автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Разработка метода оценки устойчивости бортов карьеров при наличии карстовых полостей

Р Г Б ОД

- 8 Ш Ш

На правах рукописи

ЧАН КУОК БИНЬ

УДК 622.261.276(043.3)

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ ПРИ НАЛИЧИИ КАРСТОВЫХ ПОЛОСТЕЙ

Специальность 05.15.01 — «Маркшейдерия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Прущртгм дискетациснксъ сект k-05b.tt.05

V р.и. ГснщроЁ С.А.

Цчшыи ик^тпарь циниртоцяошяо ¿е&е#и к-05$.12.0$

Москва 1995 Преф., КрЮКО$ £//

Работа выполнена на кафедре маркшейдерского дела и геодезии Московского государственного горного 'университета.

Научный руководитель академик РАГН, докт. техн. наук, проф. ПОПОВ В. Н.

Официальные оппоненты: академик РАЕН, докт. техн. наук, проф. ПЕВЗНЕР М. Е., |Канд. техн. наук, с. н. с. БУДКОВ В. П.

¡Ведущее предприятие— Всесоюзный научно-исследовательский, проектный и конструкторский институт горного дела и металлургии цветных металлов (ГИПРОцветмет).

Защита диссертации состоится « . » 1995 г.

в час. на заседании диссертационного совета К-053..12.О5 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией .можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 'г?. » . 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук, проф. КРЮКОВ Г. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. К числу основных тенденций развития горнодобывающей промышленности относится, с одной стороны, ухудшение и усложнение горно-геологических и экономико-географических условий разработки месторождений, а с другой - рост объемов добычи полез--ных ископаемых наиболее прогрессивным, открытии способом. Сочетание этих тенденций вызывает .чеобходимость развития одного из крупных направлений горной науки - разработки научных основ и совершенствования практических методов обеспечения устойчивости уступов, бортов карьеров и отвалов и предупреждения их деформаций.

Опыт открытой разработки месторождений полезных ископаемых показывает, что одной из.наиболее частых причин возникновения деформаций откосов на местороадениях цветных металлов, строительных материалов и химического сырья является закарстованность приоткосного массива горных пород. Карст - одно из самых распространенных явлений природа. По данным спелеологов,карстущиеся породы занимают до 70% площади стран Иго-Восточной Азии, до 40% площади России и составляют около 40 миллионов квадратных километров на земном шаре. Почти половина из всех местороздений полезных ископаемых разрабатывается в закарстованных массивах.

Несмотря на широкое распространение карстовых явлений, до настоящего времени существует лишь один метод оценки устойчивости откосов в условиях закарстованносги, в котором, однако, не учитывается напряженно-деформированное состояние закарстованного массива и поэтому во многих случаях его использование приводит к большой погрешности результатов.

Таким образом, разработка нового метода оценки устойчивости откосов уступов и бортов карьеров с учетом наличия карстовых полостей является актуальной научно-технической задачей.

Цельп рабо'га является разработка метода оценю! устойчивости

1

уступов и сортов карьеров в условиях закарстованности массивов горных пород для повышения эффективности открытой разработки

месторождений полезных ископаемых.

г'

Щея работы заключается в использовании закономерностей изменения устойчивости откосов карьеров в зависимости от характеристик закарстованности- приОортового массива горных пород для оценки их устойчивости.-

- для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород вблизи откосов методом граничных элементов наиболее целесообразным.является применение линейных функций аппроксимации смещений и напряжений, на основе которых разработан алгоритм, в котором интегралы по граничным элементам вычислены аналитически, что позволяет повысить производительность программной реализации на ЭВМ в 2-3 раза по сравнению с традиционным их вычислением численными методами;

- местоположение, размеры, ориентация и количество крупных карстовых полостей, имеющихся в лриоткосном массиве горных пород, а также прочностные характеристики заполнителя закономерно влияют на устойчивость откоса; установлены' зависимости изменения коэффици- • ента запаса устойчивости откоса от перечисленных параметров;

- разработан метод оценки устойчивости откосов в условиях закарстованности, отличающийся учетом параметров крупных карстовых полостей.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных положениях геомеханики и теории упругости;

сходимостью величины максимального влияния карста на устойчивость откосов с результатами моделирования на эквивалентных мате-

2

риалах, проведенного другими авторами.

Метода исследований. Для достижения поставленной цели проведены анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта, использованы методы моделирования условий устойчивости откосов на ЭВМ, статистические метода дисперсионного и регрессионного анализа.

Научное значеже работы заключается в установлении закономерностей изменения устойчивости откосов в зависимости от параметров трупных карстовых полостей, имеющихся в приоткосном массиве.

Практетеское значение работы состоит в разработке метода оценки устойчивости откосов в условиях закарстованности и рекомендаций по предупреждению их деформаций.

Реа^газещя..выводов и рекомендаций.работа. Результаты работы направлены в Научно-исследовательский институт проектирования и планирования предприятий горно-металлургической промышленности (СРВ) для корректировки технического проекта на реконструкцию карьера Тин-Тук.

Агдобация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили одобрение на научно-практической конференции молодых инженеров Ханойского горно-геологического института (1993г.) и на научных семинарах кафедры маркшейдерского дела и геодезии Московского государственного горного университета.

Пубяшация. По теме диссертации опубликована одна статья.

Структура и обьем раОота Диссертационная работа состоит из вве дения, пяти глав, заключения и списка использованных источников (128 наименований). Основное содержание изложено на 108 страницах машинописного текста, работа включает 46 рисунков и 15 таблиц.

(ХновноЕ

Эффективность и безопасность открытой разработки месторождений полезных ископаемых во многом зависят от изученности геомеханичес-

3

кой обстановки объекта и правильного выбора параметров устойчивых, откосов.

Большой вклад в разработку методов оценки устойчивости карьерных откосов и предупреждения их деформации внесли В.И.Ворщ-Компониец, В.П.Будков, А.М.Гальперин, Э.Л.Галустьян, С.С.Голушкевич,

A.М.Демин, В.Г.Зотеев, А.И.Ильин, Ю.С.Козлов, А.М.Мочалов, Б.-В.Несмеянов, Р.П.Окатов, М.Е.Певзнер. В.Н.Попов, .И.И.Попов,

B.И.Пушкарав, В.Т.Сапожников. В.В.Соколовский, Т.К.Пустовойтова, В.И.Стрельпрв, Д.Тейлор, К.Терцаги, Ю.И.Туринцев, В.Феллениус, Г.Л.Фисенко, П.С.Шпаков и другие ученые.

Одним из основных факторов, влияющих на устойчивость откосов, является наличие в приоткосном массиве полостей различного происхождения: подземные горные выработки, карстовые полости и т.п. Геомеханическим процессам в зоне открыто-подземных горных работ посвящены труда С.Г.Авершина, А.А.Вовка, Д.М.Казикаева, Г.И.Черного, М.В.Рыльниковой, Б.С.Крэвца и др. Вместе с тем вопрос оценки устойчивости откосов в условиях закарстованности является малоизученным: до настоящего I ремени практически известен единственный метод, предложенный А.Б.ЩаОурниковим. Альтернативным решением является попытка применения методов оценки устойчивости. подрабатываемых бортов, однако ее нельзя считать удачной, поскольку процессы карстообразования и проходки подземных выработок значительно различаются во временных и пространственных масштабах, что обусловливает различные геомеханические процессы в районах их распространения.

Анализ геомеханической обстановки закарстованных месторождений показывает, что правильный выбор параметров устойчивых откосов возможен только при учете напрякг;шо-дсформированного состояния приоткосного массива горных пород, для моделирования которого в диссертационной работе приманен один из современных методов меха-

ники твердого тела - метод граничных элементов (М.Г.Э.).

М.Г.Э. базируется на решении задачи Кельвина, которое определяет поле смещений и^ (х) при действии единичной сосредоточенной силы в бесконечном упругом теле, и на теореме взаимности. Если граница Б упругой .области (1 разделена на N граничных элементов, тег для нахождения напряжений и смещений на границе необходимо решить систему уравнений вида (объемнъз силы опускаются):

С(х.р)»Фг(х)«<15]*гп - р<х,р)»Фи(:г)»£15)»ип} =0. (1)

где х - точка на О—« граничном элементе;

Ли" - векторы напряжений и смещений в узлах <}-го граничного элемента;

Ф*(х),Фи(х) - интерполирующие функции для напряжений и смещений;

<Цх,р).?(х.р) - смещения и напряжения на ¡3-м элементе от единичной силы, приложенной к р-му граничному узлу.

В формулах (1) и (2) используются правила индексации, применяемые в механике твердого тела.

В работе показано, что для моделирования напряженно-деформированного состояния приогкосного массива пород наиболее целесообразной с точки зрения обеспечения точности и скорости вычисления является схема аппроксимации границы Б прямолинейными элементами с линейными интерполирующими функциями Ф*(х) и Фи(х). Нами были предложены аналитические формулы для вычисления интегралов в уравнении (1). По сравнению с традиционным их вычислением численными методами (обычно с помощью квадратур Гаусса) данный подход позволяет повысить скорость вычисления в 2-3 раза.

Решая систему (1), находят неизвестные граничные условия. Для нахождения смещений и напряжений в любой точке { внутри области П используются следующие уравнения (объемные силы опускаются):

р^Сг,?)*®"^»«*?)«^}; (2)

N

Е Щ - [Г Еийи.£)»Фи(х)*йЗ)»и2),

где + ^«¡ш'^Ььч)''

1Л,к,т = 1,2;

- постоянные Ламье;

• - символ Кронекера.

Нами также были получены аналитические формулы определения интегралов в уравнениях (2).

По вышеизложенной методике была разработана программа для ЭВМ, позволяющая оценить напряженно-деформированное состояние приоткос-ного массива горных пород. Результаты моделирования показывают, что под влиянием карста напряженно-деформированное состояние при-откосного массива значительно изменяется. Над и под карстовой полостью образуются зоны с пониженными вертикальными б^у и максимальными касательными тща;г н-лряжениями. В то же время боковые участки находятся в усиленно* напряженном состоянии: в этих участках могут увеличиваться- ¡ а 40-50%. В целом карст существенно изменяет напряженное состояние массива в пределах (1-1.5)»8|паг от центра полости - максимальный размер карста в поперечном

сечении). Карст, находящийся под нижней площадкой откоса, может являться причиной деформаций типа выпора, поскольку между ним и этой площадкой образуется зона, где горизонтальные сжимающие напряжения превышают соответствующие вертикальные. При нахождении карста на небольшом расстоянии от нижней подошвы откоса устойчивость массива между ними сильно снижается: Тцщ, в этом массиве увеличиваются в среднем 1.2-1.5 раза. В большинстве случаев наличие карстовых полостей ухудшает условия устойчивости откосов. Однако в тех случаях, когда карст находится на достаточно большом расстоянии от поверхности откоса, призма активного давления может

попадать в зону, где касательные напряжения уменьшены, и в результате общий коэдащиент запвса устойчивости откоса может немного увеличиваться (аналогичные результаты также были получены Д.М.Казикаевым и В.М.Можжериным на моделях подрабатываемых откосов).

На моделях однородного (квазиоднородного) откоса, нарушенного карстом, были проведены численные оценки влияния карстовых полостей на его устойчивость. В к юстве оцениваемого показателя используется величина относительного изменения коэффициента запаса устойчивости т)^^ (О.И.К.З.У.), определяемая выражением

где Пр.п^ - коэффициенты запаса устойчивости однородного откоса и откоса, нарушенного карстом.

В качестве базовых были приняты следующие параметры моделей: угол откоса а=30°, 40° и 50°; угол внутреннего -трения р =31°и сцепления пород в массиве с =0.2МПа, обьемная масса пород 7 =2.0 т/м'. Карст без заполнителя аппроксимируется эллипсом с радиусами И^д^О.5*5паз=0.2Н; Ни£гг=0.08Н. Угол 9 на вертикальном разрезе, определяющий ориентацию карстовой полости относительно горизонтальной оси, принимается равным а-30°. Координаты условного центра карста в локальной системе координат хОу с началом 0 у нижней подошвы откоса: В конкретных моделях отдельные условия

могут быть изменены в зависимости от поставленной задачи. Все линейные параметры нормируются по высоте' откоса Н. Для каждого из исследуемых параметров устанавливаются эмпирические формулы зависимости, качество предсказания которых проверяется по Р-критерию Фишера: Р =3*/5*ст > ?гр (Б* - дисперсия среднего; Э*ст - остаточная дисперсия; Р,_ -«минимально необходимое значение критерия).

Основные результаты исследований влияния местоположения одиночной карстовой полости на устойчивость откосов показаны на рис.1. Уста-

новлено, что зависимости т)шк№й) и т)от(£/й) имеют форму, близкую к параболе с ярко выраженными максимумами, которые соответствуют местоположению карста вблизи потенциальной поверхности скольжения откоса без карста, в большинстве случаев г)от >0, однако при нахождении карста на достаточно большом расстоянии от поверхности откоса т)ош может иметь небольшое отрицательное значение (около (-3)-(-4)%). Характер влияния карста зависит от величины угла откоса а: с уменьшением а кривые зависимости т)^^!^) и т)отн(У^) становятся болев пологими, соответственно увеличиваются размеры зоны взаимного влияния карста и откоса. Если ограничить нижний предел влияния значением ("По^)11 то наличие карстовой полости на горизонтальном расстоянии больше (0.5^4*^^)^(00 от поверхности откоса или на глубине ниже 3*Вжи/1£(а) от шишей площадки не влияет на устойчивость откосов. Аналитическая формула, описыва-пцая зависимость ))ш от местоположения карста, определяется в виде полинома 2ого порядка:

т1оин(г*'Уй) +с'хк'Ук +й*хЬ ¥е*Ук V (4)

Значения коэффициентов а,Ь,з,с1,е,£ для различных углов откоса приведены в таблице 1.

ТаОлиир I

а а Ь С й е в 5 2 иост ч ост Р

50° -24.6 -102.5 57.3 6.4 29.7 20.2 6.2 2.5 10.5 3.1

40° -19.г -76.6 38.2 18.9 7.1 15.3 8.8 3.0 7.3 3.9

30° -9.5 -54.9 20.5 14.9 1.4 12.7 9.2 3.0 4.7 2.6

Результаты моделирования условий устойчивости откосов при наличии карстовых полостей с различными максимальными размерами показывают, что между т)сш и существует достаточно устойчивая прямая связь, которая ш зависит от величины угла откоса и полоке-

8

© а =50° ук »0.2Н> © а =50° ук --0.6Н } @ а 00° ук «0.2Н © а-50^ =10Н } (5) а-50° >„ *12Н , (б) а 00° х, «1.2Н

Рис 1. Относительное изменение коэффициента запаса устойчивости откоса в зависимости от местоположения карстовой полости

н

Рис 2. Относительное изменение коэффициента запаса устойчивости откоса в зависимости от максимальйого размера карстовой полости

ния карста в горизонтальной плоскости (рис.2). В раСоте была установлена следующая эмпирическая формула:

3^=0.85 (3ОСТ=0.92); Г =49.2 > Г£р =3.3. где - фактическое и базовое значения максимального ради-

уса карстовой полости (1^^=0.213). Если по формуле (5) г)отнО<тх) <0, то О.И.К.З.У. принимается равным нулю.

Геометрия карста характеризуется отношением р = ^п'^тах' Уста" новлено, что между Т}0т и р существует прямая связь: наименьшее влияние на устойчивость откосов оказывает карст вытянутой формы. В работе предложена следующая эмпирическая формула:

лт>р = т1пи<Р>"'Ьи<Рв> - <-2Э.3.0.01Р +4.5)»^ : (6)

^ст=0-37 <3ост=0-61): * =г7-° > *ер =3-5' где р0=0.4 - базовое геометрическое соотношение.

Результаты исследований влияния ориентации карстовых полостей в вертикальной плоскости 0 на устойчивость откосов показывают, что наиболее опасными являются те полости, большие оси которых направлены под углом % = (а+р/2-45°,, к горизонтальной оси Ох (а - угол откоса; р - угол внутреннего трения). В работе была установлена следующая эмпирическая формула:

Ат)е ^от^-^отЫ т _____

= 23.5*(1.б-уй)»\Л1шг +0.83» (1 -р)*!соз' (в~XJ~1 }} ; (7)

^ст=3-2 <3ост=,-8>: 5 И4-6 > Кр =4-2-Наличие заполнителя может значительно уменьшать влияние карста

на устойчивость откосов. Для упрощения в работе предполагается

пропорциональное изменение модуля упругости, сцепления и тангенса

угла внутреннего трения пород, т.е.

Е, С„ tg(p ) и = —- = —§ = " , (8)

е, С4 гВ(рл)

где индекс "а" соответствует заполнителю карста, а "л"- вмести-

телю. Результата моделирования показывают, что при нахождении карста вблизи потенциальной поверхности скольжения зависимость 71от^ 101,967 лилейный вид. При отдалении карста от поверхности скольжения наиболее существенные изменения его влияния на устойчивость откоса наблюдаются при наличии заполнителя с прочностью в пределах 50% от прочности вмещающих пород; более прочный заполнитель не дает дальнейшего ощутимого увеличения устойчивости откоса (рис.3). Статистическими методами была получена следующая формула:

u * ^ от M'W0» - (1-ш)г ; (9)

Sfcr=0.0035 <SOCT=0.06); F=19.0 > ?гр =4.2.

где г = 1.2 +5.8»Ija -t.5» Уyk/tg(a) )*tg(а):

^сллн*0' ~ под влиянием пустого карста.

Влияние карста на устойчивость откосов зависит от прочностных характеристик приоткосного массива горных пород. Исследования на моделях, в которых величина сцепления С закарсговашгаго массива изменяется в диапазоне от 0.1 до О.ЗМПа и угол внутреннего трения р » 22.6°-35.8°, показывают, что между коэффициентом запаса устойчивости п и С существует устойчивая прямолинейная связь (коэффициент корреляции гпо =0.96). В работе было построено следу:тщее уравнение регрессии:

А»ДС

n(CUC) - n(C) = -¡- ; (10)

°-25 +

soct=0-°°5 <SOCT=0.07); F=6.8 > ?гр «з.Г.

где A =tg(a)/(tg(aJ-0.284);

3_

В =0.14 + VTgTaJ*(0.14<z^-0.38»y^-0.09).

Из формул 0J и (1 ) можно определить т)^^:

А*(С-С„) (100-т)?° ) 100

Ч -Wc0)= Те '-—--> ■<">

П0 0.25 0.25 +VRmr*B

где Сб =0.2 МПа - базовая величина сцепления;

Q

nQ - коэффициент запаса устойчивости откоса без карста с

Рис. 3. Изменение коэффициента и в зависимости от характеристики и заполнителя карстовых полостей

Рис. 4. Изменение коэффициента сЗ в зависимости от угла наклона /3 прямой, соединяющей условные центры карстовых полостей

фактическим сцеплением С.

Между т]от и тангенсом угла внутреннего трения наблюдается достаточно четкая прямолинейная зависимость, при этом коэффициента уравнения регрессии определяются углом откоса, местоположением карстовой полости и ее размерами:

Лт>р ^от^ " 1стн <Ро> =

г г— и.ьи

- [ГвГр;-^(р0Л»УНпиг»[-0-88»хй+1.27»угг-0.11 ♦ ^)»100* ; (12)

Б*ст=0.Т2 (3ОСТ=0.85): V =12.3 > Г^ =4.2. где рб=31°- базовый угол внутреннего трения горных пород.

Исследования совокупного влияния нескольких карстовых полостей на устойчивость откосов проводились на моделях серии М, включаодой 4 группы М1-Ы4. В каждой группе фиксировалось местоположение одного карста и перемещался другой. При этом первый ("фиксированный") карст выбирался по возможности так, чтобы его влигаие преобладало над влиянием последнего ("перемещаемого"). Численная оценка производилась по коэффициенту а, определяемому из выражения

^оби» =^1 + • (13)

где - общее О.И.К.З.У. под влиянием двух карстовых полос-

тей;

т)1 ,т)2 - О.И.К.З.У. под влиянием фиксированного и перемещаемого карста (т)1 > г)^).

Результаты моделирования позволяют установить, что при наличии в массиве вблизи откоса нескольких карстовых полостей их общее влияние на устойчивость не является простой суммой влияний ;;аздой в отдельности, а несколько меньше (косф&щивнт Д не превииает 0.80.9). Между коэффшгиентом а и углом наклона 0 прямой, соединяющей центры полостей, наблюдается достаточно четкая зависимость: максимальное значение а достигается тогда, когда угол (3 близок к направлению распространения поверхности разрушения в откосе с фккси-

рованным карстом <р (рис.4), т.е. когда второй карст попадает на потенциальную поверхность скольжения. Фактически <1 не зависит от расстояния между полостями. Статистическими методами построена следующая эмпирическая формула:

й =0.12+0.07'2«{1+созГ2»Гр-<р^+0.05»соа('р-<р;)э ; (14)

Бост=0-0т13 ^ост*0-11* =4'9 > *гр =4-2-где р - угол между прямой, соединяющей центры двух полостей, и

осью Ох; угол <р определяется выражением

<р =(35°+р/2)-(90°-а)*е х1**8(а)*у1 , (15)

где - нормированные координаты центра "фиксированной" кар-

стовой полости.

Важным параметром при оценке устойчивости откосов является ширина призмы возможного обрушения. В качестве оцениваемого показателя в работе используется величина отодвигания линии скольжения: Д1 я (Бд - Б0)/Н, где ширина призм возможного обрушения

закарстованного и однородного откосов. Установлено, что с отдалением карста от поверхности откоса отодвигание линии скольжения плавно увеличивается, после достижения некоторого максимума А1 резко уменьшаемся до нулевого значения. Этот участок характеризует область взаимного влияния карста и откоса. Численно Д1 может иметь отрицательное (карстовая полость находится в призме возможного обрушения) или положительное значение. Статистическими методами

установлена следующая зависимость:

1.17»уь+0.33 1.20

¿1-----(1.08«уь+0.76)«1ги0.90 -0.94«Гь+2/ь+ - ) : С'6)

(уй+1 )*гв«х) * . и »я ¡е(а)

3*^=0.0026 (3ОСГ=0.05); Р =24.4 > ?гр =4.5.

Формула (16) используется для нахождения ширины призмы возможного обрушения, если 'Пош>0. при принимается Д1=0.

Результаты исследований влияния карстовых полостей лежат в основе предлагаемого нами метода оценки устойчивости откосов в усло-

виях закарстованности. Основная идея при разработке метода заключается в разделении карста на два класса: "крупный" и "мелкий" (крупными считаются те карстовые полости, каждая из которых в отдельности может изменять устойчивость откоса на 2-3* и более). Откос с мелким, равномерно распределенным кврстом считается квазиоднородным и оценка его устойчивости производится инженерными методами с поправками в прочностные и плотностные характеристики за закарстованность. Оценка влияния крупных карстовых полостей производится по итерационной схеме: сначала определяются приближенные параметры откоса, по ним рассчитывается относительное изменение коэффициента запаса устойчивости откоса по формулам (4)-(15). Полученное значение используется для корректировки прочностных характеристик массива, по которым определяются новые (уточненные) параметры откоса. На рис.5 представлена блок-схема расчета продельной высоты эакарстованного откоса.

Критериями для выделения крупных карстовых полостей являются следующие признаки:

- максимальный размер карста S^^, больше 0.1 Н;

- горизонтальные расстояния от поверхности откоса да превышают (0.5H+2*Sfflar)/tgra;, а глубина нахождения относительно нижней подошвы откоса не превышает 1 ^»S^^. /tg(a).

Скорректированные с учетом влияния мелкого карста прочностные и плотностные характеристики С^.Р^Л^ определяются по формулам, предложенным A.B.Шабурниковым:

С^ = [С^е-0-03^*1^0-1) ; (17)

tg(=-й-S- ; (18)

A 100

Ja* (100-í ) +7„*í 7 = -JA-ё- , (19)

* 100 где CH - сцепление в массиве;

P3.PÖ - углы внутреннего трения заполнителя и вместителя;

Ig,7g - обьемная масса заполнителя и вместите ля; f - линейный коэффициент закарстованности; k -=GK/G3 - отношение прочностей вместите ля и заполнителя. Если кврст пуст, то к =150.

Аля каждого выделенного крупного карста (с номером I) определяются О.И.К.З.У. в зависимости от его местоположения и поправки (4ijij)tl(ATjp>t><AT}9)i,(ATjc)tP(AHp)t,ttt по формулам (4)-(12). При вычислении и( в формуле (Э) показатель ш определяется трижды, сначала как Vp=tg(p3)/tg(pk), а затем ис=Сэ/Сй a ue=E3/Eft. Окончательное значение и£ определяется как среднее из трех полученных результатов. Относительное изменение коэффициента запаса устойчивости под влиянием отдельной t-oü карстовой полости определяется по формуле

<Wt " tW4' >¿+ <4Т»Д)ct(А*^)(-»(Ат^)t+«AT)c)t+(AT)p)t]*ut . (20)

Если по формуле (20) т)шн отрицательно, то оно принимается равным нулю. Общее О.И.К.З.У. под влиянием т крупных карстовых полостей определяется выражением

V3"J,V(Wt* (21)

где df , если I - номер карста с максимальным влиянием; в остальных случаях dj определяется по формулам (14) и (15).

Скорректированные с учетом влияния крупных карстовых полостей прочностные характеристики определяются по формулам:

«W^k*«1"-^ 5 (22) R 100

р^. =arctg[tgfp)»(l--2^)] . (23) 100

Для обоснования необходимости следующего шага итерации предложено использование следующего критерия, в случае выполнения которого расчеты прекращаются:

-2» < (T)pe3)J-(V3)J-i < 2* , (24)

где J - номер текущего цикла итерации (если J=1, то (Ирез^'"01,

Рис.5. Блок-схема определения высоты эакарстоватгаго откоса

17

Разработанный метод применяется для расчета параметров Южного борта карьера Тин-Тук (СРВ). Одним из основных факторов, снижающих устойчивость откосов на карьере, является широкое развитие карстовых процессов: линейный коэффициент закарстованности составляет около 2%. Результатом расчета установлены значения угла откоса борта в пределах от 46.5 до 51° при его высоте 70-9С1л. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов расчета составляет 3.7 млн. донг/год.

Объектами изучения карстовых процессов служат толщи растворимых трещиноватых пород (чаще всего карбонатных), подверженные интенсивному воздействию подземных вод. Особая опасность, вызванная карстовыми процессами горным работам, требует проведения специальных мероприятий обеспечения безопасности при разработке закарсто-ванных месторождений. При этом необходимо решить задачи, связанные с выделением и литологической характеристикой массива растворимых пород, выявлением экранируюдей роли водоупорных образований, определением местных и региональных водоупоров, картированием древних погребенных эрозионных врезов, являющихся базисами карстования. Особое внимание должно уделяться изучению тектонических структур, благоприятствующих развитию карста, в первую очередь разрывных нарушений и сопутствующей им трещиноватости. Применительно к открытым горным работам применяются два класса методов карстовой защиты: активные - устраняющие причины активизации карстовых процессов, и пассивные - предотвращающие разрушительное воздействие карстовых деформаций. В работе подробно рассмотрены технологические схемы сооружения противофильтрацконных завес и проведения тампонажных работ, а также схемы укрепления карстовых полостей, подсеченных горными выработками. Исходными данными для выбора и проведения мероприятий карстовой защиты служат результаты районирования территории по карстовым явлениям.

18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи разработки метода оценки устойчивости бортов карьеров при наличии карстовых полостей.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации, полученные при выполнении работы, заключаются в следующем:

1. Применение линейных функций аппроксимации смещений и напряжений при использовании метода граничных элементов для моделирования напряженно-деформированного состояния закарстованиого массива горных пород вблизи откосов позволяет разработать эффективный алгоритм, основанный на аналитическом вычислении гатегралов по граничным элементам.

2. Наличие карстовых полостей в приоткосном массиве горных пород вызывает существенные изменения напряженно-деформированного состояния, заключающиеся в образовании областей повышенных и пониженных напряжений вокруг полостей, увеличении касательных напряжений в массиве между карстом и откосом на 20-50%, преобладании горизонтальных напряжений над вертикальными в зоне над карстом.

3. Установлено, что наибольшее влияние на устойчивость откоса оказывают карстовые полости, находящиеся вблизи потенциальной поверхности скольжения (без карста) и имеющие ориентацию на вертикальном разрезе по направлению %=(а+р/2-45°) к горизонтальной оси; с увеличением размера карста относительное изменение коэффициента запаса устойчивости увеличивается пропорционально его логарифму;

вытянутость карста тюкает его влияние на устойчивость откосов.

0

4. Установлено, что наличие заполнителя карста, имеющего прочность в пределах 60% от прочности вмещающих пород, ослабляет влияние карста на устойчивость откоса в несколько раз.

5. В результате исследований получена линейная форма зависимости

19

между коэффициентом запаса устойчивости закарстованного откоса и величиной сцепления в массиве; между относительным изменением коэффициента запаса устойчивости и тангенсом угла внутреннего трения горных пород массива.

6. Установлено, что общее влияние двух карстовых полостей на устойчивость откоса зависит от влияния каждой в отдельности и от ориентации прямой, соединяющей их условные центры.

7. Разработан метод оценки устойчивости откосов в условиях закарстованности, основанный на разделении карста на 2 класса -"мелкий" и "крупный". Откос с мелким, равномерно распределешшм карстом считается квазиоднородным, а оценка влияния крупных карстовых полостей производится с использованием полученных в работе зависимостей по итерационной схеме.

Результаты работы использованы для расчета параметров Южного борта карьера Тин-Гук (СРВ). Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 3.7 млн. донг.

В ходе выполнения работы была опубликована следующая статья:

В.Н.Попов, К.Б.Чан. Применение метода граничных элементов в расчетах устойчивости откосов —Маркпейдерский вестник, 1994, Н°2, с. 74-81.