Определение углов устойчивого откоса борта угольного разреза

УДК 622.271.333: 624.131.32

Н. А. Смирнов, С. М. Простов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛОВ УСТОЙЧИВОГО ОТКОСА БОРТА УГОЛЬНОГО

РАЗРЕЗА

Объектом исследований является массив горных пород, прилегающий к западному борту участка открытых горных работ Бачатского угольного разреза. План участка представлен на рис. 1. Участок ограничен бортом разреза 1 и насыпным массивом автоотвала вскрышных горных пород, организованного на месте бывшего Сагарлыкского гидроотвала. Размеры опытного участка составили: длина (вдоль бровки борта) -2000-2200 м, ширина - 300-500 м. Для

исследований намечены два профиля вертикального электрического зондирования (ВЭЗ): х, хь Рельеф поверхности - равнинный, на территории участка находятся высоковольтные и низковольтные ЛЭП с опорами на железобетонных основаниях. По контуру отвала 3 расположен водоотводной канал шириной 1,5-2 м и глубиной 1-2 м.

Целью исследования являлось обоснование расчетных параметров откосов рыхлых отложений

на основе данных геофизических исследований и обратных геомеханических расчетов.

При анализе горно-геологических условий установлено, что геологическая структура исследуемого массива горных весьма неблагоприятна для обеспечения устойчивости борта карьера: на многих поперечных сечениях зафиксировано монотонное увеличение мощности рыхлых глинистых отложений при приближении к борту (рис. 2), при этом падение контакта коренных пород было направлено в сторону массива.

При вскрытии замковой части (зоны максимальных мощностей) глинистых отложений, падение контакта коренных пород изменилось в направлении выработки (борта). Таким образом, была удалена упорная часть верхнего участка борта, что инициировало формирование обрушений глинистых отложений по контакту коренных пород

Рис. 1. План исследуемого участка: О - центры установок ВЭЗ; 1 - борт разреза; 2 - оползни; 3 -автоотвал на площади гидроотвала Сагарлыкский; х, х} - профили зондирований;

52-68 - разведочные профили

ВЭЗ №1

Рис. 2. Изменение мощности слоя глинистых отложений по профилям у1 и у2: к - глубина от земной поверхности

. На обнажении оползневого участка борта отдельные водопроявления были зафиксированы на глубине 13-17 м от земной поверхности. Обрушение уступа происходило с оседанием на 34 м призмы прибортового массива. При этом в верхней части обрушения участок уступа высотой до 3-6 м имел угол откоса, равный 90° (трещина отрыва), а в нижней части угол откоса выполаживается до 20-30°. На оползнеопасных участках производилось бульдозерное

планирование откоса уступа до углов 15-20°, обеспечивающих его стабильное состояние. Расчеты по определению устойчивости выполняются, в основном, по материалам геологических изысканий 1950-70-х годов, поэтому весьма актуальной представляется задача обоснования проектных параметров на основе современных данных.

Прогноз изменения физико-механических свойств ИГЭ методом УЭС реализуется на основе

а б

Рис. 3. Результаты лабораторных исследований зависимости сцепления С (а) и угла внутреннего трения

ф (б) глинистых пород от влажности Ж

Рис. 4. Схема оползневого участка борта для неоднородного массива (а) и эквивалентного однородного массива (б): 1 - контур борта до оползня; 2 - контур борта после оползня; 3 -поверхность скольжения; 4 - граница коренных пород и рыхлых отложений

корреляционных зависимостей между влажностью глинистых горных пород, представленных

и механическими параметрами. Результаты разновидностями глин и суглинков, позволили

исследований физико-механических свойств установить линейные регрессионные зависимости

а

б

Рис. 5. Результаты ВЭЗ и их интерпретации для ВЭЗ №3 (а) и №4 (б):

N - номер слоя; р - УЭС слоя, Омм; И - мощность слоя, м; й - глубина от земной поверхности до почвы слоя, м; Абс - абсолютное значение отметки почвы слоя, м

Таблица. Расчетные параметры прибортового массива

№ ВЭЗ Мощность слоя рыхлых отложений Н, м Мощность водонасыщенного слоя к2, м Влажность Ж, % Сцепление С, МПа Угол внутреннего трения ф

Данные по профилю х

1 37 13,4 37 0,028 5

2 32 12,7 37 0,028 5

3 30 11,7 30 0,045 7

4 25 10,8 35 0,033 6

5 27 9,5 38 0,026 5

Данные по профилю хі

1 33 12,1 38 0,026 5

2 37 14,6 38 0,026 5

3 36 15,3 31 0,043 7

4 33 13,5 35 0,033 6

(рис. 3):

35

11,8

„ 31 0,028 5

Одной из основных причин оползня является

С = -0,00219Ж + 0,1141,-

(р = -0,25Ж +14,48;

,

(г = 0,79; г = 5,47) где С - сцепление, МПа; ф - угол внутреннего трения, град; Ж -влажность, %; г - коэффициент корреляции; t - критерий надежности оценки Стьюдента.

Для расчета проектных параметров откосов проведено корректирование физико-механических свойств ИГЭ на основе обратных расчетов по результатам произошедшего на исследуемом участке 20.06.03 оползня участка борта. Вид деформации - оползень однородного массива, поверхность скольжения выходит на откос вблизи границы четвертичных и коренных отложений.

а

формирование ослабленного слоя глинистых пород вследствие влагонасыщения массива в зоне гидродинамического влияния гидроотвала 3 (см. рис. 1) [1]. Профиль борта до и после оползня показан на рис. 4. Структура массива определена на основе данных ВЭЗ, проведенного в непосредственной близости от деформированного участка. Начальные значения параметров определены на основе имеющихся данных инженерно-геологических изысканий и корреляционных зависимостей.

В результате обратных расчетов получены следующие значения обобщенных параметров: С = 0,04 МПа, ф = 8 град.

На исследуемом участке выполнено десять измерений методом ВЭЗ (рис. 1). Интерпретация данных ВЭЗ выполнялась с помощью программного комплекса IPI2win, при этом в

б

Рис. 6. Зависимости проектных углов откосов а от КЗУ п (а) и продольной координаты х (б): 1 - профили Оу и 05у5; 2 - O2y2, 3 - 03у3; 4 - 0^4; 5 - п = 1; 6 - п = 1,1; 7 - п = 1,2

качестве априорной информации в программу вводились значения мощности рыхлых

отложений. На геоэлектрическом разрезе

выделяется поверхностный слой небольшой мощности, слой мощностью И1 суглинков при естественной влажности и водонасыщенный слой мощностью И2 глинистых пород.

В табл. 1 приведены основные параметры прибортового массива в районе ВЭЗ, рассчитанные на основе интерпретации данных ВЭЗ, корреляционных зависимостей и обратных расчетов. Эти данные являются основой для расчета проектных параметров откосов. При

высоте уступов, равной мощности слоя рыхлых отложений, определены углы откосов, при

которых будет сохраняться устойчивость борта.

На рис. 6 показаны зависимости величины угла откоса а от коэффициента запаса устойчивости п и продольной координаты х.

Использование данных геофизических

измерений и обратных расчетов позволило определить проектные параметры откосов без дополнительных затрат на инженерногеологические изыскания. При этом

использование в прямых и обратных расчетах одной и той же физико-геологической модели, определенной по данным ВЭЗ, создает замкнутую систему, в рамках которой компенсируются погрешности, связанные с интегральным характером параметров, определенных по данным геофизических измерений.

Физические процессы горного производства

12

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Прогнозирование зон скрытой фильтрации в грунтовом массиве при ведении открытых горных работ / С. М. Простов, Е. В. Костюков, В. А. Хямяляйнен, М. А. Кузнецов // ГИАБ. - 2005. - № 9. - С. 64-67.

Авторы статьи:

Смирнов Простов

Николай Александрович, Сергей Михайлович,

аспирант КузГТУ. докт.техн. наук; проф. каф.

Email: SmimovNick@vandex.ru; теоретической и геотехнической

механики КузГТУ. Тел. 89050757924