Разработка метода формирования конструкции и расчета устойчивости бортов глубоких карьеров

При работе в сложных горно-геологических условиях, если залежь имеет большую мощность, которая предопределяет большую глубину карьера, то по геомеханическому или геолого-структурному критериям после определения предельно допустимого расчетного угла наклона принимается решение об углах откосов бортов в конечном положении.

Конечный борт конструируют так, чтобы он при соблюдении предельных параметров нерабочих уступов и берм вписался в расчетный линейный профиль. Технологические параметры уступов и берм зависят от структуры горных пород, техники и технологии периодической чистки берм, а также требований правил безопасности.

В работах [1, 2] разработана методика конструирования и формирования конечного борта глубоких карьеров с учетом обеспечения берм безопасности, расчетных линейных контуров оконтуривания, построения схемы капитального вскрытия и транспортных берм и оформления поуступного борта.

Определим угол откоса борта карьера в конечном положении согласно работе [1] для условий карьера Мурунтау.

Результатом оконтуривания карьера по одному из принципов оконтуривания является линейный борт 1 (штриховая линия на рис. 1) с расчетным углом откоса а.

В конечном положении отстраивается поуступный борт (штрихпунктирная линия 2) при принятой высоте уступа h y и угле его откоса в. Нижние бровки откоса уступа примыкают к первоначальному линейному борту 1.

Конструктивные бермы, определяемые из треугольников OKN и OKL (рис. 1), сопоставляются с расчетными (нормативными) бермами безопасности В б

В _б = h_y(ctga - ctg£t) > 5 _п . (1)

Если не соблюдается равенство (1), то согласно требованиям единых правил безопасности необходимо уменьшить угол откоса конечного борта α или увеличить угол откоса уступа β. Увеличение угла откоса уступа неприемлемо, т.к. он принимается предельно возможным с учетом физико-механических свойств горных пород, их типа, наличия падения слоев в сторону карьера, поверхностей ослабления и т.п. Для повышения устойчивости борта карьера рекомендуется выполаживание расчетного угла откоса борта карьера а до угла а / с обеспечением нормативных (расчетных) берм.

Угол откоса конечного борта карьера а / определяется по формуле [2]:

а' = arctg ( а п + ctgPj. (2)

Линейный борт у 3 ' (сплошная линия) отстраивается под углом α` и по нему строят поуступный борт 4 (штриховая линия).

Схема капитального вскрытия (фактор 4) отстраивается на конечных бортах карьера и она служит для размещения транспортных коммуникаций и обеспечения по ним грузотранспортной связи карьера с поверхностью. Схема вскрытия выбирается с учетом системы наземных горных выработок - поступательных, тупиковых или комбинированных съездов. На рис. 1 в поперечном разрезе борта представлено вскрытие системой поступательных съездов шириной bc (съезд с отметки ∇-6hу на ∇-7hу). Борт со схемой вскрытия отражено линией 5 со штриховой линией с двумя точками пунктира. Он совпадает с линией конечного борта (жирная линия 6) с отметки ∇-3hу и ниже.

Рис. 1. Схема формирования конечного борта глубокого карьера

На разрезе на отметке ∇-3 h у представлена транспортная берма В т при строительстве которого формируется окончательный борт карьера (линия 6). Она является следствием первоначального оконтуривания (1), обеспечения нормативных берм безопасности (3), оформления поуступного борта (4), построения схемы капитального вскрытия (5) и транспортных берм (6).

Угол откоса конечного борта α к отличается от расчетного α и может быть определен по формуле:

а_к = arctg------- ™^к—----- -,  (3)

к         qbgmBT+'tf™ Bpi+XiXi hjctgp где Нк - конечная глубина карьера, М; rn - число уступов в конечном борту карьера; Впi – ширина берм безопасности, м; β – угол откоса уступа в конечном положении, град.;  bc  – ширина капитального съезда, м; q – число съездов; Вт – ширина транспортной бермы; m – число транспортных берм.

Для расчета угла откоса бортов необходимо основываться на предельном равновесии по наиболее слабым поверхностям. Положение предельного равновесия устанавливают путем алгебраического    сложения    сил    кругло цилиндрической или монотонной криволинейной поверхности.

Оценку устойчивости производят путем введения коэффициента устойчивости К зап. Она

равна отношению сил, которые удерживают призму возможного сдвижения пород, к сдвигающим силам и определяется по формуле:

К

зап

^{tg ϕ} в . т . ⋅ ∑ P ⋅ g ⋅ cos α + C_cp ⋅ ∑ l ∑ P ⋅ g ⋅ sin α

где ϕ в.т. ‒ средневзвешенное расчетное значение угла внутреннего трения в массиве; С cр – средневзвешенное расчетное значение сцепления в массиве; Р – масса элементарного вертикального блока призмы возможного смещения; g – ускорение свободного падения; α э.п. – угол наклона элементарной площадки скольжения; l – длина элементарной площадки скольжения, которая служащит основанием элементарного блока.

При определении степени устойчивости откосов массива горных пород важно найти наиболее слабую поверхность и сравнить удерживающие ∑F i и сдвигающие ∑Т i силы.

Поверхность горного массива, по которой действуют силы с наименьшим соотношением ∑F i /∑Т i , является наиболее слабой, а по которой действуют силы с соотношением ∑F i /∑Т i =1 ‒ предельно напряженной и угол откоса в этом случае является предельным.

Расположение и форма поверхностей скольжения в массиве зависят от разрывных нарушений и элементов их залегания в откосе, слоистости, трещиноватости, механических характеристик пород, величины угла откоса и высоты уступа.

На рис. 2 представлена схема оценки устойчивости откоса горных пород. Оценку устойчивости откоса горных пород производят в следующем порядке:

Рис. 2. Схема оценки устойчивости откоса горных пород с учетом равновесия по наиболее слабой поверхности в откосе горных пород

1) призма возможного обрушения разбивается вертикальными линиями на ряд полос 1, 2, 3, ... равной ширины а и ограничивается поверхностью откоса и поверхностью скольжения;

• 2)    высота полос раскладывается на касательные Т i и нормальные N i составляющие относительно поверхности скольжения и условно принимается за

их вес;

• 3)    отрезки касательных и нормальных составляющих суммируют отдельно и умножают на масштаб векторов Т i и N i . Масштаб векторов М в определяют по формуле

  М в = a ∙γ∙М/1000, (5)

где γ – объемный вес пород; М – знаменатель масштаба, в котором построен чертеж;

• 4)    путем измерения длина L расчетной поверхности скольжения АС составляют соотношение

(fm∑ N i + CL)/ m∑ Т i ≥ 1, (6) где f – коэффициент внутреннего трения пород;

C – сила сцепления, которая приходит на единицу площади расчетной поверхности.

Значение (m∑Т i ) в выражении (6) есть сумма сдвигающих сил, а (fm∑N i + CL) – сумма сил, удерживающих массив по этой поверхности. При этом (fm∑N i ) есть сумма сил трения, а (CL) – сумма сил сцепления.

Если (fm∑ N i + CL)/ m∑ Т i = 1, то считается, что откос находится в предельном состоянии, в результате которого может начаться обрушение откоса или его сползание.

Таким образом разработаны технологическая схема формирования конечного борта и метод определения предельно допустимого расчетного угла наклона бортов глубоких карьеров.