УДК 622.271 Куанышбекова А.А.

Изучение методов расчета устойчивости карьерных откосов с учетом пликативной нарушенности

При отработке месторождений открытым способом решение вопросов устойчивости карьерных откосов зависит от экономики и безопасности ведения горных работ. Важней задачей прогноза деформированных явлений на основе изучения структуры залегания пород и горно-геометрического анализа карьерных полей разнообразие и сложность горно-геологических условий месторождений требует уточнения и совершенствования существующих способов оценки устойчивости карьерных откосов.

Устойчивость откосов уступов и бортов карьеров основывается на изучении физико-механических свойств горных пород, структуры прибортовых массивов, механизма деформирования откосов, методов расчета устойчивости откосов и мероприятий по обеспечению их устойчивости на проектных контурах с маркшейдерским инструментальным контролем за их состоянием. С этих позиций проанализируем достигнутый уровень в области обеспечения устойчивости карьерных откосов применительно к сложноструктурным месторождениям полезных ископаемых.

Изучение поверхностей ослаблений в натурных условиях доказывает, что по форме нередко имеют выраженную извилистость, как в плане, так и по падению. Такая изменчивость характерна для слоистых пород, и связана она с пликативной нарушенностью.

Пликативная нарушенность это такие нарушения в залегании слоистых, осадочных или эффузивных пород, при которых образуются волнообразные изгибы без разрыва их сплошности, происшедшие в результате пластической деформаций горных пород. При оценке устойчивости откосов уступов и бортов необходимо учитывать элементы залегания и форму распространения этих нарушений.

Изучение структурно-тектонических особенностей слоистых прибортовых массивов Центрального Казахстана показывает, что контакты породных слоев имеют пликативную нарушенность значение прочностных характеристик, по которым в 2-3 раза меньше чем в массиве. Проведение исследование откосов с пликативной нарушенностью позволило установить, что в зависимости от параметров складчатой структуры при определенном соотношении прочностных свойств прибортовых массивов и поверхностей ослаблений в процессе сдвижения призмы обрушения участвуют различное число складок .

При изучении устойчивости карьерных откосов с учетом сложных по профилю поверхностей ослабления некоторые исследователи используют графический способ расчета , другие делают попытку графоаналитического решения . Ниже приводится аналитическое решение рассматриваемой задачи и методы расчетов устойчивости карьерных откосов, которые наиболее часто встречаются в практике.

Моделирование устойчивости породных призм по извилистым поверхностям скольжения показало, что при сравнительно крутом залегании поверхностей ослабления, подрезаемых откосом, и значительной прочности обрушаемого блока по сравнению со сдвиговыми характеристиками по этим поверхностям породный блок может обрушаться как единое целое без разламывания на отдельные призмы. Если же прочность массива незначительно отличается от сдвиговых характеристик по извилистым поверхностям ослабления, а залегание этих поверхностей скольжения, приуроченное к выпуклостям и вогнутостям извилистой поверхности скольжения, то в результате блок разбивается на отдельные призмы.

В первом случае задача устойчивости призмы возможного обрушения решается алгебраическим сложением сдвигающих и удерживающих сил, во втором необходимо использование метод многоугольника сил как наиболее строгого метода.

Метод многоугольника сил позволяет наиболее полно учесть геомеханический процесс, происходящий при оползании призмы возможного обрушения .

Условия предельного равновесия каждого из выявленных блоков запишутся в следующем виде.

Для первого блока

(1)

Для второго блока

(2)

Для третьего блока

(3)

Для четвертого блока

(4)

Для пятого блока

(5)

После проведения соответствующих математических операций выражений (1-5) находятся реакции . При этом условие предельного равновесия всей обрушаемой призмы запишется в виде

(6)

где ; - массы блоков; - длины поверхностей скольжения по складчатому контакту; - длины поверхностей скольжения отдельных блоков в массиве обрушаемой призмы; - угол отклонения поверхности скольжения от среднего ее угла наклона.

Массу -го блока определяем по формуле , где - плотность пород. Площади находятся по координатам характерных точек призмы обрушения, используя формулу аналитической геометрии, а длины поверхностей скольжения - геометрически.

После подстановки значения масс и длин в уравнение предельного равновесия (6) и проведения соответствующих математических преобразований можно найти высоту устойчивого откоса:

(7)

Зная высоту устойчивого откоса, можно определить ширину призмы возможного обрушения по формуле

(8)

где - те же величины, что в формуле (7).

Таблица 1 – Результаты расчета параметров откосов и их сравнение

Параметры поверхностей ослабления					Параметры откосов
					Высота откоса, см
Генеральный угол , град	Амплитуда складки , см	Ширина складки , см	Коэффициент кривизны	Угол наклона откоса , град	по модели-рованию	по росту	откло-нение, %
15	0	0	0,00	38,5	56,0	54,0	3,5
15	1	20	0,05	41,5	56,0	57,5	2,7
15	2	20	0,10	45,2	57,0	55,2	3,1
15	3	20	0,15	48,7	55,0	55,5	0,9

Результаты расчета параметров откоса по предлагаемым выражениям и сравнение их с данными моделирования (табл.1) показывают хорошую сходимость в пределах 1,0-3,5%, что свидетельствует о правильном выборе расчетной схемы, ее работоспособности и достаточной точности. Отметим, что расчет произведен при , , т/см², г/см², г/см².

Выражение (7) по определению высоты устойчивого откоса с учетом извилистых поверхностей скольжения математически сложно. В целях облегчения оно программируется на ЭВМ или для него строятся специальные номограммы.

Недостатком графо-аналитического метода, основанного на использовании многоугольника сил, является не столько трудоемкость расчета при увеличении числа расчетных блоков, сколько графическая неопределенность положения основной поверхности скольжения оползающего клина и замены криволинейных участков поверхностей скольжения второго порядка прямолинейным. Положение наиболее слабой поверхности в горном массиве устанавливается на основании расчетов на ЭВМ коэффициентов запаса устойчивости по различным поверхностям ослабления.

Сопоставление результатов расчета по методу многоугольника сил, а также численно-аналитическому методу с данными моделирования по определению предельных H_i и r_i при постоянных величинах прочностных свойств пород и структурных особенностей горного массива показывает, что по точности они близки друг к другу. Различие заключается лишь в трудоемкости работ – численный метод с использованием ЭВМ предпочтительнее.

С целью совершенствование расчета параметров и оценки устойчивости карьерных откосов в настоящее время применяются комплекс прикладных программ , реализованных на языке программирования Фортран-4 в среде ДОС ЕС версии 2.2.

Блок формирования кода состояния расчетных схем предназначен для определения номеров расчетных схем, по которым можно рассчитать значения параметров и оценить устойчивость карьерных откосов для заданных значений входных параметров. Для установления истинности утверждения «Значения входных параметров, участвующих в расчетах, не равны нулю» достаточно перемножить друг на друга значения входных параметров, участвующих в расчетах по интересующей схеме. Если результат отличен от нуля, утверждение истинно, и для схемы код состояния устанавливается равным единице, в противном случае – нулю.

Программы, анализирующие алгоритмы расчетов параметров и оценки устойчивости по соответствующим расчетным схемам, имеют в основном одинаковую структуру организации процесса обработки данных. Друг от друга они отличаются лишь видами функциональных связей между входными параметрами, используемыми при контроле данных, и формулами расчета значений входных параметров. Разработан алгоритм программ.

Блок контроля исходных данных предназначен для выявления ошибок, допущенных при перфорации исходных данных, и определения возможности использования и в этой расчетной схеме. При разработке алгоритма контроля правильности значений входных параметров, во-первых, учтены функциональные зависимости между входными параметрами; во-вторых, исходя из физического смысла, определены предельные их значения. Поэтому для каждой схемы установлены вид функциональной зависимости и предельные значения входных параметров в отдельности.

Если в ходе контроля обнаружится ошибка, то выдается соответствующее сообщение об этом, и значение кода завершения контроля устанавливается равным единице.

Перед входом в блок расчета значений параметров и оценки устойчивости карьерных откосов анализируется значение кода завершения контроля. Если оно равно нулю, выполняется комплекс расчетов на АЦПУ и выдаются полученные результаты. Если значение кода завершения контроля есть единица, эти блоки не выполняются и управление передается головной программе.

Получив исходную информацию о состоянии прибортового массива, ее закладывают в разработанную программу на ЭВМ, которая в считанные секунды выдает параметры карьерных откосов с заданным запасом устойчивости или оценивает устойчивость откоса при заданных его параметрах.

Для реализации расчетов на ПЭВМ разработана программа «Расчет устойчивости бортов карьера по заданной схеме», написанная на языке программирования Турбо-Паскаль 5,0 и выполняемая под управлением операционной системы MS-DOS 3,0 и более поздних версий этой системы. Основным назначением программы является организация в интерактивном режиме следующих операций; выбор схемы расчета; ввод исходных данных и контроль их корректности; отображение на экране результата расчета; и значениями исходных данных.

Реализация выбора схемы расчета выполнена на основе использования концепции организации диалога между пользователем и вычислительной системой типа «Меню». Согласно данной концепции, пользователю предлагаются некоторый список объектов и набор инструментальных средств, позволяющих ему выбрать некоторый объект из данного списка. В данном случае объектом является схема расчета, а набором инструментальных средств – клавиши, с помощью которых обеспечивается позицирование выделенного (выбранного) объекта в «Меню».

Техническая операция выбора схемы расчета организована следующим образом. Вся площадка экрана видеотерминала поделена на две части. В верхней части отображается список альтернативных вариантов схемы расчета, а в нижней перечислены имена клавиш, их назначение. В списке альтернативных вариантов схемы расчета в каждой момент времени один элемент является выделенным и отображается отличным от основного списка цветом. При нажатии клавиши Ввод выполняется выбор именно этого элемента, и дальнейшая работа программы заключается в организации ввода исходных данных для расчета по этой схеме, выполнения и выдача результатов. Нажатие любой другой клавиши, кроме перечисленных, игнорируется и сопровождается подачей звукового сигнала.

Ввод исходных данных и контроль их корректности осуществляются на экране дисплея. В случае обнаружения ошибки в исходных данных на экране выдается предупреждение с целью привлечения внимания оператора. Если обнаруженная ошибка не исправляется, программа выполняет расчет с этим значением данного. После ввода исходных данных нажатием клавиши запускается процедура расчета. Результаты расчетов отображаются на дисплее, и при необходимости производится их распечатка на бумаге .

Список использованной литературы

1.Попов И.И., Окатов Р.П., Низаметдинов Ф.К. Механика скальных массивов и устойчивость карьерных откосов. Алма-Ата. Наука, 1986, с.256.

2.Низаметдинов Ф.К., Окатов Р.П., Искаков М.Б. Автоматизированный расчет параметров карьерных откосов и оценка их устойчивости в скальном трещиноватом массиве //Совершенствование маркшейдерской службы на горных предприятиях. Свердловск, 1990, с.17-19.

3.Попов И.И., Низаметдинов Ф.К., Окатов Р.П., Долгоносов В.Н. Природные и техногенные основы управления устойчивостью уступов и бортов карьеров. Алматы, Гылым, 1997, с.216