Геомеханическое обоснование параметров временно нерабочих бортов карьера

УДК 622.271.3

© В.Н. Попов, О.Б. Сильченко, М.С. Парамонова, 2011

В.Н. Попов, О.Б. Сильченко, М.С. Парамонова

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВРЕМЕННО НЕРАБОЧИХ БОРТОВ КАРЬЕРА

Приведены результаты исследований физико-механических свойств горных пород Сорского месторождения и расчеты параметров влияющие на устойчивость уступов временно нерабочих бортов карьера.

Ключевые слова: карьерное поле, тектоническая зона, простирание, трещина, временно нерабочее положение, уступ, сцепление в массиве, угол внутреннего трения, плотность пород, коэффициент структурного ослабления, объемный вес, сцепление в куске, коэффициент запаса.

Свойства пород относятся к одним из основных характеристик при расчете устойчивости уступов и бортов карьера. Расчетными характеристиками являются сцепление в массиве (Ст), по контактам и трещинам пород, угол внутреннего трения (ф) и плотность пород (у).

В 1962 году Уральским филиалом ВНИМИ была выполнена работа «Исследование устойчивости бортов карьера Сорского молибденового комбината». В результате двухгодичных исследований устойчивости бортов действующего карьера, глубина которого к тому времени была уже 150 м, были определены физико-механические свойства горных пород до глубины 500 м по данным испытаний кернового материала из скважин и даны рекомендации по углам наклона устойчивых бортов карьера. Были выделены три зоны по степени выветрело-сти пород.

В настоящее время известны три метода определения сдвиговой прочности по съемке оползней и обрушений, путем нагружения призм в массиве и по результатам лабораторных испытаний с последующим пересчетом с помощью коэффициента структурного ослабления.

Область применения первого метода ограничивается однородными массивами, когда получаемые данные могут быть распространены для аналогичных условий на других участках. При сложном структурно-тектоническом строении массива, состоящего из разнопрочных пород, этот метод, давая интегральные показатели, не характе-

ризует наиболее слабые поверхности и отдельные типы пород. Кроме того, в скальных и полускальных породах искусственное создание оползневых явлений связано с определенной опасностью ведения горных работ.

Испытание пород по второму методу может быть проведено под действием одной или двух нагрузок. Метод был широко использован при определении прочности пород ряда месторождений. Трудоемкость работ при испытаниях пород в натурных условиях существенно ограничивает масштабность применения метода.

Поэтому на данном этапе наиболее распространенным методом является третий, когда данные лабораторных испытаний образцов пересчитываются с учетом структурных ослаблений массива горных пород.

На основе результатов большого числа проведенных в различных условиях натурных испытаний Г.Л. Фисенко предложена эмпирическая формула для определения коэффициента структурного ослабления, которая нашла распространение в практике инженерных расчетов, так как проста в использовании и дает приемлемые результаты.

Обобщив результаты лабораторных и промышленных исследований, Ю.И. Туринцев разработал методику определения сцепления в массиве, которая учитывает угол между направлением среза и направлением трещиноватости, расстояние от точки массива до места проведения взрывных работ, зону максимального нарушения прочности в прибортовом массиве, направление ведения взрывных работ, что является существенным вкладом в решение вопроса комплексного учета геологических и технологических факторов при определении свойств в массиве.

Следует отметить, что разработанные методы дают результаты, отличающиеся между собой в 2-4 раза (табл. 1).

Как видно из таблицы, наиболее близки к данным натурных испытаний результаты, полученные по методу Г.Л. Фисенко.

На основе анализа погрешностей возникающих при определении физико-механических свойств пород [1] были установлены показатели физико-механических свойств горных пород, приведенные в табл. 2, а для определения углов наклона бортов карьера в табл. 3.

123

Таблица 1

Значения коэффициента структурного ослабления для различных участков Сорского карьера

Зона по глубине карьера Группа пород Среднее значение сцепления в куске, МПа Коэффициент структурного ослабления по методу

Г.Л. Фисенко Ю.И. Мартынова С.И. Попова Натурных испытаний

Верхняя Сильновыветре-лые 1,4 0,17 0,03 0,3 0,13

Выветрелые

Среднее по зоне 3,9 0,095 0,12 0,12 0,04

2,6 0,1325 0,075 0,21 0,085

Средняя Маловыветрелые 18 0,03 0,07 0,2 0,012

Невыветрелые трещи-

новатые 20 0,06 0,09 0,08 0,03

Среднее по зоне 19 0,045 0,08 0,14 0,021

Нижняя Невыветрелые средней

трещи-новатости

Невыветрелые малой 21 0,09 0,12 0,035 0,025

трещи-новатости

Невыветрелые моно-

литные 23 0,136 0,15 0,2 -

Среднее по зоне

38 0,18 0,35 0,4 -

27,3 0,135 0,196 0,211 -

124

Таблица 2

Зоны Глубина, м Группы пород Объемный вес у, т/м3 Сцепление в куске Ск, т/м2 Угол внутреннего трения ф, град. Коэффи- циент струк- турного ослабления Сцепление в массиве, Ст т/м2

Сильновыветрелые 2,38 143 36 30 0,154 0,0616 22 8,8

Верхняя 0-50 Выветрелые 2,50 390 37 30 0,082 0,0328 32 12,8

Средние 2,41 266 36,5 30 0,1018 0,0407 27 10,8

Маловыветрелые 2,62 1800 36 30 0,0283 0,0113 51 20,4

Средняя 50-250 Невыветрелые, трещиноватые 2,68 2000 36,5 30 0,0335 0,0133 67 26,8

Средние 2,65 1900 36,25 30 0,031 0,0124 59 23,6

Невыветрелые, средней трещиноватости 2,69 2100 37 30 0,031 0,0124 65 26

Нижняя 250-500 Невыветрелые, малой трещиноватости 2,70 2300 36,5 30 0,0374 0,0150 86 34,4

Невыветрелые, монолитные (условно) 2,72 3800 37,5 30 0,0321 0,0128 122 48,8

Средние 2,703 2733 37 30 0,0333 0,0133 91 36,4

Таблица 3

Расчетные характеристики физико-механических свойств горных пород для определения параметров устойчивых бортов

Зоны Глубина, м Группы пород Показатели с учетом коэффициента запаса пс=1,641 и Пф=1,312

у, т/м3 Сср, т/м2 ф, град

Верхняя 0-50 Сильновыветрелые 2,38 13,4 29,66

Выветрелые 2,50 19,5 30,55

Средние 2,41 16,45 30,10

Средняя 50-250 Маловыветрелые 2,62 31,06 29,70

Невыветрелые, трещиноватые 2,68 40,08 29,95

Средние 2,65 35,57 29,63

Нижняя 250-500 Невыветрелые, средней трещиноватости 2,69 39,55 30,55

Невыветрелые, малой трещиноватости 2,70 52,35 29,92

Невыветрелые, монолитные (условно) 2,72 74,3 30,75

Средние 2,703 55,4 30,4

Исходя из точности определения физико-механических свойств горных пород нами установлено, что коэффициенты запаса для сцепления и угла внутреннего трения различны. С учетом анализа точности было определено, что для расчета устойчивости бортов коэффициент запаса для сцепления составлял 1,641, а для угла внутреннего трения 1,312. Это нашло отражение в табл. 3.

Исследованиями установлено и практикой проверено, что при расчете устойчивых параметров приконтурных уступов следует коэффициент запаса брать равным 2 и более [1, 2]. Поэтому при оценке устойчивости нерабочих уступов южного борта карьера были рассчитаны физико-механические свойства пород с коэффициентом запаса равным 2.

На численные значения физико-механических свойств пород существенное значение оказывает направление и характер трещиноватости. Поэтому по направлениям, совпадающим с элементами залегания трещин принято сцепление в 2,5 раза меньше относительно благоприятного расположения трещин (табл. 4).

По всем профилям на участках формирования временно нерабочих бортов были отобраны образцы пород и испытаны в соответствии с ГОСТом 21153.4-75.

Результаты определения физико-механических свойств 1180 образцов пород приведены в табл. 5 и 6.

Из табл. 5 и 6 следует, что плотность, сцепление и угол внутреннего трения изменяются с глубиной залегания пород согласно ранее установленным нами закономерностям, которые имеют вид уравнений: у = 2,43 + 0,0363Н°’32 с = 0,3 + 1,1Н0995 ф = 36 + 0,0025Н

где у - плотность, т/м3; с - сцепление в куске, МПа • 10-1; ф - угол внутреннего трения, град.; Н - глубина, м.

Корреляционное отношение для плотности и сцепления составляет соответственно 0,88-0,87. Для угла внутреннего трения коэффициент корреляции 0,69. Это говорит о надежности связей. Если учесть, что глубина отсчитывается от максимальной отметки рельефа местности расположения карьера, то значения показателей физико-механических свойств пород относятся, согласно принятой классификации, к средней и нижней зонам. Более того определенные сейчас прочностные свойства в средней и нижней зонах оказались выше, чем было определено ранее (см. табл. 2 и 5).

С учетом отмеченной трещиноватости на карьере коэффициент структурного ослабления равен 0,012, что соответствует табл. 2 для средней и нижней зоны. Тогда с учетом отмеченных выше условий, количественные характеристики пород в массиве по принятым профилям будут иметь значения, приведенные в табл. 7.

Принятый угол внутреннего трения 18° по контактам слоев при ровной гладкой поверхности и отсутствии заполнителя соответствует группе пород гранодиоритам, гранодиорит-порфиритам, сиенитам и диоритам [1].

127

Таблица 4

Расчетные показатели физико-механических свойств пород для расчета параметров устойчивых уступов

Зоны Глубина, м Группы пород Коэффициент запаса у, т/м3

п=1,0 п=2,0

Ст т/м2 ф, град. Ст, т/м2 ф, град.

Верхняя 0-50 Сильновыветрелые 22 8,8 36 30 11 4,4 20 16 2,38

Выветрелые 32 12,8 37 30 16 6,4 20,5 16 2,50

Средние 27 10,8 36,5 30 13,5 5,4 20,25 16 2,44

Средняя 50-250 Маловыветрелые 51 20,4 36 30 25,5 10,2 20 16 2,62

Невыветрелые, трещиноватые 67 26,8 36,5 30 33,5 13,4 20,25 16 2,68

Средние 59 23,6 36,25 30 29,5 11,8 20,15 16 2,65

Нижняя 250-500 Невыветрелые, средней трещиноватости 65 26 37 30 32,5 13 20,5 16 2,69

Невыветрелые, малой трещиноватости 86 34,4 36,5 30 43 17,2 20,25 16 2,70

Невыветрелые, монолитные (условно) 122 48,8 37,5 30 61 24,4 21 16 2,72

Средние 91 36,4 37 30 45,5 18,2 20,5 16 2,708

По сплошным трещинам Контакты трещин заполнены глинкой - - 3,5 13 -

Контакты трещин неза- - - 1,0 25 -

128

Таблица 5

№ профиля Номер горизонта и мешка &раап., МПа Коэф. вариации, % &сж., МПа Коэф. вариации, % Сцепление со, МПа Угол внутреннего трения, Ф0о Условное сцепление ск МПа Угол внутреннего трения фо

1 Гор. 640 Меш. 1 11,5±1,99 17,3 97±24,3 25,0 17 45 29 35

Гор. 690 Меш. 62 14,0±2,91 20,8 132±8,58 6,5 23 38 35 37

Гор. 710 Меш. 63 11,6±1,93 16,6 111±7,05 6,4 20 50 32 36

Гор. 720 Меш. 56 14,4±2,9 20,2 109±14,4 13,2 23 36 26 37

Гор. 770 Меш. 31 1,46±0,204 14,0 17,7±2,24 12,6 3 47 5 38

Гор. 770 Меш. 41 17,7±3,27 18,5 181±16,8 9,3 30 46 53 38

2 Гор. 690 Меш. 53 21,9±2,84 13 197±21,5 11 40 51 50 31

Гор. 690 Меш. 60 16,7±3,59 21 168±11,4 7 30 54 43 34

Гор. 710 Меш. 54 13,9±1,59 11 142±16,2 12 26 49 37 38

Гор. 750 Меш. 64 11±2,2 20 131±12,6 9,6 22 55 36 39

3 Гор. 550 Меш. 15 18,1±3,29 18 171±31,2 18 31 55 48 35

Гор. 550 14,3±2,52 18 123±26,3 21 24 48 39 34

129

Меш. 17

Гор. 580 Меш. 13 16,3±2,88 18 140±16,72 12 27,5 48 40 35

Гор. 580 Меш. 25 20±3,07 15 190±25,1 13 35 50 50 35

Гор. 640 Меш. 3 12,3±1,68 14 131±14,89 11 23 49 37 37

Гор. 640 Меш. 30 12,5±2,45 20 113±9 8 22 51 30 36

Гор. 670 Меш. 40 11,6±1,54 13 131±12,2 9,3 22 52 36 38

Гор. 670 Меш. 50 7,14±1,23 14 73,3±10 14,6 13,5 51 20 29

Гор. 690 Меш. 55 11,8±2,31 20 139±20,6 15 23 44 36 39

Гор. 690 Меш. 57 11,5±1,26 11 111±10,7 9,6 21 52 31 38

Гор. 690 Меш. 59 14,7±4,63 32 157±30,2 19 26 54 43 36

4 Гор.590-1 Меш. 14 14,7±4,48 30 140±22,7 16 27 46 50 34

Гор.590-2 Меш. 22 13,0±1,31 10 128±12,8 10 24 54 36 36

Гор. 600-1 Меш. 9 15,7±2,63 18 160±20,1 13 29 49 43 37

Гор. 600-2 Меш. 10 11,5±2,56 22 115±7,70 6,7 21 52 31 38

Гор. 620-1 Меш. 29 14,2±1,16 8,2 141±14,3 10 26 52 38 38

130

Гор. 620-2 Меш. 42 14,2±2,16 15 139±14,5 10 25 50 38 34

Гор. 630-1 Меш. 24 22,6±3,93 17 178±34,7 19 26 48 50 35

Гор. 630-2 Меш.43 11,3±2,64 23 120±23,6 20 22 52 36 37

Гор. 630-3 Меш. 52 10,8±1,8 17 112±13,0 12 20 52 36 37

Гор. 640-1 Меш. 32 14,3±4,52 32 130±10,3 7,9 25 51 31 35

5 Гор. 550 Меш. 23 8,997±1,5 16,9 66,70±12,0 18,1 13 48 20 33

Гор. 550 Меш. 65 12,86±2,3 17,7 117,77±17,3 14,7 21 51 31 36

Гор. 580 Меш. 2 14,88±4,5 30,5 121,59±18,0 14,8 23 51 37 34

Гор. 580 Меш. 38 17,66±6,3 35,5 90,41±17,4 19,3 21 40 26 28

Гор. 590 Меш. 21 12,10±2,5 20,8 102,88±29,6 28,8 20 48 29 35

Гор. 590 Меш. 39 16,26±4,0 24,6 151,98±42,4 27,9 29 52 42 37

Гор. 600 Меш. 66 12,95±6,5 50,0 93,74±33,7 36,0 20 48 28 33

Гор. 600 Меш. 67 12,51±3,4 27,55 88,45±24,8 28,0 19 48 27 31

Гор. 610 Меш. 19 12,32±2,2 17,9 98,99±34,3 34,7 19 49 27 33

Гор. 610 13,9±3,1 22,4 123,5±42,8 34,6 24 53 34 35

Меш. 51

Гор. 640 Меш. 4 16,29±2,5 15,3 112,63±30,9 27,4 20 47 22 35

Гор. 970 Меш. 44 12,93±3,2 25,0 117,92±33,8 28,7 22 43 31 36

Гор. 670 Меш. 46 11,34±3,3 28,99 106,49±36,0 33,8 19 54 28,5 36

6 Гор. 550 Меш. 35 11,11±4,6 41,3 112Д3±22,5 20,0 20 52 22 36

Гор. 550 Меш. 49 9,30±2,7 29,3 93,41±37Д 39,8 17 54 26 36

Гор. 570 Меш. 34 12,55±2,6 21,7 112,84±28,5 25,3 21 51 30 33

Гор. 570 Меш. 48 8,68±1,9 21,9 125,39±40,4 32,2 20 54 38 38

Гор. 590 Меш. 16 10,57±3,8 36,2 163,66±38,0 23,2 25 54 51 32

Гор. 590 Меш. 26 10,68±3,3 30,7 152,92±28,4 18,6 20 57 42 41

Гор. 590 Меш. 28 11,94±3,5 29,6 92,55±25,6 27,7 18 54 25 33

Гор. 610 Меш. 8 16,45±2,4 14,4 171Д2±43,8 25,6 30 52 46 38

Гор. 610 Меш. 27 17,53±2,1 11,8 114Д2±33,7 29,6 26 49 32 31

Гор. 610 Меш. 36 9,02±1,8 19,7 53,77±11,4 21,3 11 43 17 28

Гор. 620 Меш. 68 15,53±2,8 18,6 146,70±30,7 20,9 27 50 37 38

Гор. 640 13,53±4,9 36,8 110,35±31,0 28,1 22 50 30 36

Меш. 11

Гор. 640 Меш. 37 8,85±2,9 33,7 61,63±12Д 19,9 14 49 19 27

Гор. 350 Меш. 12 12,27±3,5 28,9 108Д8±20,4 18,8 20 51 31 35

Гор. 650 Меш. 33 9,38±4,0 42,7 117,85±38,8 32,9 17,5 56 35 40

Таблица 6

Физические свойства пород

№ п/п № профиля Высотная отметка горизонта Номер мешка Плотность кг/м3 Влажность, %

в естественном состоянии в сухом состоянии

1 5 550 23 2600 2523 3,05

2 5 550 65 2547 2516 1,23

3 5 580 2 2634 2589 1,74

4 5 580 38 2761 2676 3,06

5 5 590 21 2546 2513 1,30

6 5 590 39 2628 2616 0,46

7 5 600 66 2562 2546 0,63

8 5 600 67 2658 2624 1,30

9 5 610 19 2562 2497 2,60

10 5 610 51 2755 2745 0,36

11 5 640 4 2718 2630 3,35

12 5 670 44 2617 2557 2,35

13 5 670 46 2567 2538 1,14

14 6 550 35 2856 2782 2,70

15 6 550 49 2634 2577 2,21

16 6 570 34 2517 2476 1,70

17 6 570 48 2553 2539 0,55

18 6 590 16 2509 2499 0,40

19 6 590 26 2545 2524 0,83

20 6 590 28 2806 2782 0,86

21 6 610 8 2581 2562 0,74

22 6 610 27 2804 2764 1,45

23 6 610 36 2574 2514 2,39

24 6 620 68 2757 2739 0,66

25 6 640 11 2614 2564 1,95

26 6 640 37 2673 2620 2,0

27 6 650 12 2763 2733 1,1

28 6 650 33 2585 2572 0,40

При заполнителе трещин глинкой трения, значения сцепления и угла внутреннего трения приняты согласно данным ВНИМИ [1].

Сорское месторождение руд относится к штокверковому типу. Рудное поле сложено исключительно магматическими породами: диоритами (до 40%), лейкократовыми гранитами (57%), малыми интрузиями (3%). Разнообразный состав интрузии и положение месторождения в узле пересечения Северо-Западной и СевероВосточной тектонических зон, гидротермальный метаморфизм дал пестроту и перемежаемость пород.

Таблица 7

Номер профи- ля Горизон- ты, м Плот- ность пород, т/м3 Сцепление в куске, МПа Угол внутреннего трения, ф, град Коэффициент структурного ослабления Сцепление в массиве, С, '-м*

1 770-570 2,64 30 18 0,012 0,36

2 770-560 2,61 41,5 18 0,012 0,498

3 690-550 2,63 37,3 18 0,012 0,45

4 640-590 2,66 38,9 18 0,012 0,466

5 670-550 2,63 31,8 18 0,012 0,382

6 650-550 2,65 32,06 18 0,012 0,384

По сплошным трещинам [1] Контакты трещин заполненные глинкой трения 16 - 0,100

Контакты трещин не заполненные глинкой трения 18 - 0,01

Однако основную часть площади карьерного поля в восточной части занимают породы гранитоидного комплекса. На Западном фланге большое распространение получили диориты и сиенито-диориты.

В структурном отношении на месторождении выделено три уровня:

- крупные тектонические нарушения юго-западного и широтного простираний;

- средний - крупные породные блоки 50 х 50, до 100 м;

- микроуровень - комплексы гранитоидов и диоритов (мелкоблочные, до 20 см).

Определяющими в пределах карьерного поля являются две системы трещин: северо-западного простирания (300-310°) с углами падения 50-75° и северо-восточного простирания (30-40°) с крутыми углами падения до 80°, выполаживающимися до 10-15° к юго-востоку. Наиболее ослабленными с точки зрения устойчивости являются участки восточного борта.

Таблица 8

Элементы залегания Элементы залегания

Система Азимут про- Угол па- Система Азимут про- Угол па-

трещин стирания, дения, трещин стирания, дения,

градус градус градус градус

I 530-350 50-55; V 120-140 70-75;

340 65-70; 130 90;

II 10-40 15-30; VI 145-185 45-47;

25 40-45; 165 50-55;

III 60-90 50-55; VII 220-250 45-50;

75 70-75; 235 75-85;

IV 90-110 100 50;60-65; 75; >80 VIII 280-310 295 65-90

Помимо упомянутых трех основных систем трещин в пределах карьерного поля отмечены еще пять систем трещин. Элементы залегания всех систем трещин приведены в табл. 8.

Предполагаемые зоны ведения горных работ с постановкой уступов во временно нерабочее положение показаны на рис. 1 с обозначением разрезов 1, 2, 3, 4, 5 и 6 по центральным частям участков отработки.

Верхняя часть борта карьера по разрезу 1 представлена сиенитами роговообманковыми и пироксен роговообманковыми гнейсовидными. Этими же породами сложена приокосная часть уступов между горизонтами 570-685 м. Уступы с гор. 685-740 м сложены диоритами биотит-роговообманковыми и роговообманковыми. На горизонтах 740-760 м уступы сложены лейкократовыми породами: гранитами, граносиенитами, сиенитами, плагиогранитами. Борт в районе разреза 2 сложен в основном лейкократовыми породами: гранитами, граносиенитами, сиенитами, плагиогранитами. Уступы между горизонтами 620-650 м сложены диоритами биотит-роговообман-ковыми и роговообманковыми сиенитами.

Породы уступов по разрезу 3 представлены лейкократовыми породами: гранитами, граносиенитами, сиенитами, плагиогранита-ми. Аналогичными породами сложены уступы в районе разреза 4.

Нижняя часть (гор. 550-630 м) борта по разрезу 5 представлена таким же комплексом пород, а в верхней части от гор. 630-685м уступы сложены сиенитами роговообманковыми и пироксен-роговообманковыми гнейсовидными.

Рис. 1. План-схема отбора проб на участках формирования временно нерабочих бортов

Борт в районе разреза 6 сложен на гор. 560-640 м пегматитами, а гор. 640-650 м кварцевыми жилами, штоками. В приоткосной части на гор. 570-620 м отмечены лейкократовые породы.

Наибольшее влияние на устойчивость уступов оказывают продольные и диагональные согласнопадающие относительно простирания обнажения системы трещин. С этих позиций наибольшее влияние на устойчивость уступов по профилю 1 окажут системы III, IV, V, по профилю 2 соответственно системы IV, V, VI, по профилю 3 системы V и VI, по профилю 4 системы II и III, по профилю 5 системы I и VIII, по профилю 6 системы I и II.

Придание откосам временно нерабочих уступов и бортов углов, соответствующих свойствам пород, является одним из первых мероприятий, способствующих предотвращению развития деформации бортов карьеров.

Продольные системы трещин с углом падения в сторону выемки предопределяют характер возможной поверхности скольжения призмы обрушения.

Учитывая, что при определенных условиях скольжения может произойти не по плоскостям ослабления, а по площадкам скольжения, образующим с плоскостью горизонта угол 5п = а - (45 - фм/2), первостепенное значение при решении задач устойчивости откосов, приобретает вопрос определения положения линии возможного обрушения.

Исходя из геологического строения прибортового массива и пространственной ориентировки природных систем трещин, для условий карьера выделено четыре геомеханические модели, характеризуемые видом поверхности скольжения и включающие четыре расчетные схемы (табл. 9).

Условием, определяющим возможность сдвига по подсекающим плоскостям ослабления, будет выполнение неравенства А<1,

где См и Ст - соответственно силы сцепления пород в массиве и по полого (подсекающей) плоскости ослабления, МПа; фм и фт - соответственно угол внутреннего трения пород в массиве и по пологой (подсекающей) плоскости ослабления, град.; а - угол наклона от-

рМ

2

CМ cos рМ sm

коса уступа, град.; 5 - угол наклона пологой (подсекающей) плоскости ослабления,град.

Реализация плоскости ослабления, падающей в сторону выемки под углом 5 с прочностными характеристиками по ней Ст и фт в поверхность скольжения может произойти при выполнении неравенства (1).

При невыполнении неравенства (1) сдвижение может произойти только по площадкам скольжения, образующим с горизонтом угол 5=5п= а - (45 - фм/2).

Условием реализации крутопадающих плоскостей ослабления в поверхности сдвижения определяется как

Д>С’т,

mYsin

где Д =-----------:— ------------, -------¿,

sin AcospM cos рт

где у - плотность пород в массиве, т/м3; m - расстояние по нормали между крутопадающими плоскостями ослабления, м; С’т - сцепление по крутопадающей плоскости ослабления, МПа; ф’т - угол внутреннего трения по крутопадающей плоскости ослабления град.; X - угол наклона крутопадающей плоскости ослабления, град.

Если неравенство (2) не выполняется, расчет следует вести по схеме с подрезкой откоса одной пологопадающей плоскостью ослабления или по схеме, когда сдвижение происходит по площадкам скольжения.

Поскольку в качестве подсекающей системы трещин может служить II система по профилям 4 и 6, проверим условие их реализации. Из уравнения (1) имеем А=0,0425, что меньше 1. Это свидетельствует о том, что II система трещин на этих участках служит площадками скольжения. Поэтому для этих профилей будем пользоваться расчетной схемой 4, а для остальных профилей расчетной схемой 3.

При этом необходимо отметить, что по крутопадающим трещинам в схеме 3 в результате взрывных работ сцепление отсутствует, то есть Ст=0. Первая схема неприменима, так как массив пород анизотропен.

Коэффициент запаса служит для учета точности определения физико-механических свойств, точности измерений при построениях и расчетах, а также влияние временного фактора.

Таблица 9

139

Таблица 10

Расчетные значения углов наклона устойчивых уступов временно нерабочих бортов карьера

№ профиля Горизонты, м Плотность пород, т/м3 Показатели свойств пород при пс=1,641 и пф=1,5 Углы устойчивых уступов,градус

Высота уступа, м

С '-р> МПа фр, градус

1 770-570 2,64 0,22 12 1 770- 570 2,64

2 770-560 2,61 0,30 12 2 770- 560 2,61

3 690-550 2,63 0,274 12 3 690- 550 2,63

4 640-590 2,66 0,284 12 4 640- 590 2,66

5 670-550 2,63 0,232 12 5 670- 550 2,63

6 650-550 2,65 0,234 12 6 650- 550 2,65

Расчет коэффициента запаса для условий Сорского карьера велся по методике, приведенной в работе [2]. Согласно нашим исследованиям и расчетам коэффициент запаса должен быть различным для сцепления и угла внутреннего трения, а в работе [2] рекомендуемый коэффициент запаса одинаков по этим показателям свойств и составляет не менее 1,5 для уступов во всех случаях. Аналогична рекомендация и в работе [1] для уступов со сроком службы до 5 лет.

Поскольку по нашим расчетом коэффициент запаса по сцеплению оказался больше 1,5, а по углу внутреннего трения меньше 1,5, то вводим в характеристики соответственно пс=1,641 и пф=1,5. Расчетные характеристики свойств пород в массиве и по трещинам, а также углы устойчивых уступов разной высоты приведены в табл. 10.

Расчет по профилям 4 и 6 проводился с учетом сдвигающих показателей по гладким трещинам, заполненным глинкой трения.

Согласно «Временным методическим указаниям по управлению устойчивостью бортов карьеров цветной металлургии» [2] коэффициент надежности определяют как функцию категории борта и срока состояния борта:

t = a-b,

где a - коэффициент, учитывающий категорию борта, равный для наших условий 1,6 (первая категория для весьма сложных условий); b - коэффициент, учитывающий продолжительность стояния борта и равный 1,10 (до 5 лет в весьма сложных условиях).

Отсюда t = 1,76, что соответствует доверительной вероятности W = 0,92. Риск, который отражает меру надежности устойчивого состояния откоса, определяется по формуле:

1 - W

R =----------100%

2

где R - риск разрушения откоса; W - вероятность разрушения откоса.

Отсюда R = 4%, что свидетельствует о достаточности объема инженерно-геологических исследований для решения поставленной задачи.

-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. - Л.: ВНИМИ, 1972, 165 с.

2. Временные методические указания по управлению устойчивостью бортов карьеров цветной металлургии. - М.: Минцветмет СССР, Унипромедь, 1989, 128 с.

3. ЛукичевВ.Г., Свистунова С.Г., ГордеевВА, ГолубкоБ.П., Самарин А.В., Киселев В.А., Земских Г.В. Отчет по НИР «Исследование геологических процессов на Сор-ском карьере». Унипромедь, УГГА, Екатеринбург, 1996.

4. Попов В.Н., Ильин А.И. Устойчивость бортов карьеров. М.: МГИ, 1991,109 с.

5. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М., Недра, 1965.

МГА

— Коротко об авторах --------------------------------------------------

Попов В.Н. - декан, зав. кафедрой, профессор, доктор техничес-ких наук кафедры «Маркшейдерское дело и геодезия» Московского государственного горного университета, mdg@msmu.ru Сильченко О.Б. - профессор, доктор технических наук кафедры «Маркшейдерское дело и геодезия» Московского государственного горного университета, mdg@msmu.ru

Парамонова М.С. - аспирант кафедры «Маркшейдерское дело и геодезия» Московского государственного горного университета, paramonovagg104@mail.ru