автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Разработка научных основ расчета устойчивости слоистых прибортовых массивов на угольных разрезах

Министерство топлива и энергетики Российской федерации НАУЧЮ-МОСДЕДОВАШЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА (ВНИМИ)

Уральский филиал

На правах рукописи

АФАНАСЬЕВ Борис Гаврилович

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ СЛОИСТЫХ ПРИБОРГОВЫХ МАССИВОВ НА УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗАХ

Специальность 05.15.01 - "Маркшейдерия"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1992

Работа выполнена в Уральском филиале Научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского д« (ВНИМЮ Минтопэнерго РФ. Официальные оппоненты:

Доктор технических наук,ст.научный сотрудник Галустья* Доктор технических наук,профессор Певзнер М.Е. Доктор технических наук,профессор Туринцев Ю.И. Ведущая организация - Государственный проектный институт "Уралгипрошахт"

Защита состоится " " ^lxq-^P_1992 г. в /г? щ

на заседании специализированного совета Д.135.06.0Г в Hayn исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдер кого дела (199026, Санкт-Петербург, В-26, Средний просп., 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке инститз

вниш.

Автореферат разослан CiCL-püLj 1992 г.

U.&X. л/ / /;///

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук

В.М.Шк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАВОТМ

"Актуальность проблемы. Тенденции раз-яя" угле до б ыващце й промышленности страны свидетельствуют о ьнейшем росте добычи полезного ископаемого наиболее эффек-ным открытым способом разработки, удельный вес которого к О году будет составлять около 60#. Учитывая, что основной ем добычи при этом будет приходиться на существующие уголь-разрезы, следует ожидать дальнейшее возрастание их глубины, личение срока службы и вовлечение в эксплуатацию участков, одяиихся в более сложных горно-геологических условиях.

В данной ситуации особенно остро встает проблема обеспе-ия устойчивости боргов разрезов, связанная с установлением более оптимальных параметров открытых разработок. Важность й проблемы обусловлена тем, что завышенные угли наклона бор-приводят к проявлению оползневых явлений, нарушению техно-ического процесса разработки, безопасности ведения работ и 'ерям запасов угля, а излишне пологие углы наклона бортов гедствие возрастания объемов вскрышных пород значительно дшают технико-экономические показатели'разрезов и могут при-;ти к нерентабельной работе предприятий.

За последние десятилетия вопросы горной геометаники приме-'ельно к открытому способу разработки Получили наибольшее шитие, были разработаны методы изучения напряженного состоя-I, характера деформирования откосов и необходимых в расчетах рактеристик сопротивления сдвигу массивов горных пород. Раз-5отаны основы теории предельного равновесия пород в откосах теоретически обоснованы инженерные методы расчета их устой-вости для большинства встречаемых на практике типовых случа-ориентировки в массиве поверхности сколъжен-мя в зависимости геологического строения пород.

В то же время, как показывает практика открытых разрабо-к, использование данных известных расчетных схем в реальных ловиях довольно часто становится невозможным в связи с более ожным характером проявления деформаций слоистого массива, тречащимся, с одной стороны, по причине еще не изученного я ряда случаев механизма нарушения устойчивости откосов и, другой стороны, - в результате разнообразия имеющего место . практике залегания пород даже в пределах одного рассчитыва-ого борта разреза.

Это обстоятельство требует выявления и комплексного решек задач для встречающихся на практике более сложных условий устс чивости бортов разрезов,, связанных как с нетрадиционным прояв; нием деформаций и напряженного состояния слоистых откосов (noi рот и опрокидывание слоев, их "выпучивание", консольный сдвиг ^массива), так и с горно-геологическими и технологическими факт рами, когда требуется рассмотрение объемного распределения де! ствующих в массиве сил. В связи с чувствительностью методов рг чета устойчивости откосов к точности определения исходных физк ко-иеханических характеристик пород необходимо также более детальное изучение влияния структурных особенностей, реологичеср и деформационных свойств пород на прочность массива, а также разработка лабораторных и натурных методов их изучения.

Актуальность исследований по данной народно-хозяйственное проблеме подтверждается непосредственной их связь» с ранее существующими отраслевыми планами 19б9-1989г.г. Минуглепрома ССС и планами института ВНИМИ по следующим основным темам: "Разрас тать и внедрить эффективные способы и средства охраны сооружений... и определения устойчивости бортов разрезов и отвалов кг основе изучения процессов сдвижения горных пород и технико-экс ионической целесообразности" (Проблемный план АН СССР, пробл. 3.8.1.2 и 3.8.1.7), "Разработать рекомендации по прогнозу дефс маний боргов, уступов и внутренних отвалов и способам их предз преждения на разрезах при использовании оборудования большой единичной мощности и поточной технологии" (ГЮ 23910), "Соверпк стювание мер охраны подрабатываемых сооружений и природных о< ектов, методов оценки устойчивости бортов глубоких разрезов и откосов отвалов в сложных геологических условиях..." (ЦКОП Ь 2

Целью работы является повышение эффективности открытых разработок угольных месторождений путем установления оптимальных параметров бортов разрезов на основе создания komi лекса теоретически обоснованных и доступных для практического использования методов расчета устойчивости слоистых откосов, соответствующих реальным более сложным условиям деформирована горных пород.

Основная идея работы заключается в использовании выявленных особенностей механизма деформирования слоистых массивов в откосах при разработке методов расчета устойчивости бортов угольных разрезов.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие основные группы задач:

I. Разработать с использованием методов статики сыпучей

;ды основы решения задач построения выпукло-вогнутых откосов Гмульдообразном залегании слоев и в массиве-с крутопадащими 5ерхностями ослабления с учетом наложения полей действующих тряжений (разрывных полей напряжений).

2» Изучить особенности и механизм нарушения устойчивости сосов при деформировании пород в виде поворота и опрокидывания попадающих слоев, установить влияние углов наклона слоев, их шосги, прочности пород, характеристик трения по контактам и змы профиля откосов на параметры деформирования массива, опреть условия устойчивости откосов при наличии в массиве текто-¡еских нарушений.

3. Разработать принципы оценки предельного равновесия мас-¡а с крутопадающей слоистостью и на их основе создать иняенер-! методы и схемы расчета устойчивости бортов разрезов при союзном, обратном и вертикальном залегании слоев. Изучить меха-¡м обруиения заоткопенного по наслоению массива в виде "выпу-¡ания" слоев и разработать соотвётствующув методику расчета :ойчивости откосов.

Ъ. Изучить особенности деформирования слоистых откосов, содяцнхся в едояннх'горно-геологических условиях, и разрабо-:ь методы расчета их устойчивости'для следующих случаев:'

- при различной ориентировке откосов по отношению к элемен-I генеральных'направлениА анизотропии горных пород, включая гчаи криволинейной формы откосов в плане;

- при наличии мульдообразно залегающих естественных повер-ютей ослабления большой кривизны;

- при ограниченной по простиранию длине участков борта /<Ц (изменчивая форма залежи, цригрузка борта внутренними 1алдми, торцевые участки, ослабленные зоны и т.п.);

- при отработке запасов поперечными заходками.

5. Установить влияние реологических свойств пород.« их |уктурных особенностей на прочность массива и разработать на

|Я основе методы определения исходных механических характерис-

используемых в расчетах устойчивости бортов разрезов.

6. На основании обобщения результатов исследований пробле-разработать схемы расчета устойчивости слоистых откосов, на-дщихся в сложных условиях проявления их деформаций, и опреде-ь критерии управляемой отработки бортов разрезов при ведении шх работ на деформирующихся участках.

Методика исследований заключалась в лизе существующих методов расчета устойчивости откосов, обоб-ии встречаемых на практике случаев более сложных условий их

деформирования, натурных наблюдениях на различного типа уго: них месторождениях, аналитическом рассмотрении предельного ] нсвесия массива при разработке инженерных методов расчета у< тойчивости откосов, лабораторных исследованиях на образцах 1 моделях из эквивалентного материала, сопоставлении получены! теоретических и экспериментальных данных, включая проверку 1 на практике.

Научные положения, выносимые на защиту

- механизм деформирования слоистых прибортовых массиво) углами обратного падения пород ]3 > 45° не связан с традищ онньм формированием в откосах единой поверхности скольжения заключается в межслоевых подвижках, повороте и последующем ( рокидывании слоев в выработанное пространство;

- предельное равновесие слоистых откосов с крутопадающ углами падения слоев в массив определяется совместными уело: ями среза пород вкрест наслоения в призме упора и условиями сдвига по контактам слоев.при их повороте в призме активное давления;

- предельно-напряженное состояние откосов при наличии гласно падавщих отдельных поверхностей ослабления ( ракгеризуется возникновением в массиве разрывных полей напр ний и определяет выпукло-вогнутою форму их профиля;

- при оценке устойчивости откосов, простирание которых совпадает с простиранием согласно падающих поверхностей осл ления, должно учитываться формирование в массиве призмы обр ния в виде нависающей консоли, смещение ее под углом к лини падения откоса (в направлении максимальной крутизны контакт и отрыв подрезанных пород по боковой грани от основного мае ва;

- при проведении расчетов устойчивости бортов разрезот должно учитываться изменение механических характеристик мае вдоль криволинейных поверхностей скольжения в зависимости с углов встречи отдельных их участков с генеральным нaпpaвлe^ анизотропии пород;

- управление устойчивостью бортов разрезов находится г разрывной связи со спецификой проявления деформаций слоист! откосов и возможно на основе полученных данных по величина! скоростям смещения приборгового массива»

Достоверность научных положений, выводов рекомендаций обеспечивается результатами аналитических исс. дований в области статики сыпучей среды и предельного равю сия пород в откосах при различном механизме их деформирова

>голетними. натурными исследованиями характера деформирования шьных бортов разрезов со всевозможными условиями залегания зод, многочисленными лабораторными исследованиями деформаци-шх и прочностных свойств горных пород, исследованиями про-¡сов деформирования откосов на. моделях (в общей сложности ] опытов), обобщением основных вопросов проблемы и сопоставле-зм полученных результатов с данными натурных и лабораторных ;ледований, а такие результатами внедрения разработок в услог IX производства.

Научная новизна работы заключается в

- развитии методов статики сыпучей среды с использованием эжннх разрывных решений при построении равноустойчивых выпук--вогнутых откосов для ранее нерассмотренных случаев наличия в зсиве крутопадащих поверхностей ослабления, а также с нахож-¡шем условий специального предельного равновесия при мульдо-разном залегании слоев;

- установлении натурными исследованиями и моделированием явственно отличающегося от общеизвестного механизма потери тойчивости откосов в виде поворота и опрокидывания кру'топада-их слоев, "выпучивания" их при заоткоске пород по наслоению, зворота в плане и среза по боковой грани нависающего в виде нсоли массива;

- разработке принципиально новых концепций подхода к расту устойчивости слоистых откосов при соблюдении необходимого ловия статики-равенства нули суммы моментов действующих сил, также разработке ранее не известного в расчетах устойчивости ртов разрезов графического метода определения реакций между :оками при построении силовых и веревочных многоугольников;

- разработке инженерных' методов и схем расчета устойчивос-I бортов разрезов для комплекса влияющих горно-геологических жторов: при диагональном по отношении к борту залегании слоев, :лючая криволинейную в плане его форму, при наличии криволиней-¡х поверхностей ослабления, наличии ограниченных по простирании тстков, при отработке запасов поперечными заходкаии, отличаются от известных методов учетом полученных натурными и экспе-шентальными исследованиями закономерностей деформирования юсива;

- разработке лабораторных и натурных методов определения зходных характеристик прочности массива о учетом проявления эологических свойств горных пород и их структурных особеннос-;й, позволясцих повысить точность проводимых расчетов устойчи-эсти бортов угольных разрезов.

у

Личный вклад автора в получении научных резул татов:

- на основании анализа натурных исследований и проведенн го моделирования выявлены и обобщены условия проявления дефор ций откосов, находящихся в сложных горно-геологических услови и получены основные зависимости влияющих факторов на их устой вость;

- получены аналитические решения равноустойчивых откосов массиве при мульдообразном залегании слоев и с крутопадающими поверхностями ослабления при возникновении сложных полей дейс ющих-напряжений;

- исследованы механизм, закономерности деформирования и~ критерии оценки устойчивости откосов при повороте и опрокидыв нии слоев в выработанное пространство;

- разработаны и экспериментально проверены инженерные ме тоды и схемы расчета устойчивости слоистых откосов для компле са ранее не рассмотренных условий проявления их деформаций;

- разработаны методы определения сопротивления сдвигу tj щиноватого массива при различном ориентировании поверхности скольжения и массивов слабых пород по наблюдениям за микродеформациями откосов, ускоренные методы определения длительной прочности пород в образце и по их контактам;

- рассмотрены практические вопросы изучения деформаций бортов разрезов и безопасного ведения горных работ на деформи ющихся участках.

Практическая1 ценность работы. Разработанные инженерное методы и схемы расчета устойчивости слоистых откосов позволяют определять оптимальные параметры С тов разрезов, находящихся в сложных условиях напряженно-дефор мированного состояния, для которых применение существующих ме тодов является неприемлемым. Использование методов изучения прочности пород повышает точность нахождения их механических характеристик и, следовательно, параметров бортов разрезов.

Полученные разработки рекомендуются для практического ис пользования на всех стадиях проектирования, строительства и с сплуатации угольных месторождений. Их внедрение позволяет обе печивать безопасные условия отработки запасов при сокращении объемов вскрышных работ.

Реализация работы. Разработанные методы расчета устойчивости откосов нашли практическое применение п] выдаче конкретных рекомендаций по оптимальным параметрам бор] разрезов и ведению горных работ на ряде угольных и других мес

рождений. Из наиболее крупных предприятий, где происходило ;дрение разработок, можно отметить отличающиеся многообразием рно-геологических условий угольные разрезы производственных ьединений "Челябинскуголь", "Башкируголь", "Красноярскуголь". сомендации внедрялись непосредственно объединениями и через >ектные институты при составлении проектов разработки, рекон-рукции и доработки разрезов с существенным экономическим эф-стом по ряду предприятий.

Разработанные методы изучения прочностных свойств пород начены в "Инструкции по расчету устойчивости бортов разрезов i их ликвидации и обеспечению сохранности прилегающих к разре-i территорий" (JI.,1977), согласованную с Госгортехнадзором Л5 й утвержденную Ийнуглепромом, а также в "Методическое по-5ие по изучению инженерно-геологических условий угольных мес-рождений, подлежащих разработке открытым способом" (ВНИМИ, ,1986).

Апробация работы. Основные положения диссер-1ии докладывались и обсуждались на научно-технических конфе-щиях: "Методы борьбы о деформациями'бортов карьеров" (Сибай, 72), "Совершенствование маркшейдерской службы на горных пред-1ятиях Урала (Свердловск,197*0, "Проблемы развития и совер-ютвования открытого способа добычи угля и сланца" (Челябинск, 31), "Научно-технические проблемы повышения эффективности ра; и совершенствования маркшейдерской службы на горных пред-1ятиях страны" (Свердловск, 198О, "Проблемы разработки карье-з и пути'их решения" (Кривой Рог.1987), на научно-технических зетах института ВНИМИ и его филиале (Ленинград-Свердловск, 75-1990), научно-технических совещаниях производственных объе-5ений и института "Уралгипрошахт''.

Публикации. Основные положения диссертации отраже-в 27 печатных работах, опубликованных в издательствах, вклю-лшх в утвержденные ВАКом СССР списки.

Объем и структура работы. Диссертация ;тоит из введения, 8 глав и заключения, содержит 245 страниц оинописнсго текста, 8** рисунка, 17 таблиц, приложение и список юльзованной литературы из 120 наименований. Материал диссер-1ии представлен двумя разделами с отдельной вводной главой, в горой приводится постановка и краткий анализ состояния изучении основных вопросов проблемы. Первый раздел (главы 2-5) зючает решение задач первых четырех групп (см. "Задачи иссле-заний"), второй (главы 6-8) - последних, где приводится разра-*ка методов изучения исходных характеристик прочности пород,

обобщение результатов исследований и практические вопросы ре^ зации разработок на практике.

СОДЕРШШЕ РАБОТЫ

Расчеты устойчивости бортов угольных разрезов вплоть до настоящего времени ведутся, в основном, по общеизвестным типо вым схемам, разработанным для различных условий залегания пор ГЛ.Фисенко и рекомендуемым для практического использования действующими нормативными документами. Однако за период почти четверти века после их создания в связи с увеличением глубины открытых разработок и вовлечением в отработку участков, нахол щихся в сложных горно-геологических условиях, зафиксировано множество случаев неприемлемости известных схем расчета для и лей практики. Это обусловлено более сложный характером прояв; ния деформаций слоистого массива, встречавшимся, с одной сто{ ны, по причине еде -не изученного для ряда случаев механизма ь рушения устойчивости откосов и, с другой стороны, - в резульч те разнообразия имеющего место в натуре залегания пород, с.че постоянно приходится сталкиваться в условиях реальных открыт! разработок.

Данная проблема, возникшая прежде всего перед произволен вом, требует выявления и комплексного решения задач более сл< ных условий обеспечения устойчивости бортов разрезов, связан! как с нетрадиционным проявлением деформаций и напряженного с< гояния слоистого массива, гак и с разнообразной ориентйровко! выработок по отношению к элементам залегания пород, когда тр буется рассмотрение объемного распределения действующих сил.

Под сложными условиями здесь понимаются такие условия, когда нарушение равновесия массива, происходящее под воздейс вием гравитедионных сил, связано не только со сдвигом пород наиболее слабой поверхности скольжения, но и с другим механи мом деформирования горных пород, а откосы в плане и профиле имеют более сложную форму.и в пределах отдельных участков от чаются переменными параметрами, свойствами пород и элементам их залегания. Иными словами, в работе рассматриваются те име цие в натуре место условия деформирования слоистого массива, для которых к настоящему времени не созданы более или менее приемлемые схемы расчета их устойчивости.

В главе I борта угольных разрезов рассматриваются как » кусственные инженерно-технические сооружения, имеющие сложн) форму и выполненные из естественного материала - слоистых гс

х пород, разнообразных как по структурным их особенностям, к и по своим свойствам. Эксплуатация таких сооружений должна ть, с одной стороны, безопасной и не допускать нарушения тех-логического процесса разработки полезного ископаемого вслед-вие возможных оползневых явлений и, с другой стороны, должна оизводиться с минимально возможными объемами сопутствующих крышных работ, т.к. даже незначительные изменения параметров косов существенно сказываются на технико-экономических пока-телях угледобывающих предприятий. Все это предъявляет особые ебования к точности непосредственно методов расчета устойчи-сти бортов разрезов и определения исходных физико-механических рактеристик массивов горнах пород.

В отличие от других геотехнических сооружений борт угольно-разреза характеризуется следующими основными признаками:

I. Слагающие откосы породы имеют осадочное происхождение довольно четкой их анизотропией (слоистостью массива), повинной пористостью, влажностью и низкой прочностью со склонно-ъю к проявлению пластических деформаций.

2» В связи с большими объемами добычи и вскрыши на разре-.х условия устойчивости бортов по мере отработки запасов непре-1Вно меняются, т.е. их нужно рассматривать находящимися в ди-мическом состоянии:

- меняются геометрические параметры бортор по их высоте и плане в связи с углубкой разрезов и отработкой запасов на раз-1чных участках по площади месторождений;

- по мере подвигания фронта работ меняются состав, прочить и условия залегания пород, вследствие чего происходит пе-¡распределение действующих в откосах напряжений и изменение »ложения и формы наиболее слабой поверхности скольжения;

- меняются гидрогеологические условия массива, приводящие изменению условий устойчивости откосов.

3» Борт разреза, как геотехническое сооружение, должен осматриваться в комплексе с внутренними отвалами в связи с »влечением последних в единый геомеханический процесс.

Ч. С целью улучшения экономических показателей угольных эедприятий отработка запасов в большинстве случаев ведется при шимально возможных объемах вскрышных пород с минимально допустит коэффициентами запаса устойчивости борта. При отсутстйии 1 прибортовой полосе охраняемых объектов горные работы созна->лъно ведутся в условиях деформаций массивов под контролем их .помощью проводимых инструментальных наблюдений.

Учитывая данные обстоятельства, в работе рассматриваются

этапы проведения исследований условий устойчивости и определения параметров бортов разрезов на стадии предварительной разве; ки месторождений, при подготовке исходных данных для проектирования, в период эксплуатации месторождений и постановки бортов на контур погашения» На основании анализа и обобщения имеющих з натуре место нарушений устойчивости слоистых откосов проведено выявление и классификация сложных условий проявлений деформаци! бортов разрезов.

Отмечается встречаемость еще не'изученного механизма поте] устойчивости откосов как по характеру своего проявления, так и связи с более сложным взаимным расположением горных выработок 1 генеральных направлений анизотропии пород. Характерной особенн< стью проявления рассматриваемых условий устойчивости откосов я! ляется наличие их деформаций задолго до наступления предельной состояния, что дает возможность широко использовать методы управления устойчивостью бортов разрезов и вести горные работы нг деформирующихся участках при минимальных объемах вскрышных рабе

Касаясь состояния изученности основных вопросов устойчивое ти бортов угольных разрезов, в работе рассмотрено поэтапное ра; в-итие исследований, связанное с именами С.Л.Иофина, И.П.Пономарева, С.И.Попова, Ю.Н.Малюшицкого, а также с группами исследовг телей в институтах ВНИМИ (Г.Л.Фисенко), "Унипромедь" (Ю.И.Ту-ринцев), ГИГХС (М.Е.Певзнер), ИГД им.А.А.Скочинского (А.М.Демин), КарГМ (И.И.Попов), ВИОГЕМ (А.И.Ильин), ИГД МЧМ (В.Г.Зоте-ев) и "др. В качестве механико-математической основы методы расчета устойчивости откосов базируются на теории предельного равновесия, связанной с именами В.Ренкина, Л.Прандтля, В.В.Соколовского, С.С.Голушкевича и других ученых.

Относительно состояния изученности наблюдаемых в натуре более сложных условий устойчивости бортов разрезов, отмечается недостаточная степень проработки рассматриваемой проблемы. Име! щиеся отдельные исследования либо охватывают только единичные случаи, либо в силу отсутствия фактического материала находятс: на уровне постановки вопросов. Данное обстоятельство требует изучения ранее не учитываемого характера деформирования реальн] бортов разрезов и разработки конкретных инженерных методов рас' чета их устойчивости.

Достоверность проводимых расчетов устойчивости бортов раЗ' резов во многом зависит от точности определения используемых для этих целей исходных фчзико-механических характеристик горных пород. Исследования го данном/ вопоосу, включая изучение структурных особенностей и реологических свойств массива, из-

!стны по трудам Г.Н.Кузнецова, С.С.Вялова, Г.Л.Фисенко, М.Н. >льдштейна, Д.Н.Кима, И.Е.Певзнера, А.Б.Фадеева, Ю.М.Карташова других исследователей.

Однако применительно к слабым породам угольных месторожде-!Й для решения практических задач расчетов устойчивости бортов срезов ряд вопросов остается нерешенным. Сюда относятся недос-тзчная обоснованность, низкая точность и трудоемкость методов феделения длительной прочности пород, включая их контакты; от-гтствие критериев перехода от длительной прочности образца к штельной прочности массива; неучет влияния различной ориенти->вки участков поверхности скольжения в откосе к элементам тре-!Новатости массива на его прочность; недостаточная представи-!Льность по проявлению масштабного эффекта методов натурных исканий массива при определении его прочности.

В главе 2 в качестве дальнейшего развития теории предельно) напряженного состояния сыпучей среды рассмотрены принципы >строения равноустойчивых откосов при различной ориентировке в юсиве поверхностей ослабления, позволяющие учитывать возникно-¡ние сложных полей напряжений и уточнить существующие инженёр-¡е методы расчета устойчивости бортов разрезов.

Для близкой к горизонтальной слоистости в отличие-от извес-шх громоздких решений получено в аналитическом виде более )остое условие специального предельного равновесия на контакте гтем совместного решения дифференциальных уравнений для второго ¡мейства поверхностей скольжения и уравнения, по которому задайся положение поверхности ослабления.

Для условий мульдообразного залегания слоев разработан гра->-аналитический Метод построения равноустойчивых откосов с вы-гклой их формой, переходящей над поднимающейся частью контакта горизонтальному положению (выпукло-вогнутый профиль откосов ш реальных бортов разрезов, когда положение горизонтальных ющадок находится обычно в средней их части).. Получены формулы осождения точек (определение их координат, величин и направле-¡я действия напряжений) в зоне специального предельного равно-!сия, а также условие критического угла наклона поверхнос-I ослабления, при котором производится построение сетки линий юльжения

. + (2.зз)

1е У, У* - соответственно углы трения пород в массиве и по штакту. Для верхней части откоса приводятся формулы нахожде-

II

ния положения поверхности нагруженной среды графо-аналитически способом.

В работе исследуются также более сложные условия напряжен ного состояния среды при возникновении в ней разрывных полей напряжений, когда на линии разрыва в массиве средние приведенн напряжения, соответствующие минимальному и максимальному напря женным состояниям, не равны между собой а величины

действующих нормальных и касательных напряжений являются непре рывными, т ,е.

(5л = 5п+ - 6п- и <£г = "¿/г* = Т/г - .

В развитие имеющихся "разрывных" решений В.В.Соколовского получены принципы построения ранее не рассматриваемых равноус-^ тойчивых откосов при наличии в массиве крутопадающих поверхнос тей ослабления. Рассмотрены случаи возникновения в массиве обы новенного и специального равновесия наличия переход

ной зоны - точки Прандгля а также более сложный слу

чай при наложении полей действующие напряжений с возникновение в откосе сплошных линий разрыва (уЗ>До). Значение угла здесь представляет собой граничный угол наклона контакта, при котором возникает разрывное поле напряжений:

Ж I

~~2~ + 8 ~~ 8, (2.50)

где 6 - угол излома поверхности скольжения;

<5 . а^ - ч>/г .

Для данных условий сложного напряженного состояния массиз получен аппарат формул, позволяющий производить построение раз неустойчивых откосов выпукло-вогнутой формы. Исследования предельного равновесия откосов методами статики сыпучей среды пр! наличии в массиве поверхностей ослабления разной их формы иллюстрируется численными решениями задач на ЭВМ в безразмерных координатах.

В главе 3. приводятся результаты исследования качественно отличающегося от общеизвестного характера и механизма нарушен! устойчивости слоистых откосов в виде поворота и опрокидывания крутопадающих слоев в выработанное пространство. Рассмотрены наблюдаемые в натурных условиях особенности деформирования, реальных бортов разрезов, приведены принципы моделирования на 31 Бивалентных материалах, а также полученные при этом результат: отработки 55 моделей откосов, на которых изучалось:

- проявление механизма деформирования и характера распре

[ения деформаций в откосах (по данным измерения их с помощью-■ических тензометров и фотоснимкам момента обрушения);

- зависимость углов наклона откосов на всех стадиях их де-змирования (начало проявления; скачок деформаций, обрушение coca) от ориентировки в массиве поверхностей ослабления;

- зависимость углов наклона откосов (на всех стадиях де-эмирования) от мощности слагающих слоев, механических харак-, эистик по контактам слоев, их прочности и параметров отраба-}аемых моделей.

Данные натурных наблюдений и моделирования показывают, что звые микродеформации массива отмечаются при углах наклона от-зов полозке предельных на 15-25° . При углах наклона откосов яьше предельных на 5-10° на поверхности проявляются видимые гщины со смещениями в переводе на натуру ( Н = 100 - 200 м ) I - О,k м, деформации растяжения в призме обруиения составля-(2-6) х I0~s. За 2-4° до обрушения происходит скачок дефор-ций ;со смещениями массива 0,5-^,0 м. Зона развития деформаций верхней площадке распространяется до 1,5-2,0 Н ог бровки от-са.

Нарушение устойчивости откосов происходит за счет совмест-го- поворота слоев и последующего их опрокидывания о "проскаль-ванием" по контактам, в результате чего по всей поверхности коса образуются заколы в виде обратных ступенек, затухающие амплитуде к подошве откоса. Векторы смещения точек массива еют выпуклую форму и представляют собой отрезки дуг окружнос-й с центрами вращения на некоторой поверхности, идентичной верхности скольжения изотропных откосов.

Рассматриваемый вид качественно отличающегося ог известно-I механизма проявления деформаций отмечается при углах наклона ¡оев в диапазоне от ^5-50° падения в массив до 65-70° падения : в сторону выработанного пространства. Максимальный эффект »ворота слоев наблюдается при = (-80)-90°, когда разница в \лах наклона.слоистого и изотропного откосов достигает 10-15°. шяние характеристик трения по контактам, а также прочности ;посредственно самих слоев на параметры откосов незначительно. 1рина призмы обрушения слоистых откосов при углах падения сло-з в массив от 70 до 90° превышает ширину призмы обрушения изотопного откоса в 3-Ц раза. При сильном расслоении массива

7 6-8) мощность слоев практически не влияет на предельные

глы наклона откосов.

В работе приводятся данные моделирования по изучению гтречаемого в натуре характера деформирования откосов при на-

личии в массиве серии разнонаправленных крутопадающих тектонических нарушений, при сочетании мульдообразного залегания слоез с крутопадающей слоистостью, а также данные изучения влияния формы профиля откосов на их устойчивость.

В результате получены закономерности деформирования и подт вержден характер нарушения устойчивости откосов в виде поворот? и опрокидывания слоев. Данные моделирования позволяют также рекомендовав оформление бортов разрезов в массиве с крутопадающе слоистостью выпуклого профиля, что наряду с равной их устойчивостью при иных формах поверхности откоса позволит ожидать наименьшее распространение деформаций и получить значительную экономию в объемах вскрышных работ.

Глава Ч посвящена непосредственно разработке методов расче та устойчивости слоистых откосов, склонных к проявлению сложного характера их деформирования. Прежде всего для прогнозирования развития деформаций в массиве с крутопадающей слоистостью на основании результатов моделирования получены (совместно с В.Г.Сапожниковым) графики поправок к углу наклона изотропного огкоса на момент полной потери равновесия слоев при их опрокиды вании, на момент скачка деформаций и при проявлении на откосе видимых трещин.

На основании проведенных автором аналитических исследований получено условие предельного равновесия слоистого массива, соответствующее наблюдаемому в натуре и на моделях механизму деформирования откосов при повороте и опрокидывании слоев. Разработан графический метод нахождения реакций между блоками путем совместного построения силовых (обеспечение равенства нулю суммы проекций сил на координатные оси) и веревочных (обеспечение равенства нулю суммы моментов действующих сил) многоугольников. Определены критерии расположения в откосе границ между зонами поворота слоев и их среза в зависимости от направления действия реакций по основанию блоков:

Р//

или приближенно: ^ ^ ^,

где У^ - угол наклона к нормали поверхности скольжения д'ейст-/ вующей по основанию блока реакции £¿5

проекция реакции £[ на нормаль к отрезку поверхности скольжения длиной ;

6 - сцепление пород в слое.

Рассмотрены причины возникновения действующих активных сил откосах и разработаны схемы расчета их устойчивости в зависи-сти от ориентировки поверхностей ослабления - при падении оев в массив, в сторону выработанного пространства и при иэком к вертикальному наслоении. Проведено сопоставление тео-тических и экспериментальных данных, подтвердившее приемле-сть предлагаемых методов расчета для целей практики. Наряду с осматриваемыми условиями предлагаемые методы расчета устойчи-сти позволяют учитывать возможное сопротивление массива рас-гивающим напряжениям, а такяе наличие в откосах обводненных род.

Наиболее рациональным способом оформления откосов в слоис-й среде с падением порд в выработанное пространство является откоска их по естественным поверхностям ослабления. Нарушение вновесия такого массива, по данным натурных наблюдений и иодирования (отработано 20 моделей), при определенных условиях эисходит в виде качественно отличающегося от общеизвестного рактера потери его устойчивости - "выпучивания" блоков в ниж-? части внешнего слоя под воздействием веса вышележащих пород ^следующего его обрушения. Процесс циклически распространя-;я в глубь массива до тех пор, пока обрушенные породы у подош-откоса не: создадут естественную его пригрузку. Предельное зновесие подобных откосов наступает при значительно пологих пах их наклона, чем это предусматривается известными схемами зчета по условию традиционного среза нижележащих слоев под юм к наклоению.

На основании проведенного экспериментального изучения ха-стера деформирования откосов и результатов аналитических ис-гдований - решения эйлеровской задачи с учетом специфики тре-юватой среды, слабо воспринимающей растягивающие напряжения-¡учено выражение критической нагрузки рцр , соответствующей ;ущей способности пород в слое:

- мощность и высота слоя пород;

- коэффициент упругости по основанию блоков.

Приводятся формулы определения коэффициента" запаса устой-

ости и предельной высоты откосов, а также результаты сопос-ления.теоретических и экспериментальных данных.

В главе 5 на основании комплекса проведенных исследований турные наблюдения, экспериментальные и-аналитические иссле-

дования, сопоставление полученных результатов) приводится разработка инженерных методов расчета устойчивости откосов, наход щихся в различных условиях их деформирования в зависимости от действующих горно-геологических факторов.

Рассмотрены случаи формирования призмы обрушения в откосг при наличии кососекущих, падающих'в выработанное пространство поверхностей ослабления приоС</)в, ОС иоС^уЗ. На основам натурных наблюдений и проведенного моделирования (совместно с Д.Н.Ким) отмечен более сложный, в отличие от известного, хара! тер деформирования откосов в виде образования подрезанной консоли при распространении деформаций по контакту в глубь массю медленного разворота в плане нависающих пород (при угле накло! откоса за до его обрушения), последующего их отрыва по

боковой грани от основного массива и окончательного смещения з направлении максимальной крутизны поверхности ослабления, не совпадающим с линией падения откоса. В результате рассмотрен«/ объемного распределения действующих сил получены в зависимост от угла встречи контакта с откосом формулы расчета его устойч! вости и проведено сопоставление полученных результатов с данн! ми моделирования.

Ввиду частой встречаемости на практике в работе рассмотр) ны условия устойчивости откосов, когда наслоение пород диагонально к борту, а форма его в плане - криволинейная. В этом случае происходит "принудительный" сдвиг подрезанной консоли 1 контакту под более пологим углом наклона к горизонту

У = (Лл СО (5.14)

где сР - угол между боковой плоскостью отрыва в плане и про тиранием поверхности ослабления (Сд<90°).

С учетом "прижимающего" воздействия активной составляюще: сил веса пород на боковую поверхность разработана методика и получены формулы расчета устойчивости подрезанного массива (у ловия безраспорной среды), использование которых на примере Ко кинского угольного разреза показало их приемлемость для целей практики.

Для случаев ограниченных по простиранию'участков- (изменч вая форма залежи, наличие внутренних отвалов, торцевых участа ослабленных зон) рассмотрены условия предельного равновесия "зажатого" массива. Предлагается методика расчета уетоячивост откосов, основанная на базе извесгнего метода алгебраического сложения сил по поверхности скольжения любого типа с дополни-

тельным определением боковых сил р , вклжчащих ранее не учитываемые силы трения

где , ¿1 > - высота, длина и угол наклона основания

расчетных блоков по боковым профилям рассматриваемого участка борта.

Разработанная методика расчета дает вполне удовлетворительную сходимость получаемых результатов с данными проведенного для этих целей моделирования ограниченных по поостиранию откосов с различными соотношениями их высоты и длины пролета участков.

Применительно к распространенной в последнее время на разрезах технологии ведения добычных работ поперечными заходками по бестранспортной схеме рассмотрены более сложные условия предельного равновесия откосов при наличии их пригрузки внутренними отвалами с переменной мощностью в виде съездов на почву отрабатываемого угольного пласта. В результате решения объемной задачи получены формулы определения мощности необходимой пригрузки, включая параметры съездов, а также длины возможного обнажения, угольного пласта по его простиранию.

Рассмотрены условия устойчивости откосов при наличии в массиве криволинейных поверхностей ослабления. Яа основании"резуль татов моделирования показана значительная погрешность (до 20$ и более) обычно используемого в расчетах метода алгебраического сложения сил в зависимости от кривизны естественных контактов вследствие неучета эффекта заклиниваний призмы обрушения при ее смещении.

Для устранения данного недостатка предложен довольно простой по исполнению метод геометрического сложения действующих по поверхности скольжения разнонаправленных сил, условие предельного равновесия при котором имеет вид:

ЕШ-фгЧМ-СШ'О.

Определение переходных коэффициентов $ для каждого блока здесь производится либо простым графическим способом, либо, при близкой к круглоцилиндрической форме поверхности скольжения, по формуле:

^ _ (5.46)

где AcLi - разность углов наклона оснований рассматриваемого и конечного блоков.

Для условий многослойной толщи с разными деформационными свойствами слоев (условия поочередного их среза) в развитие имеющихся решений рассмотрена несущая способность массива с учетом полученных зависимостей между напряжениями и деформациями горных пород, а также их реологических свойств. Получены формулы определения характеристик прочности для группы слоев при дополнительном изучении деформационных свойств пород в образце. Приведены данные испытаний моделей слоистых откосов, подтверждающие полученные зависимости.

В главах 6 и 7 применительно к горным породам угольных месторождений приводится разработка методов изучения исходных для расчетов устойчивости откосов характеристик их прочности. Для глинистых разностей пород, обладающих реологическими свойствами, в результате проведенных исследований на образцах получены некоторые закономерности их деформирования, включая изменение характеристик прочности во времени.

Установленные зависимости позволили разработать (совместно с В.И.Пушкаревым) ускоренный метод определения предела длительной прочности пород по испытаниям образцов в смешанном ползуче-релаксационном режиме при различных уровнях начальной нагрузки. В результате проводимых (в течение 5-10 суток) испытаний строится график зависимости полных деформаций образца от установившегося напряжения, максимальное значение на котором соответствует искомому пределу длительной прочности породы.

Для массовых испытаний разработан упрощенный вариант (экспресс-метод) определения предела длительной прочности пород по единичному нагружению образца. Определение коэффициента р длительной прочности породы (отношение предела длительной прочности к стандартному ее значению = боа /С50 ) производится по формуле:

sJl/г.Г ' (6-и

где начальное и установившееся на образце напряжения;

£ £ - соответствующие данным напряжениям деформации; }п - коэффициент упрочнения, определяемый графическим способом или по формуле:

т , (6.13)

4ен - ¡¡f€i

где (51 ;<51 - любые промежуточные значения напряжения и соответствующей ему деформации при стандартном нагружении образца.

Время проведения таких испытаний сокращается до 1-2 суток, погрешность определения длительной прочности не превышает 1-5$. Снижение прочности большинства пород, по данным проведенных испытаний, происходит на 30-Ц(% за счет сил сцепления при неизменной величине угла внутреннего трения.

Учитывая специфику проявления реологических свойств пород по контактам, разработан метод определения сопротивления их длительному сдвигу, включая влияние процессов разуплотнения, при единичном приложении касательной нагрузки через упругий элемент. Предел длительной прочности .для данной нормальной нагрузки определяется как установившееся в результате ползуче-релаксационного процесса напряжение при предварительном доведении контактирующих образцов при кратковременном их испытании до сдвига.

В результате натурных и лабораторных исследований установлено, что продолжительность деформирования монолитных образцов и массива пород (уступов) под постоянными нагрузками, составляющими одну и ту же часть от пределов их длительной прочности, совпадает. Это позволило разработать (совместно с В.И. Пушкаре-зым) методику определения сопротивления сдвигу слабых пород в массиве по наблюдениям за микродеформациями уступов на разрезах, основанную на нахождении коэффициентов запаса их устойчивости путем сравнения времени деформирования допредельно нагруженных уступов и образцов горных пород.

Основным преимуществом данной методики является удовлетворение ее условиям представительности по проявлению масштабного эффекта (исследованию подвергаются уступы высотой 10-20 м), а также простота исполнения и малая ее трудоемкость. Приводятся результаты экспериментальной проверки метода в условиях разрезов и сопоставления получаемых результатов с данными натурных испытаний призм на косой срез.

Для пород средней прочности и прочных, когда решающая роль при определении механических характеристик массива отводится учету его структурных особенностей, разработана методика определения сопротивления сдвигу трещиноватых пород при различном ориентировании в откосе поверхностей ослабления. Несмотря на известные закономерности изменения прочности трещиноватой среды в зависимости от ряда влияющих факторов, они, как показывает практика расчетов устойчивости откосов, не охватывают полностью

все возможные варианты взаимного расположения поверхностей скольжения и ослабления и, кроме того, характеризуют свойства пород лишь для случая одноосного сжатия, что не соответствует реальной работе массива в откосе.

В связи с этим на основании проведенного моделирования прочностных свойств блочной среды (испытания структурных призм на срез) получены зависимости влияния угла А встречи поверхности скольжения с наслоением пород на сдвиговую прочность массива при любых его значениях (от О до 180°). Характерной особенностью полученного графика является различное ослабление массива при тупых и острых углах А . Наряду с более достоверным нахождением коэффициентов структурного ослабления за счет рассматриваемого фактора, использование предлагаемой методики позволяет дифференцированно учитывать снижение прочности массива по криволинейным поверхностям скольжения, что повышает надежность и точность проводимых расчетов устойчивости боргов разрезов.

Глава 8 посвящена практическим вопросам ведения горных работ и изучения деформаций бортов разрезов, находящихся в сложных условиях обеспечения их устойчивости. На основании данных натурных наблюдений рассмотрены в общем виде характер и параметры деформирования бортов для наиболее представительных случаев, наблюдавшихся на уральских угольных разрезах. Приводятся конкретные .данные по величинам и скоростям смещения массива, а также прогнозирования их на разных стадиях отработки борта.

Общими признаками рассматриваемых условий устойчивости бортов разрезов являются значительно раннее проявление и большие величины их деформаций до момента потери равновесия пород в откосах. Растянутость процессов деформирования во времени позволяет наиболее эффективно управлять устойчивостью боргов разрезов при поддержании заданной, приемлемой для ведения горных работ интенсивности протекания деформаций массива. Данное обстоятельство позволяет отрабатывать запасы угля с максимально возможными параметрами бортов разрезов и повысить эффективность открытых разработок.

В результате обобщения исследований приводятся (табл.8.5) не наведшие до настоящего времени развития разработанные схемы расчета и способы управления устойчивостью боргов разрезов. Рассмотрены вопросы безопасного ведения гбрных работ на деформирующихся участках бортов для наиболее распространенных условий проявления их деформаций. Приводятся также данные реализации разработанных методов расчета устойчивости бортов угольпчх разрезов на практике.

20

Таблица 3. 5

Схемы расчета и управление устойчивостью бортов разрезов в сложных условиях проявления их деформаций

Характер деформирования борта Характеристика откоса и залегания слоев Расчетная схема Методика расчета Способ управления устойчивостью

I 2 3 4 5

Срез слоев в верхней части и поворот их в призме упора Борт в массиве с согласной крутопаданцей слоистостью р =70-90° 1.График поправок на разные стадии деформирования борта (рис.4.1) 2.Совместное построение силовых и веревочных много-угольников-методи-ка 4.3 3.Границы блоков с поворотом и срезом слоев определяются условием (4.18) 1.Выполаживание борта 2.Пригруэка нижней части внутренними отвалами 3.Снижение уровней напорных вод 4.Придание борту выпуклого профиля 5.Планировка и обновление уступов

То же Борт в массиве с близкой к вертикальной слоистостью 90° (3-5)аиз)--- 1

Поворот слоев в призме давления и срез их у подошвы откоса Борт в массиве с обратной крутопадащей слоистостью р = -40-90°

Продолжение таблицы 6.5

I 2 3 4 5

Поворот слоев и сдвиг массива по мульдооб-раэно залегающему контакту Борт в массиве при сочетании мульдообразно-го залегания слоев и круто-падапцей слоис тости -40°<р <70° В призме давления-совместное построение силовых и веревочных многоугольников по методике 4.3. В призме упора-алге-браическое сложение, многоугольник сил То же

Выпучивание и опрокидывание блоков Участки борта или уступы, заоткошенные по наслоению <Ш/А$> У <г7 ' ' Н Форцулы (4.34),(4.35 1.Снижение высоты уступов 2.У крепление откосова а)подпорными стен» хами,контрфорсами; б)штангами и анкерами

Поворот и отрыв консоли по боковой грани Уступы с диагональной слоистостью а) С< б) а) 5) Формулы (5.1) ,(5.13) 1.Снижение высоты откоса 2.Изменение фронта ведения горных работ 3.Подпор внутренними отвалами нависающей части консоли

То же 1 Участки борта с диагональной слоистостью: а)прямолинейные б)криволинейные о) = 90° ¿0^90° а) методика 5.1 б) методика 5.2

Окончание таблицы 8.5

I 2 3 4 5

Поочередный срез слоев Разные деформационные свойства слоев ¥>'<£< 40- 50° Формулы (5.58) - (5.60) [.Выполелсивание откоса 2.Снижение уровней подземных вод

Здвиг V массиве •л по контактам, поворот слоев Наличие крутопадающих тектонически; нарушений а)рааноустойчивые откосы 12.5).многоугольник сил б)построение силовых и веревочных многоугольников(4.3) То же, придание борту выпукло-вогнутой формы

Сдвиг по контакту с заклиниванием призмы обрушения %льдо образное залегание слоев большой кривизны 1.Равноустойчивые откосы (2.3) 2.Геометрическое сложение сил(5.5) 1.Выпукло-вогнутая форма откоса ' 2.Строительство пе-' рядового карьера 3.Отработка по промежуточным контурам

Сдвиг в массиве с отрывом по боковым граням а)изменчивая форма заявки б)наличие внутренних отвалов в)торцевые участю г)ослабленные зоны г) 1 Л117 1 Решение объемной задачи ограниченных по простиранию учасч ков Т5.3) I.Снижение высоты уступов ¿.Регулирование длины отработки участков по простиранию

То же Поперечные заход-ки при наличии спадов Решение объемной задачи (5.4) То же

Специфика проявления рассматриваемых в работе условий деформирования бортов разрезов определяет особенности проведения маркшейдерского контроля за их развитием. В зависимости от состояния борта рассмотрены случаи использования инструментальных наблюдений по профильным и ординатным линиям, а также упрощенных наблюдений по заколам. С целью повышения точности измерение длин интервалов между реперами предложена методика учета искривления полотна мерных приборов за счет воздействия на него ветровых нагрузок путем введения в измеренные величины соответствуюци поправок. При проведении упрощенных наблюдений на заколах рекомендуются измерения по реперам по схеме треугольника, что позволяет наряду с величинами фиксируемых смещений определять и направления их в плане.

- ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе осуществлено обобщение результатов проведенных исследований и решение важной народнохозяйственной проблемы, связанной с определением оптимальных параметров я-обеспечением устойчивости бортов угольных разрезов, находящихся в сложных горно-геологических условиях. Актуальность данной проблемы связана с возрастанием глубины открытых разработок и вовлечением в отработку участков с разнообразными условиями залегания пород, когда существующие типовые методы расчета устойчивости бортов разрезов и критерии контроля за их состоянием не позволяют.обеспечить экономически выгодные и безопасные условия эксплуатации угольных месторождений.

На основании проведенных теоретических исследований, обобщения опыта отработки оползневых участков, экспериментальных данных и анализа существующих разработок получены следующие научные и практические результаты, соответструющие реальным условиям открытых разработок и учитывающие сложные условия проявления деформаций слоистых откосов и их напряженного состояния.

I. В качестве дальнейшего развития теории предельного напряженного состояния сыпучей среды получены:

- упрощенные формулы нахождения узловых точек в массиве при возникновении специального предельного равновесия на полого падающих поверхностях ослабления;

- графо-аналитический метод построения равноустойчивых откосов при мульдообразном залегании слоев с выпуклой формой поверхности, переходящей над поднимающейся частью контакта к горизонтальному положению;

- аналитическое решение задачи гостроения равноустойчивых откосов сложной выпукло-вогнутой формы при наложении полей действующих напряжений (разрывные поля напряжений) в массиве с крутопадающими поверхностями ослабления.

2. Исследованиями устойчивости откосов с крутопадающей слоистостью (rkQ°<j3> +70°) установлено, что механизм и характер деформирования массива качественно отличается от общеизвестного -.потеря его равновесия происходит в виде поворота и последующего опрокидывания слоев в выработанное пространство. При этом в качестве активных сил выступают либо силы веса нависающих пород (падение слоев в.массив), либо силы со стороны призмы давления при срезе вышележащих слоев (близкая к вертикальной слоистость) или сдвиге массива по поверхности ослабления (согласное с откосом залегание слоев).

В отличие от известного характера проявления деформаций массива получено, что первые их признаки отмечаются при углах наклона откосов полояе предельных на 5-10° - образование по слоям трещин - заколов в виде обратных ступенек, затухающих по амплитуде к подошве откоса» Ширина зоны распространения деформаций по поверхности в 2-4 раза больше, чем в обычных условиях.

Основными факторами, определяющими устойчивость борта, наряду с его- геометрическими параметрами являются угол падения слоев, их мощность и характеристики трения по контактам. Наибольший эффект поворота слоев в откосе наблюдается при углах падения слоев в массив ß = 75-90°. На. момент полного опрокидывания слоев углы наклона откосов на 10-15° положе, чем в изотропном массиве. При частой рассланцованности массива Ф/т > 6-8) дальнейшее уменьшение мощности слоев не влияет на устойчивость откоса.

Характер потери устойчивости откосов в виде поворота и опрокидывания слоев присущь также массиву при наличии серии разнонаправленных субпараллельных тектонических трещин и' сочетании мульдообразного залегания слоев с крутопадающей слоистостью.

■3. Разработаны принципы расчета устойчивости откосов с крутопадающей слоистостью в условиях поворота слоев при обеспечении равенства нулю не только суммы проекций действующих в пределах блоков сил на координатные оси, но и суммы их момен- > тов относительно произвольно выбранных точек. Получено аналитическое выражение условия предельного равновесия слоев в от- • косах, разработан инженерный метод расчета их устойчивости при построении силовых и веревочных многоугольников, а-также предложены основные схемы расчета устойчивости откосов в зависи-

мости от ориентировки в них поверхностей ослабления. 3 целях прогнозирования развития деформаций в массиве получены соответствующие графики поправок к углу наклона изотропного откоса.

Форма профиля борта в массиве с крутопадающей слоистостью рекомендуется выпуклой, что позволяет ожидать наименьшее распространение деформаций в массиве при значительном сокращении объемов вскрышных работ.

4. Исследования предельного равновесия заоткошенных по наслоению участков борта показывают на отличный от общепринятого характер их обрушения в виде "выпучивания" и опрокидывания блоков в нижней части внешнего слоя и последующего цикличного распространения деформаций в глубь массива. На основании данного механизма потери устойчивости слоистых откосов разработана методика расчета, учитывающая наряду с известными характеристиками прочности пород их деформационные свойства.

5. Разработан метод расчета устойчивости откосов, подсеченных диагональной по отношению к борту или уступу слоистостью (несовпадение углов их простирания), основанный на рассмотрении объемного распределения действующих сил'и соответствующий характеру деформирования пород в виде разворота в плане нависающей консоли и отрыва ее по боковой грани от основного массива в плоскости, перпендикулярной поверхности ослабления.

При наличии криволинейных в плане участков, борга, когда простирание верхних уступов не совпадает с нижними, происходит "принудительный" отрыв консоли в направлении, не совпадающим с направлением наибольшей крутизны поверхности ослабления. Для данных условий разработана методика расчета, учитывающая "прижимающее" воздействие активной составляющей сил веса пород на боковую поверхность.

6. Исходя из условий залегания пород, исследован механизм деформирования и разработаны методы расчета устойчивости откосов для случаев:

- ограниченных по простиранию откосов с учетом действующих боковых сил трения и сцепления на "зажатых" участках;

- при отработке запасов поперечными заходками, включая случаи наличия пригрузки борта с переменной мощность» - съездов на почву пласта при бестранспортной схеме ведения горных работ;

- при наличии в массиве естественных поверхностей ослабления большой кривизны, когда требуется геометрическое сложение действующих по ним разнонаправленных сил;

- поочередного среза слоев по поверхности скольжения, ориентированной под углом к наслоению, с учетом деформационных и реологических свойств горных пород, приводящих к снижению прочности многослойной толщи.

7. Лабораторные и натурные исследования характеристик прочности горных пород, используемых в расчетах устойчивости бортов разрезов, показали:

- в силу проявления реологических свойств наблюдается снижение прочности слабых (б>0< 5 МПа) пород на 30-40?, причем значения коэффициентов длительной их прочности (отношение предела длительной прочности к ее стандартному значению) однозначны как для монолитных образцов, так и для массива горных пород;

- снижение прочности' пород происходит за сч.ет сил сцепления, в связи С' чем определение предела длительной прочности может производиться на одноосное сжатие либо по разработанной методике ускоренных испытаний образцов в ползуче-релаксационном режиме, либо, при массовых испытаниях, - предложенным экспресс-методом;

- сопротивление длительному сдвигу пород по их контактам, включая влияние процессов разуплотнения, характеризуется снижением угла трения на 3-5° и рекомендуется определять по предлагаемой упрощенной методике единичного приложения касательной нагрузки через упругий элемент;

- характеристики сопротивления сдвигу массивов слабых пород наряду с натурными испытаниями-следует определять более представительным по проявлению масштабного эффекта методом наблюдений за микродеформациями уступов, отрабатываемых без применения буровзрывных работ;

- для пород средней прочности и прочных (60 > 5 МПа) необходим дифференцированный учет ориентировки криволинейных участков поверхности скольжения в откосе к элементам трещиноватости массива путем нахождения частных коэффициентов структурного ослабления за счет данного фактора по предлагаемой методике.

8. При ведении горных работ в более сложных условиях проявления деформаций бортов разрезов и решении вопросов управления их устойчивостью необходимо пользоваться следующими критериями:

- деформации бортов разрезов начинают проявляться при довольно пологих углах их наклона задолго до полной потери устойчивости массива, что предопределяет ведение горных работ на деформирующихся участках;

- общая величина смещения массива до полной потери его равновесия в откосах существенна - она может составлять около де-

сятка и более метров;

- наиболее эффективная отработка запасов угля достигается при одновременном развитии внутренних отвалов с пригрузкой борта на наиболее опасных,участках, а такие при использовании системы отработки угля поперечными заходками с отсыпкой в выработанное пространство пустых пород, что позволяет значительно сократить объемы вскрышных работ;'

- в условиях неизбежного проявления деформаций и необходимости управляемой отработки бортов разрезов особую роль имеет маркшейдерский контроль (с учетом рассмотренных особенностей данного специфического характера деформирования) за их развитием и своевременная корректировка параметров открытых разработок.

9. Большинство рассмотренных в работе вопросов нашло практическое применение на'ряде угольных разрезов при разработке конкретных рекомендаций по параметрам их бортов, обеспечивающих безопасные и экономически выгодные условия добычи полезного ископаемого. Так на разрезе "КумертаусКий" ПО "Башкируголь" сокращен объем вскрышных пород на 5 млн.м5 и получен экономический эффект в размере 1,8 млн.руб. На разрезе "Изыхский" ПО "Красно-ярскуголь" в результате снижения объемов работ по:переэкскавЁдии пород экономическая эффективность составила 216 тыс.руб. На разрезах ГЮ "Челябинскуголь" экономический эффект от внедрения разрабатываемых противооползневых мероприятий составляет ежегодно около 50 тыс.руб.

10. Основные выводы и рекомендации, полученные в результате проведенных исследований, могут быть использованы также при решении вопросов обеспечения устойчивости бортов карьеров в условиях вмещающих пород на добывающих предприятиях черной и цветной металлургии.

Основные положения диссертации опубликованы в ¡следующих работах:

1. Афанасьев- Б.Г., Цушкарев В.И. Некоторые закономерности деформирования слабых горных пород//Тр.ВНИМИ.-1972. - Сб.86. --с .161-165.

2. Афанасьев Б.Г., Пушхарев В.И. О длительной прочности массива горных пород//Изв.вузов, Горн .журнал.-I973.-H2.-C.29--31.

3. Пушкарев В.И., Афанасьев Б.Г. Ускоренный метод определения предела длительной прочности слабых горных пород//Физ .-техн.пробл.разраб.полез.ископаемых.-1973.-К5.-С.103-105.

Афанасьев Б.Г. Методика определения сопротивления совместному длительному сдвигу слоев горных пород с различными деформационными свойствами//Тр.ВНИМИ .-1974 .-Сб .92 .-С .109-116.

5. Пушкарев В.И., Афанасьев Б.Г. Устойчивость бортов разреза "Ангренский"//Добыча угля открытым способом:Реф.сб./ ЦНИЭИуголь.-М., 1974 .-М1-С .4-6.

6. Афанасьев Б.Г., Абрамов Б.К. Определение сопротивления длительному сдвигу по контактам горных пород/Физ.-гехн.пробл. разраб.полез.ископаемых.-1975.№5.-С.131-134.

7. Афанасьев Б.Г., Пушйарев В.И. Определение предела длительной прочности горных пород упрощенным методом//Физ .-техн. пробл.разраб .полез .ископаемых.-1976.-^2-0.111-113.

8. Пушкарев В.И., Афанасьев Б.Г. Метод определения сопротивления сдвигу массивов горных пород гёэ наблюдениям за микродеформациями уступов на карьерах//Изв.вузов.Рорн.журнэл.-1976.-№ .-С.39-42.

9. Инструкция по расчету устойчивости бортов разрезов при их ликвидации и обеспечению сохранности прилегающих к разрезам территорий:Утв.М-вом угольной пром-ти СССР 17.01.77 и согл.с Госгортехнадзором 21.12.76/Со с т .8.Т .Сапожников, Д. Н.Ким, Б.Г. Афанасьев, Б .К .Абрамов/ .-Л ,:ВНИМИ, 1977 .-56с.

10. Афанасьев Б.Г. Методика расчета устойчивости откосов с круто падающей слоистостыо/ВНИМИ.-1982.-10с .-Деп .в ЦНЮуголь 15.06.82,»2391.

11. Афанасьев Б.Г. Управление устойчивостью бортов при доработке месторождений с целью обеспечения полноты выемки угля при минимальных объемах вскрыши/ВНГОШ.-Л.,1982.-12с.Деп. в ЦНИБИуголь 15.06.62, №2392уп.

12. Сапожников В.Т., Афанасьев Б.Г. Приближенный способ определения параметров устойчивых откосов в массиве с крутопадающей слоистос.тью//Сдвижение и деформации массива при разработке месторождений с учетом структуры и механических свойств горных пород:Сб .науч .тр./ВНИМИ.-Л. Д9В2 .-С.35-39.

13. Афанасьев Б.Г., Абрамов Б.К. К вопросу оценки устой-' чивости откосов при мульдообразном залегании слоев//Физ.~техн. пробл .разраб .полез .ископаемых .-1983 .-С.32-36 •

14. Афанасьев Б.Г., Ким Д.Н. К определению сопротивления сдвигу трещиноватого массива при различном ориентировании по-' верхности скольжения//Физ .-техн.пробл.разраб.полез.ископаемых. -1983 .-£3 .-С .113-115.

- 2д

15. Афанасьев Б.Г. К расчету устойчивости" слоистюгпород в уступах, эаоткошенных по наслоению//Физ.-техн.пробл.разраб. полез .ископаемых.-1983.-$6.-С.25-29.

16- Афанасьев Б.Г., Трофимов В.Е. Результаты моделирован! предельного состояния горных пород в уступах, заоткошенных по наслоению//Вопросы рационализации маркшейдерской службы на горных предприятиях:Сб,науч.тр./Свердл.горн.ин-т им.В.В.Вахру-шева;-Свердловск:СГИ,1983.-С.50-54.

17. Влияние формы профиля откосов в массиве с крутопадающей слоистостью/Б.Г.Афанасьев, Б.К.Абрамов, Ю.К.Ташкинов, В.Е

' Трофимов// Изв .ву зов. Го рн .журнал .-1983 .-С .28-30.

18. Деформирование откосов с крутой и вертикальной слоистостью/Б.Г.Афанасьев, Б.К.Абрамов, Б.П.ГЪлубко, В.Т.Сапожники //Изв .вузов .Горн .журнал .-1983^6 .-С .30-33.

19. Афанасьев Б.Г. Характер деформирования и устойчивост: откосов в некоторых нетиповых условиях залегания по.род//Научно-технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны: Тез.докл.йсесоюзн .науч .-техн.совещ. ,май 1984 .-Свердлов! 1984.-С.65-66.

20. Маркшейдерский контроль за деформациями при отработк! неустойчивых и деформирующихся участков бортов уральских разр' зов/В.Т.Сапожников, Д.Н.Ким, Б.Г.Афанасьев., Г.П Лыцкий//Науч-но-технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркпейдерской службы на горных предприятиях страны: Тез.докл.всесоюзн.-техн.созещ.,май 1984г.-Свердловск, 1984.-С.76-77.

21. Афанасьев Б.Г., Ким Д.Н- Условия устойчивости откосо: при наличии кососекущих поверхностей ослабления/ВНИМИ.-Л., 1986.-10с.-Деп.в ЦНИЭИуголь 30.08.86,й3859-уп.

22. Сапожников В.Т., Ким Д.Н., Афанасьев Б.Г. Характер деформирования бортов уральских разрезов в околопредельном состоянии/УСпособы управления деформациями горного массива, подработка сооружений бортов разрезов и природных объектов пр разработке свиты угольных пластов:Сб.науч.трУВНШИ.-Л.,1986. -С .64-71.

23. Афанасьев Б.Г. Использование разрывных решений в задачах на определение предельного напряженного состояния пород в откосах с круто падающими поверхностями ослабления//Устойчи-вость и технология формирования бортов и отвалов на глубоких карьерах:Сб.науч.тр./ИП5 МЧМ.-Свердловск,1987.-К83.-С.40-48.

24. Афанасьев Б.Г. Расчет устойчивости откосов в условиях юворота и опрокидывания крутопадаюиих слоев//Проблемы разработки глубоких карьеров:Тез.докл^всесопзн.научн.-техн.конф., 1юнь 1987г.-Кривой Рог:Черметинфо рмация,1987.-С.77-78.

25.Афанасьев Б.Г. Построение равноустойчивого откоса в массиве с мульдообразным залеганием слоев//Горн.журн.-1988.-Я2.-С.50-52.

26. Афанасьев Б.Г. Расчет устойчивости внутренних отвалов

з условиях пригрузки их основания//Методы, технические средства маркшейдерских работ и исследование процессов сдвижения горных юрод:Сб.науч.тр./ВДДОИ.-Л..Д9е8.-СЛ61-Ш.

27. Афанасьев Б.Г., Шмонин И.Б; Расчет устойчивости отко->ов с учетом действующих боковых сил//Изв .вузов. Горн .журнал.-