузки на слой

соответственно на уровне подошвы выемки и по-

2

верхности откоса, тс/м . Для определения направлений действия главных напряжений в откосе предложены приближенные формулы, а также способ учета совместной работы слоев, т.е. их взаимного силового влияния. Расчет перемещений конца слоев мощностью 10 м в откосе высотой 100 м для условий Экибастузского месторождения показал, что величина горизонтального вектора смещения конца слоя высотой 20 м у подошвы выемки не превышает 2,5 см, слоя высотой 100 м у верхней бровки откоса - 2,66 м. Результаты расчетов перемещений по величине достаточно хорошо согласуются с наблюдаемыми на практике.

В главе также рассмотрено влияние основных горногеологических факторов - тектонического поля напряжений, гидродинамического давления и сейсмовзрывных колебаний от массовых взрывов на устойчивость крутых слоев в откосах. Показано, что уменьшение влияния тектонических горизонтальных напряжений ^ на состояние откосов достигается их соответствующей ориентировкой по отношению к направлению действий . Гидродинамические силы способны привести к перемещению конца сдоев в 1,5 раза

превышавшего перемещение под действием статических гравитацион них сил. Поэтому дренаж прибортового массива горизонтальными с важинами является одним из основных способов предупреждения ра вития деформаций изгиба слоев. Кратковременные динамические на: рузки от массовых взрывов играют роль "спускового механизма" н; чала изгиба и расщепления крутых слоев, поэтому при постановке уступов в предельное положение на участках с неблагоприятным з; леганием слоев рекомендуется производить экранирование законту; ного массива предварительным щелеобразованием.

В пятой главе в качестве примера практической реализации разработок приводятся краткая инженерно-геологическая характер; тика Экибастузского месторождения, оптимальные параметры участ бортов разрезов с крутым залеганием слоев горных пород и реком! дуются мероприятия по предупреждению деформаций откосов. Общая протяженность участков бортов, охваченных исследованиями, сост; ляет' около 2,5 км. При высоте бортов 170-300 м их общие предел;

1 ^ о

нне углы составляют 24-26 . Профиль борта ломанно-выпуклый (ко! структивный). На нижних участках борта, где изгиб слоев невозм! жен, оС я оСиъ , на верхних с изгибающимися слоями оС * Ы. (см.рис.2), что позволяет резко снизить деформации прибортовоп массива и существенно сократить объемы вскрыши в сравнении с т] диционной методикой определения угла наклона борта путем ввода отрицательной поправки 4 ^ на всю высоту квазиизотропного о?к<

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе дано решение актуальной научно-технической задач! повышения эффективности и безопасности ведения открытых горных работ путем установления оптимальных параметров бортов угольны: разрезов в массивах с крутопадающей слоистостью. Получены след; щие основные результаты.

А. Характер деформирования откосов при близком к вертикал! ному и крутом обратном залегании слоев горных пород резко отли'

ется от характера деформирования откосов в любых других условиях. Основным видом начальных деформаций их поверхности является изгиС и разворот слоев с межслоевыми подвижками, образованием обратных ступенчатых заколов и просадкой приоткосного массива пород. Причем развитие этих деформаций начинается задолго до наступления предельного равновесия откосов, т.е. при весьма пологих их углах наклона (15-20°),

2. При постепенном увеличении угла наклона или высоты борта до предельных выделяются три стадии развития его деформаций. На первой стадии происходит консольный изгиб слоев, "закрепленных" на уровне подошвы выемки, когда за счет межслоевых подвижек нарушается природное сцепление по их контактам. Кроме этого, при расслоении массива в микродвижение приходят все его структурные блоки, углы трения по граням которых предопределяют угол трения массива, величину которого рекомендуется рассчитывать по формуле .(1,4). На второй стадии начинается излом слоев по системе продольных нормальных трещин и их разворот. За счет развития напряжений растяжения в поперечном сечении слоя примерно в два раза снижается сцепление массива в целом. На третьей стадии происходит опрокидывание слоев и их возможный сдвиг по сформировавшейся на второй стадии поверхности скольжения.

3. Крутые слои в откосе изгибаются лишь в определенных условиях и не обязательно по всей его высоте. Это зависит от угла их падения, коэффициента трения по контактам, высоты и угла откоса. Возможность и граничные условия изгиба слоев в верхней и средней частях откоса определяются соответственно по формулам (2,2, 2.9, 2.14), В реальных условиях зона изгиба слоев ограничивается углом их падения в сторону массива и в сторону выемки -

- /^60°.

4. Разработанный инженерный метод расчета устойчивости откосов в массиве с крутопадающей слоистостью позволяет рассчитать

предельные параметры борта, т.е. на момент оползания прибортово го массива, и оценить степень его устойчивости с параметрами в положении между предельным и недеформированном состояниях. Степень устойчивости борта оценивается известным методом многоугол ника сил при величине сцепления вкрест наслоения, определяемой по формулам ^.2.16 - 2.18), и сцеплении между слоями, равном нулю . 5. С целью предотвращения опрокидывания слоев, не изменяя коэффициента устойчивости борта в целом, рекомендуется способ снижения деформаций, его поверхности, отличающийся тем, что кваз изотропный борт выполаживается не по всей его высоте, а лишь в его верхней части на величину угла Л сС < Л сС ^ gTO> с однол стороны, существенно сокращает объемы вскрыши за счет крутого угла наклона нижнего участка борта с неизгибающимися слоями, с другой, за счет более пологого угла его верхнего участка с изги бающимися слоями, улучшает условия их устойчивости, препятствуе расслоению массива с межслоевыми подвижками и резко уменьшает или исключает полностью (>в зависимости от относительной высоты участка) деформации поверхности борта.

6. Приближенный метод расчета абсолютных величин деформаци изгиба слоев позволяет прогнозировать деформации поверхности бо тов, вызываемыми статическими гравитационными силами.

Технико-экономическая эффективность работы определяется дв мя техническими решениями.

Во-первых, разработанный метод расчета позволяет установит фактическую степень устойчивости деформирующегося борта и, следовательно, исключить его излишнее выполаживанйе. Так, например на разрезе "Северный" борт можно не выполаживать, что предотвра щает ущерб от излишних 2,0 млн.м3 Бскрыши.или в денежном выраже нии на 0,7 млн.руб. (в ценах 1967 года).

Во-вторых, строительство борта конструктивного профиля сни жает или полностью исключает вероятность его деформирования и

приводит к существенному сокращению объемов вскрышных работ. НаП' ример, по разведочной линии 81а (разрез "Богатырь") использована этого способа полностью исключает его деформации и сокращает объем вскрыши на 3,0 млн.м3 на 0,5 км протяженности борта.

Основные результаты исследований, приведенные в работе, мог; быть использованы при решении вопросов устойчивости бортов не только на Зкибастузских разрезах, но и на других месторождениях с аналогичными инженерно-геологическими условиями.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих раб<

тах:

1. Пушкарев В.И., Федоров В.Г., Новикова Л.К., Предупрежден! деформаций прибортового массива с крутопадающей слоистостью

// Рациональное использование недр и рекультивация земель на горных предприятиях: Сб.науч.тр./Карагандинский политех.ин-т, Караганда, 1988. С.49-53.

2. Новикова Л.К. Деформирование уступов в карьерах в услоги} крутого залегания слоев // Рациональное использование недр и рекультивация земель на горных предприятиях: Сб.науч.тр./Караганда ский политех, ин-т, Караганда, 1988, С.53-55.

3. Новикова Л.К. Оценка состояния и параметров бортов Экибас тузских разрезов в условиях крутого залегания слоев // Сдвижение горных пород и земной поверхности при разработке месторождений по лезных ископаемых: Сб.науч.тр./Карагандинский политех, ин-т, Кара ганда, 1989. С.44-49.

4. Пуикарев В,И., Новикова Л.К, Практический расчет предельных отхосов в массиве с крутопадающей слоистостью // Механика гор ного массива и свойства горных пород: Сб.науч.тр./Карагандинский политех, ин-т, Караганда, 1990. С,52-57.

5. Новикова Л.К. Критерии контроля состояния деформирующихся бортов карьеров // Механика горного массива и свойства горных пород: Сб.науч.тр./Карагандинский политех, ин-т» Караганда, 1990.

С.123-127.

Личный вклад соискателя в опубликованных работах, которые вы полнены в соавторстве: /1/ - проанализированы и выявлены в натур ных условиях особенности характера деформирования откосов в массиве с крутопадаищей слоистость«; А/ - рассчитаны и построены графики отрицательных поправок в предельный угол изотропных откосов.

LJudmiia Kirillovna-HoviKova "Design of optimal parameter of edges of collieries in the conditions of steep bending rocK layers".

In the dissertation there are.listed the results of Investigations devoted to the establishment of character of slopes deformation in the massif with a steep bending of layers. The conditions of deformations beginning of layers bending in slopes are determined. It is established that steep layers are bent not by the whole depth of the slope, but within the limits depending on the angle of their dip. strength characteristiec by contacts and the angle of slope.

A principled scheme of the design of maximum equilibrium of slopes at the bending deformation, turn and tipping over of the layers is developed. There Is also worked out an engineering design method of parameters of deforming edges, are constructed plots of negative corrections into a critical angle of isotropic slopes as a function of their height, the angle of the layers dip and strength characteristics by contacts. The realzation of the process of deformations decrease by constructive profile of the edge construction permits at the expense of the more sloping angle of its upper part to prevent large deformations of the near- the - edge strip of the ground and inclined surface of the edge, but at the expense of changing of its profile essentially reduce the stripping volumes.

There is offered an approximate method of predesign of the layers bending deformations permitting to determine values of deformations both under the action of static loads and taKing into account hydrodynamic ones. A total estimation of measures by decrease of the effect of mining and geological factors on the equilibrium of steep layers in the e<iulUbri-um of steep layers In the edges of the opencast collieries in given.

The.totality of considered problems permits to forecast deformations of bending, turn and tipping over of the layers both along the striKe and by the moulded depth of the edge, and promptly solve practical problems of prevention of these deformations in the concrete mining and geological condition. The investigation results have found the practical applica tion by the development of recommendations on the ensuring of stability of stationary edges of the opencast collieries "Se-verny" and "Bogatyr" of the Production Accociation "EKibust-uzusoi".

Людмила Кириллкызы Новикова "КеШр разрездерх 8н1стер1ни1 оптимальды параметрлерхя курт кулэйтын ка-баттары жагдайгша байланыстыра есептеу".

Диссертацияда курт кулай жататын массив кабаттары ен3.стер1я1 деформациялану езгешел1кт8р1н толыктыра туеу максагында журПззлге зерттеулер нетижес1 келт±р1лген. Кулама кабаттарда деформациялы и!луд1Н пайда болу шарттары ашкталган. Зерттеу карсеткендей т! жарлы кабаттзр И1л1с1 букъл кулама би1кПП денгейздце ерб1ме: тек олзрдын КУлама бурышы, туй1ст1к жазыктары 0еттер1вдег Зер1к'г1к шектер1нде гана болатыны аныкталда.

Кулема жарлардан шэкт1к тегге-тенд1г±н есеспеу максатынд; кабатттардын и1лу, бурклу жэна орьш алмастыруын камтитын лринципт. схемасы жасалган Деформация денгейхн разрез буШрШн конструкршлык профшИя кыйлыстыру тасШн зкузеге асыра отырып тус1ру;жер бет! бойшвна ен1с машн тлкен

деформациядан сактайды, ал онын профиле азгерту аыу жумистарынш келемгк айтарлык мелшерде кыскартуга мумк;ндпс бередз..

Статикалык жэне гидродинамикалык куштвр эсерШеЕ пайда болатын деформацияларды ашктау максатында к.абаттардан деформацияланып и1вухн1н. жузщ мэнш алдан-ала есептеу тэс:Ып усышлган.

Карастырылган тэс!лдер жшнтыгы т!к жар кабаттарда отет!н деформациялын я1л!с, ауыткулырда жайылам жэне 5уй1р бойлыктары Оойыша болжаура мумк±нд!к Середз..Ал нактылы тау-геологиялын жагдайда бул эдютер деформаьиядан алдан-ала сактзндыру есептерЬк 1С жуз^нде щугыл турде шешуге кемектэсед1. Зерттеу нэтижелер "ЕкЮастУзквмер" Э/Б-нЬн, "Северный" жэне "Богатырь" разрездер турактн 8Ц1стер1нан оршктылыгын камтамасыз ету шеш1мдер±; дайындагзн кезде енд1р1ст!к колданыс тапты.