Разработка обоснованного проекта устойчивого борта карьера

Министерство образования Российской Федерации Магнитогорский государственный технический университет им.Г.И. Носова Факультет горных технологий и транспорта

Министерство образования Российской Федерации

Магнитогорский государственный технический университет им.Г.И. Носова

Факультет горных технологий и транспорта

Кафедра открытой разработки месторождений полезных ископаемых

Курсовая работа

по дисциплине "Основы геомеханики"

по теме: "Разработка обоснованного проекта устойчивого борта карьера"

Проверил: доцент, канд. тех. наук

Черчинцева Т.С.

Выполнил: студент группы 0905

Бондарев К.О.

Магнитогорск 2008

Содержание

Введение

1. Условия залегания и физико-механические свойства пород массива

1.1 Определение коэффициента структурного ослабления и удельного сцепления пород в массиве

1.2 Обоснование угла внутреннего трения и удельного веса пород в массиве

1.3 Усреднение физико-механических свойств массива

2. Обоснование устойчивого результирующего угла откоса борта карьера

2.1 Определение расчетных усредненных свойств массива

2.2 Определение проектного угла устойчивого плоского откоса

Заключение


Введение

Для глубоких карьеров большое экономическое значение имеет максимально возможное увеличение углов откоса борта: снижение на 2-30 ведет к росту общего объема вскрыши на 5-10 млн. м3 на один километр периметра карьера глубиной около 300 м.

С другой стороны, на необоснованно крутых бортах неизбежно развиваются деформации в виде оползней и обрушений. В этом случае на поддержание транспортных коммуникаций в зонах деформаций затрачивается много времени и средств, приходится прибегать к уменьшению размеров взрывных блоков и увеличивать частоту взрывов. Иногда оползневые борта требуют консервации или перепроектирования карьера, что, в свою очередь, ведет к потерям полезного ископаемого, уменьшению размеров карьера в плане, усложнению технологии горных работ.

Из изложенного напрашивается вывод: в конкретных горнотехнических условиях месторождения необходим поиск оптимальных параметров откоса борта и его уступов.

Таким образом, целью геомеханических изысканий является обоснование оптимальных проектных решений, которые обеспечивают, с одной стороны, экономичность производства, с другой - безопасность горных работ.

Геомеханические исследования включают в себя изучение: физико-механических свойств породного массива и изменение их с глубиной; геологических структурных особенностей залегания пород; взаимосвязи напряжений в массиве и деформаций пород в выработках; прогнозирование вероятных деформаций и мероприятия по их предупреждению.


Исходные данные

m1
Скальные породы сильнотрещиноватые

Песчано-глинистые

отложения

Скальные породы сильнотрещиноватые

Песчано-глинистые

отложения

Песчано-глинистые

отложения

Скальные породы сильнотрещиноватые

H
m2

Скальные породы среднетрещиноватые
А
Скальные породы среднетрещиноватые

Рисунок 1 Поперечное сечение месторождения по лежачему боку залежи: А -нижняя бровка проектного борта карьера; Н - высота борта карьера

Таблица 1.

Исходные данные

Номер варианта 1
Глубина карьера, Н, м 360
Мощность песчано-глинистых отложений, m1 , м 15
Мощность сильнотрещиноватых скальных пород, m2 , м 200
Срок службы карьера, лет 25

Таблица 2.

Физико-механические свойства образцов пород и их структурные особенности в массиве

Тип пород и их свойства
Песчано-глинистые отложения Сильно трещиноватые скальные Средне трещиноватые скальные
Удельный вес , МН/м3 0,025 0,034 0,035
Удельное сцепление С0 , МПа 0,03 11,4 11,6
Угол активного внутреннего трения , град 21 33 30
Среднее расстояние между трещинами, , м - 0,24 0,5

1. Условия залегания и физико-механические свойства пород массива

1.1 Определение коэффициента структурного ослабления и удельного сцепления пород в массиве

Так как свойства пород заданы для образцов пород, их необходимо пересчитать на условия массива.

Удельное сцепление - это прочность породы на сдвиг, то есть минимальное касательное напряжение, при котором происходит смещение одной части породы по отношению к другой.

Интенсивность трещиноватости - это количество трещин, приходящихся на 1 погонный метр массива , где - среднее расстояние между трещинами всех систем, м.

Коэффициент структурного ослабления можно определить эмпирической формулой

,

где а - коэффициент, учитывающий прочность образца (Со) и характер трещиноватости, Н - высота откоса, для которого производятся геомеханические расчеты, м. Глинистые наносы можно считать монолитными, для них Ксо = 0,8 и сцепление их в массиве снижается незначительно.

Степень снижения прочности характеризуется величиной коэффициента структурного ослабления , где С, Со - удельное сцепление пород в массиве и образце соответственно, МПа. Зная Ксо , можно вычислить для всех типов скальных пород их удельное сцепление в массиве

С = Ксо * Со.

Результаты вычислений представлены в таблице 3.

1.2 Обоснование угла внутреннего трения и удельного веса пород в массиве

Угол внутреннего трения пород - это угол предельного равновесия, при котором одна часть породы относительно другой находится в равновесии при полном отсутствии сцепления между этими частями. Для снижения влияния ошибки в расчете сил трения, которая может привести к завышению расчетной устойчивости откоса, принимают величину tg всех типов пород в расчетах на 10% ниже: tg = 0.9 * tg, откуда

= arctg (0.9*tg).

Удельный вес пород в равной степени оказывает влияние на величину как касательных (разрушающих) сил, так и сил трения, поэтому в расчетах принимается = .

Результаты расчетов свойств пород в массиве занесены в таблицу 3 и в таблицу на схеме.

Таблица 3.

в образце в массиве
породы Со l Kсо C а
Песчано-глинистые отложения 0,03 21 0,025 - - 0,8 0,02 0 19 0,025

Сильно

трещиноватые скальные

11,4 33 0,034 0,24 4,17 0,04 0,49 3 30,3 0,034
Средне трещиноватые скальные 11,6 30 0,035 0,5 2,0 0,05 0,56 3 27,5 0,035

1.3 Усреднение физико-механических свойств массива

Из т. А (нижняя бровка откоса) проводим линию плоского откоса АВ под углом к горизонтали . Дугу линии скольжения проводят следующим образом: от верхней бровки откоса В отмеряют 0,25*Н - 0,25* 360 = 90 м, по верхней площадке (т. С). Из конца этого отрезка проводят луч под углом сдвига наиболее прочных пород массива к вертикали, или 300 . Из нижней бровки проводят луч под тем же углом к откосу. Пересечение перпендикуляров, восстановленных к этим лучам в т. А и В, указывает центр дуги линии скольжения. Призма САВ является участком усреднения свойств пород.

Усредненная величина удельного сцепления

,

где С1. .3 - удельное сцепление пород, l1. .3 - длина участков линии скольжения:

По схеме находим: l1 =24 м, l2 = 200 м, l3 = 350 м

Тогда =0,51 МПа

Усредненный удельный вес пород

,

где - удельный вес пород всех типов, m1,2,3 - вертикальная мощность пластов пород всех типов:

Средний по блоку удельный вес определяется как средневзвешенный в соответствии с долевым участием разных типов пород

,

где S1,2,3 - площадь блока, занимаемая различными породами, Si - общая площадь i- го вертикального блока.

0,025 мН/м3

= 0,033 мН/м3

0,0345 мН/м3

Величина нормального напряжения , где - средний по i-му вертикальному блоку удельный вес пород, МН/м3 , hi - высота i-го блока, м, - угол между направлением и вертикалью.

= 0,025 * 14 * cos2 52є = 0,13 мН/м2

= 0,033 * 128 * cos2 45є = 2,11 мН/м2

= 0,0345 * 130 * cos2 25є = 3,68 мН/м2

Усредненный угол внутреннего трения

= 28,3є


Результаты расчетов усредненных показателей заносим в таблицу на схеме.

2. Обоснование устойчивого результирующего угла откоса борта карьера

2.1 Определение расчетных усредненных свойств массива

Коэффициент запаса устойчивости - это величина, показывающая относительное превышение прочности массива по сравнению со сдвигающимися напряжениями. Для карьеров со сроком службы до 25 лет можно принять Кзу=1,3, более 25 лет - Кзу =1,4.

По условию срок службы карьера 25 лет, значит, Кзу = 1,3.

Для определения угла откоса борта с заданным запасом используют известную зависимость H = f (a), где Н - высота откоса, а = его угол, Кзу = 1.

Параметры определим по расчетным механическим свойствам:

= 0,51/1,3 = 0,39 МПа

= arctg (tg 28,3є / 1,3) = 22,5є

Расчетная высота вертикального обнажения пород:

= (2*0,39/0,034) *ctg (45є - (22,5є /2)) = 34 м

H' = Н / Н90 (р) = 360/35 = 10,59

2.2 Определение проектного угла устойчивого плоского откоса

По величине H' и на графике Фисенко определяем угол устойчивого откоса =35є.

На схеме поперечного сечения месторождения строим результирующую линию устойчивого откоса борта под углом .

3. Построение наиболее вероятной линии скольжения в проектном борту

Это теоретически обоснованное положение поперечного сечения поверхности, по которой деформация сдвига пород откоса вероятна в наибольшей степени, то есть расчетная величина коэффициента запаса устойчивости по ней является минимальной.

Определим фактическую высоту вертикального обнажения усредненных пород массива

= = 50 м

На глубине Н90 от верхней площадки борта проводим горизонтальную линию.

Из верхней бровки откоса опустим вертикальный луч, который является линией направления наибольшего главного напряжения в точке а, из которой проводят луч под углом сдвига = 45є - 28,3є/2 = 30,85є к вертикали. Этот угол является постоянной величиной, определяющей в каждой точке массива направление касательных напряжений (сдвига) по отношению к направлению наибольших главных напряжений.

Средний угол наклона дуги линии скольжения

= (35+28,3) /2= =31,65є.


Вертикаль из т. d показывает вероятное положение трещины отрыва при деформации откоса. Размер площадки fc называют шириной призмы скольжения.

4. Расчет общей устойчивости проектного плоского откоса борта

Использование усредненных свойств пород в расчетах обуславливает значительные ошибки в определении угла откоса с заданными Кзу. Поэтому требуется проверка проектного откоса по условию его устойчивости.

Для откосов, сложенных разнопрочными породами, для расчета величины коэффициента запаса устойчивости обычно используют "метод алгебраического сложения сил".

Расчет сил в блоках выполнен по формулам:


Таблица 4.

Расчет сил по линии скольжения

Номер блока i Ширина В, м Высота h, м Удельный вес пород γ, мН/м3 Сила тяжести Р, мН Угол сдвига β, град Касательная сила Т, мН Нормальная сила N, мН Угол внутреннего трения φ, град Сила трения Fт, мН Удельное сцепление С, МПа Длина основания блока L, м Сила сцепления Fс, мН
1 50 50 0,034 85 48 63,2 56,9 30,3 33,2 0,49 76 37,2
2 51 70 0,034 121,4 47 88,8 82,8 30,3 48,4 0,49 72 35,3
3 50 82 0,034 139,4 40 89,6 106,8 30,3 62,4 0,49 66 32,3
4 52 88 0,035 160,0 37 96,4 127,9 27,5 66,6 0,56 65 36,4
5 50 89 0,035 155,8 33 84,9 130,7 27,5 68,0 0,56 60 33,6
6 50 83 0,035 145,3 25 61,4 131,7 27,5 68,6 0,56 57 31,9
7 51 71 0,035 126,7 22 47,5 117,5 27,5 61,2 0,56 55 30,8
8 52 55 0,035 100,1 19 32,6 94,6 27,5 49,2 0,56 55 30,8
9 51 37 0,035 66,0 15 17,1 63,8 27,5 33,2 0,56 53 29,7
10 50 27 0,035 47,3 11 9 46,4 27,5 24,2 0,56 51 28,6
Сумма сил - - - - - 590,5 515,0 326,6

Коэффициент запаса устойчивости

, где -

удерживающие силы: сумма сил трения и сумма сил сцепления соответственно, - сдвигающие силы: сумма касательных сил, МН.

= = 1,43

Принятый проектный угол откоса борта удовлетворяет условию устойчивости откоса с усредненными свойствами пород.

5. Расчет местной устойчивости проектного откоса из глинистых пород

Прочность усредненных пород значительно выше прочности пород наносов, поэтому часть откоса принадлежащая слабым породам, требует проверки его устойчивости и соответствующей корректировки борта.

Расчет коэффициента запаса местной устойчивости этой части откоса можно выполнить методом "касательных напряжений".

= = 2,2 м

= 45є - 19є/2 = 35,5є

= (35+19) /2= =27є.

Вычертим схему поперечного сечения части откоса по глинистым наносам в масштабе 1: 200 или 1: 500, построим наиболее вероятную линию скольжения, используя свойства глинистых наносов и высоту, равную их вертикальной мощности m1. Наметим равномерно расположенные расчетные точки линии скольжения 0,1,. .6. и рассчитаем для каждой точки:

Касательные напряжения

Сопротивление пород сдвигу

Все результаты замеров и расчетов заносим в таблицу 5.

Таблица 5

Касательные напряжения и сопротивление сдвигу

номер расчетной точки высота пород над точкой h, м угол сдвига β, град сопротивление пород сдвигу, МПа касательные напряжения, МПа
0 0 4 0,02 0,00
1 3,2 12 0,046 0,016
2 5,2 24 0,057 0,048
3 6,0 37 0,053 0,072
4 5,8 46 0,044 0,073
5 3,5 55 0,03 0,041
6 2,2 90 0,02 0,00

Строим координатную сетку, у которой горизонтальной осью служит развертка линии скольжения, вертикальная - ось касательных напряжений, и эпюры и по полученным результатам (таб.5).

Замеряем площади построенных эпюр и определяем коэффициент запаса устойчивости = 60,9/63,1 = 0,97

Если расчетный Кзу <1.5, то следует уменьшить угол откоса на песчано-глинистых породах.

Принимаем Кзу = 1.5

= = 1,3 м

= arctg (tg 19є / 1,5) = 12,9є

= 0,02/1,5 = 0,013 МПа

Относительная высота откоса:

H'гл = Нгл / Нгл 90 (р) = 15/1,3 = 11,5

По величине H'гл и φр гл определяем угол αгл = 20є по графику Фисенко - зависимости между высотой и углом плоского откоса.

В соответствии с полученными результатами отстраиваем верхнюю часть борта карьера под углом на общей схеме.

В результате всех предыдущих расчетов и построений получаем результирующую линию откоса борта. Полный проект борта по заданному разрезу необходимо отстроить с конструктивными элементами: уступами и горизонтальными площадками.

Заключение

В ходе выполнения данной работы были проведены геомеханические исследования, включающие в себя изучение физико-механических свойств массива; взаимосвязь напряжений и деформаций пород в массиве; геологические структурные особенности залегания пород. А также были рассмотрены некоторые инженерные методы расчета устойчивости пород.

В результате были обоснованы параметры устойчивости откосов борта карьера и его уступов.