Механизм деформирования, способы предупреждения и локализации деформаций уступов в скальных и полускальных породах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.01, кандидат технических наук Малютин, Владимир Иванович

• Малютин, Владимир Иванович
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Малютин, Владимир Иванович

ВВВДЕНИЕ.

X УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ, МЕРОПРИЯТИЯ по ПРЬЩУПРЕМЛЛНЖ) И ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИЙ УСТУПОВ НА КАРЬЕРАХ.

1.1 Деформации уступов, условия и причины их возникновения

1.2 Определение углов наклона уступов, их элементов и параметров

1.3 Опыт проектирования мероприятий по предупреждению деформаций и обеспечению безопасных, .условий работы в карьерах при их возникновении

1.4 Выводы. Цель и задачи исследований

2 ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМА ДЕФОРМИРОВАНИЯ УСТУПОВ.

2.1 Классификация деформаций уступов

2.2 Механизм осыпания откосов уступов

2.3 Механизм обрушения уступов

2.3.1 Инженерно-геологические факторы

2.3.2 Гидрогеологические и климатические факторы

2.3.3 Горнотехнические факторы

2.4 Выводы.

3 МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРВДУПРЕШДЕНИЮ ДЕФОРМАЦИЙ УСТУПОВ.

3.1 Мероприятия по предупреждению осыпания уступов

3.1.1 Защита массива от вредного воздействия атмосферных и климатических агентов

3.1.2 Выбор рационального профиля откоса уступа

3.1.3 Защита массива от разрушающего действия взрывных работ

3.2 Мероприятия по предупреждению обрушений. уступов

3.2.1 Дренаж прибортового массива

3.2.2 Укрепление уступов

3.3 Выводы.

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРЩОХРАНИТЕЛЬНЫХ БЕРМ.

4.1 Способы отстройки предохранительных берм.

4.1.1 Горизонтальные бермы

4.1.2 Наклонные бермы

4.1.3 Равноустойчивые съезды

4.1.4 Искусственные бермы

4.1.5 Разгрузочные бермы

4.2 Расчет ширины бермы на стабилизацию обрушений уступов. 4.3 Расчет ширины бермы на задержание падающих камней. у 4.3.1 Анализ методов расчета элементов траектории падающих камней

4.3.2 Исследование и выбор расчетных коэффициентов

4.3.3 Методика расчета ширины бермы, необходимой для задержания камней, падающих с откосов и параметров камнезащитных сооружений

4.4 Выводы

5 РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРВДУПРЕЩНИЮ ДЕФОРМАЦИЙ И БЕЗОПАСНОМУ ВЩЕНИЮ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ ИХ

ВОЗНИКНОВЕНИИ.

5.1 Анализ и разработка мероприятий, обеспечивающих безопасную работу в карьере при возникновении деформаций уступов

5ДД Покрытие откосов уступов сеткой.

5.1.2 Сигнализация об обрушении и о падении камней

5.1.3 Мероприятия по задержанию камней на берме

5.1.4 Очистка берм от осыпи.

5.2 Разработка и внедрение мероприятия по предупреждению деформаций и безопасному ведению горных работ при их возникновении

5.2.1 Кургашинканский карьер Алмалыкского ГМК

5.2.2 Учалинский карьер Учалинского ГОКа

5.2.3 Карьеры Гайского ГОКа

5.2.4 Маднеульский карьер Маднеульского ГОКа

5.2.5 Коунрадский карьер Балхашского ГМК.

5.3 Выводы

6 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТУПОВ,

СЛОЖЕННЫХ СКАЛЬНЫМИ И ПОЛУСКАЛЬНЫМИ ПОРОДАМИ.

6.1 Выбор параметров откосов уступов на стадии проектирования

6.2 Определение параметров уступов при эксплуатации карьеров

6.3 Мероприятия по обеспечению устойчивости откосов на карьерах и созданию безопасных условий работ при возникновении деформаций уступов.

6.4 Контроль за состоянием устойчивости откосов уступов.

6.5 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Механизм деформирования, способы предупреждения и локализации деформаций уступов в скальных и полускальных породах»

Уровень развития горнодобывающей промышленности страны является одним из основных показателей ее промышленного потенциала. В решениях ХХУ1 съезда КПСС указано, что основными задачами в дальнейшем развитии горнодобывающей промышленности являются интенсификация разработок, повышение производительности труда, снижение себестоимости добычи и создание безопасных условий ведения горных работ. Решение этих задач связано со всемерным расширением применения открытых горных работ как наиболее эффективного способа разработки месторождений, доля которого к настоящему времени в Советском Союзе составляет более 70 % от общего объема добычи полезных ископаемых и продолжает неуклонно расти.

Современному периоду характерны карьеры, разрабатывающие месторождения полезных ископаемых на глубинах 250-300 метров, проектные решения предусматривают увеличение последней до 500-700 м и даже 1000 м, В связи с этим, вопрос длительной устойчивости бортов карьера, основными элементами которых являются высота и угол откоса уступов, а также ширина транспортных и предохранительных берм приобретает особо важное значение при разработке и проектировании карьеров. Поэтому разработка методов определения оптимальных параметров уступов и мероприятий по предупреждению деформаций и обеспечению безопасных условий ведения горных работ при их возникновении является одной из наиболее актуальных задач.

Исследуемый вопрос, как одна из составных частей общей проблемы устойчивости бортов карьеров, приобретает особое значение в связи с действующими "Основами законодательства Союза ССР и союзных республик о недрах".

Работа выполнена в Уральском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском и проектном институте медной промышленности "Унипромедь" и на кафедре маркшейдерского дела Свердловского ордена Трудового Красного Знамени горного института имени В.В.Вахрушева.

Результаты исследований в ввде отдельных положений и рекомендаций вошли в отчеты по выполненным научно-исследовательским работам в институте "Унипромедь".'

Цель работы состоит в установлении закономерностей и зависимостей влияния природных и горнотехнических факторов на устойчивость уступов карьеров, на базе которых оптимизируются конструктивные параметры уступов и разрабатываются мероприятия по предупреждению и локализации деформаций откосов, обеспечивающие безопасную и экономичную отработку месторождений открытым способом.

Идея работы заключается в определении конструктивных параметров уступов и разработке мероприятий по предупреждению и локализации деформаций откосов на основе более полного учета факторов, влияющих на устойчивость уступов.

Методы исследований. В работе используется комплексный метод исследований, включающий: обобщение и анализ отечественного и зарубежного опыта; исследования в лабораторных и производственных условиях; моделирование; математическую статистику; теоретические разработки; технико-экономический анализ и промышленное внедрение. Научные положения, разработанные лично автором, и их новизна: зависимости ширины слоя осыпания и ширины предохранительных берм от конструктивных параметров и срока существования уступа, отличающиеся тем, что в них учтены структурные особенности и физические свойства пород, слагающих откосы; зависимость срока существования уступа до деформации от срока существования отрезной щели, создаваемой при постановке его в предельное положение, что позволяет за счет оперативного управления фронтом работ по заоткоске уступов сократить количество их обрушений; взаимосвязь прочностных свойств заполнителя трещин с его влажностью и литологическим составом, позволяющая увеличить точность исходных данных для расчета устойчивости уступов; закономерности движения камней по откосам уступов, отличающиеся тем, что в них установлена степень влияния воздушной среды, формы и размера камней на элементы траектории их падения.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована: материалами многолетних наблюдений за состоянием устойчивости уступов; лабораторными и промышленными экспериментами по оценке влияния влажности на прочностные свойства пород и по определению коэффициентов, входящих в формулы для расчета параметров траектории движения камней по откосам уступов; сходимостью расчетной ширины берм, необходимой для стабилизации обрушившихся масс и задержания падающих камней с результатами опытно-промышленной проверки; использованием разработанных методик и рекомендаций в проектах меднорудных карьеров Минцветмета СССР.

Практическая ценность работы: установлены факторы, оказывающие наиболее существенное влияние на устойчивость уступов, интенсивность осыпания откосов, эффективность отстройки различных конструкций берм и откосов; разработана методика определения оптимальных конструктивных параметров уступов, отличающаяся тем, что наряду с высотой и углом откоса уступа она позволяет определять ширину предохранительных берм; полученные закономерности деформирования уступов и методика определения их конструктивных параметров могут быть использованы организациями, занимающимися исследованием и проектированием открытых горных работ; разработанные мероприятия по повышению безопасности горных работ и обеспечению рентабельной отработки месторождений могут быть использованы горнодобывающими предприятиями с открытым способом разработки.

Реализация работы. Рекомендации по углам погашения откосов и мероприятия по созданию безопасных»условий работ использованы в проектах реконструкции и внедрены на карьерах Гайского, Мадне-ульского и Учалинского ГОКов, Алмалыкского и Балхашского ПК.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на научно-техническом семинаре "Мероприятия по повышению устойчивости бортов карьеров", Свердловск, 1978, на территориальном совещании "Состояние техники безопасности и охраны труда на предприятиях цветной металлургии Урала", Свердловск, 1978, на научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов "Новые разработки и методы по повышению эффективности производственных процессов на горно-металлургических предприятиях черной и цветной металлургии" Свердловск, 1978 и "Механика сплошных сред. Часть 3. Механика горных пород, грунтов и сыпучих сред", Пермь, 1980, на отраслевой конференции "Состояние и основные направления совершенствования техники и технологии на открытых горных работах при разработке меднорудных месторождений", Свердловск, 1982, на Всесоюзном научно-техническом совещании "Научно-технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны", Свердловск, 1984.

Диссертация доложена на научно-техническом Совете института "Унипромедь" и на заседании кафедры маркшейдерского дела Свердловского горного института.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе одно авторское свидетельство на изобретение.

I УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ, МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПЩ;ШР|ЩКНШ и ЛОКАЛИЗАЦИИ ДШОРМАЦЙИ УСТУПОВ НА КАРЬЕРАХ

1,1 Деформации уступов, условия и причины их возникновения

Объектом наших исследований являются уступы карьеров, сложенные скальными и полускальными породами. Основными параметрами уступа являются его высота и угол откоса, а также ширина предохранительной бермы.

После постановки уступов в предельное положение, на многих участках отмечаются их деформации, которые осложняют условия ведения горных работ и требуют внедрения комплекса инженерно-технических мероприятий, направленных на создание безопасных условий работ в карьере. Основным вопросом при разработке мероприятий по предупреждению и локализации деформаций откосов является установление условий и причин возникновения последних.

По проблеме устойчивости бортов карьеров имеется обширный круг исследований. Только за последнее время вышло в свет ряд монографий и значительное количество статей в технических журналах. Однако, до последнего времени исследователи решали и решают задачи об устойчивых углах погашения бортов карьеров, тогда как вопрос устойчивости отдельных уступов остается нерешенным.

Для изучения механизма деформирования уступов, разработки и планирования противодеформационных мероприятий необходимо прежде всего классифицировать деформации. В настоящее время предложено несколько типов классификации деформаций. П.Н.Панюков /79/ разделяет деформации по сложности и по положению поверхности скольжения. Г.Л.Фисенко /109/ классифицирует деформации по объему и положению поверхности скольжения, Э.Л.Галустьян /22/ - по времени действия процесса деформирования и по регулирующим этот процесс силам. М.Е.Певзнер /82/ делит все деформации в отношении того, связано или не связано их проявление с деятельностью подземных и поверхностных вод. Существует еще целый ряд классификаций, но ни одна из них не позволяет провести четкой границы между отдельными видами деформаций. Основными видами деформаций уступов карьеров в скальных и полускальных породах являются обрушения и осыпи.

На устойчивость уступов оказывают влияние множество факторов, которые могут быть разделены на 4 группы /109/: геологические, гидрогеологические, климатические и горнотехнические факторы.

Из геологических факторов решающее влияние на устойчивость уступов оказывают трещины большого протяжения, имеющие согласное с откосом уступа падение, развитые главным образом по слоистости, сланцеватости, параллельно зонам разломов и тектоническим нарушениям, а также трещины протяженностью 10-20 метров, ориентированные под острым углом ко всем остальным поверхностям ослабления /41,91,109,112/.

Наиболее простым видом деформаций уступов являются обрушения, возникающие в результате подрезки слоев горными работами. Г.Д.Фисенко отмечает /109/, что если подрезанные слои имеют падение в сторону выработки под углом, превышающим 25-30°, то обрушение пород по ним неизбежно, поэтому подрезка таких слоев недопустима, по ним происходит самозаоткоска уступов. Для меднорудных карьеров США установлено, что обрушения уступов по подрезанным поверхностям ослабления происходят при углах падения слоев, превышающих 27° /26/.

При залегании слоев положе 25-30° считается, что прочность по контактам слоев достаточна для удержания в равновесии уступов с подрезанными контактами слоев /109/.

Практика ведения открытых горных работ показывает, что большинство деформаций бортов и уступов на угольных, а особенно на рудных месторождениях,связано с поверхностями ослабления. Так по данным С.И.Попова /87/ из 307 деформаций бортов и уступов, зарегистрированных на Магнитогорском, Высокогорском, Сибайском, Бу-рибаевском и др.карьерах,основная масса приходится на деформации, связанные с зонами или поверхностями ослабления.

Кроме угла падения трещины на устойчивость уступов существенное влияние оказывает угол между простиранием откоса уступа и простиранием трещины. Моделированием на эквивалентных материалах /7,47/ установлено, что максимальное влияние на устойчивость откоса отмечается при углах между простиранием трещины и простиранием откоса 60 «0-27,5° и равно влиянию подсеченной трещины, параллельной простиранию откоса. При углах между простиранием откоса и простиранием трещин СО «27,5-60° влияние ориентировки изменяется по прямолинейному закону и может быть представлено формулой /7/.

2 = 1,66 - 0,031 со , (1.1) где % - степень снижения устойчивости;

60 - угол между простиранием откоса и простиранием трещин, град.

Трещины не оказывают влияния на устойчивость, когда угол между простиранием откоса и простиранием трещин Од »60-90°.

Третьим случаем ориентировки трещиноватости в уступе является случай, когда массив уступа имеет кососекущие поверхности ослабления, представляющие собой сочетание нескольких плоских поверхностей, ориентированных под некоторым углом друг относительно друга. В результате этого призма возможного обрушения имеет форму клина, сдвигающегося по поверхности скольжения, имеющей форму симметричного или несимметричного желоба, который характеризуется двугранным углом , лежащим в плоскости, перпендикулярной к линии пересечения поверхностей ослабления.

Исследования о влиянии двугранного угла ^ между поверхностями ослабления на устойчивость подрезанного клина показывают /22/, что объемный эффект обратно пропорционален величине этого угла. С уменьшением угла ^ растет сила зажима (распора) клина между сдвигающимися поверхностями и увеличивается коэффициент устойчивости откоса. При ^ =90° происходит скольжение клина по плоскостям ослабления, которое сдерживается только первичными силами трения и сцепления. Увеличение угла ^ снижает объемный эффект и величину коэффициента запаса устойчивости уступа /22/.

Устойчивость уступов с подрезанными контактами слоев определяется не только ориентировкой и падением трещин, но и условиями трения по контактам этих трещин. Условия трения по естественным поверхностям ослабления горных пород, а также закономерности изменения прочности по ним изучены очень слабо.

Исследованием влияния шероховатости на сдвиговые характеристики по контактам трещин занимались Г.Л.Фисенко /109/, А.Б.Фадеев /107/, В.Г.Зотеев /35/, Э.Г.Газиев /19/, Б.К.Абрамов /I/ и др. Проводя большой объем работ по изучению влияния шероховатости контактов трещин на устойчивость уступов, исследователи не уделяли должного внимания изучению сопротивления сдвигу по контактам пород, обусловленному литологическим составом материала - заполнителя трещин. Некоторые сведения по этому вопросу встречаются лишь в работах Б.К.Абрамова /I/, А.П.Бадулина /II/, Э.Г.Газиева /18/, Джегера /119/, в которых прочность таких зон определяется прочностью заполнителя.

Потеря прочности по контактам трещин на длительный сдвиг вызывается проявлением длительных деформаций ползучести, складывающихся из пластических и упругих деформаций. Определяющее влияние потеря прочности по контактам на длительный сдвиг оказывает на величину угла внутреннего трения /I/, Уменьшение угла трения по контактам при длительном сдвиге характеризуется коэффициентом длительной прочности контакта, равным отношению тангенсов предельно-длительного угла трения к кратковременному /6/

Г-17 • (1Л) где у)^ - угол трения по контакту при длительных испытаниях, град; р' - угол трения по контакту при кратковременном сдвиге, град.

Из гидрогеологических факторов основным является обводненность трещин в скальных породах. Присутствие воды в трещинах скальных пород, возможно, вызвало больше деформаций откосов, чем остальные факторы вместе взятые /78/.

По данным ряда исследователей /109,123/ вода в откосе может воздействовать на его устойчивость путем: физического и химического влияния поровой воды и ее давления на заполнитель трещин; оказания гидростатического давления на стенки трещин, что снижает сопротивление сдвигу по потенциальной поверхности скольжения из-за уменьшения действующих на нее эффективных нормальных напряжений; влияния на межзерновое сопротивление сдвигу, что соответственно вызывает снижение прочности.

Основные закономерности изменения прочности и характер деформирования по контактам трещин под действием воды практически не изучались. В работах В.И.Веселкова /14/, Т.К.Пустовойтовой /54/,

Г.Л.Фисенко /109/, В.А.Мироненко /113/ отмечается, что под действием воды происходит разуплотнение песчано-глинистых пород, заполняющих трещины, в результате чего происходит значительное снижение прочности по контактам этих трещин.

Способность материала заполнителя трещин к набуханию оказывает существенное влияние на устойчивость уступов. Образующееся при этом давление называется давлением набухания /25,113/. Оно является результатом расклинивающего действия воды между твердыми частицами, слагающими заполнитель. Ввиду того, что процесс набухания связан с фильтрацией воды, скорость его определяется фильтрационной способностью пород. Наиболее интенсивно процесс набухания протекает в песчаных и пылеватых глинах, наиболее медленно - в жирных глинах /1,113/,

Вопросы количественного влияния влажности материала, заполняющего трещины в скальных породах, на прочностные характеристики по их контактам являются практически неизученными.

Климатические условия района оказывают существенное влияние на устойчивость откосов. Суточные колебания температуры, осадки, замерзание и оттаивание, действуя индивидуально или совместно, часто вызывают значительное нарушение устойчивости. На рис.1.1 показана зависимость частоты обрушений от количества осадков и температуры в каньоне Фразер провинции Британская Колумбия /124/. Анализ зависимости показывает, что кривая количества обрушений практически повторяет кривую распределения среднемесячных осадков и является перевернутым изображением среднемесячных температур. Большинство обрушений приходится на период весеннего паводка, когда средняя температура колеблется около 0°С и очень часты циклы замерзание - оттаивание.

Упоминание о влиянии количества атмосферных осадков, темпе

60

45

50

I В Ш IV 2 0 fi vi S I J xli еояда ( T93P-I970 г.г.) №0.1.1 .Яяшоимооть частоты обрушений от темпе рп. ту рн я колнчеотва ооадков на железной пороге в шньоне фразер { провинпия Бритаиокая Колумбия) /29/ Т-Оредкомеоячнне температуря Я-Средиемеоячгше ооадки 3~Оредиемеоячное количество обрушений ратурного режима и рельефа района на устойчивость откосов встречается в работах Г.Л.Фисенко /109/, И.И.Попова /88/, Р.Шустера /78/, Паковера /124/, однако они носят косвенный характер и не рассматривают количественную сторону процесса.

Из совокупности горнотехнических факторов наиболее изученным является вопрос о влиянии буровзрывных работ на устойчивость уступов. Исследованиями Г.Л.Фисенко /109/, Ю.И.Туринцева /102,103/, Г.В.Кузнецова /56/ и др. установлено, что при массовых взрывах в вертикальных скважинах большого диаметра частичное дробление массива горных пород распространяется на расстояние до 60-70 м от места взрыва. После выемки экскаватором полностью раздробленной породы,в уступах остаются породы, сохранившие не более 20-25 % естественной прочности массива. Кроме того, при массовых взрывах под действием взрывной волны изменяется напряженное состояние массива, что уменьшает силы трения по наиболее слабой поверхности (контакты трещин большого протяжения), и при небольшом запасе устойчивости это может привести к внезапному обрушению уступов.

Основным источником обводнения массива пород, слагающих уступы карьеров, Г.Л.Фисенко /109/ и В.А.Мироненко /ИЗ/ считают отсутствие регулированного стока вытекающих на площадки уступов вод, что по их мнению приводит к обводнению всех нижерасположенных уступов, а это затрудняет работу даже в случаях, когда уступы сложены неразмокающими и неоползающими породами.

В.Г.Зотеев /36/ и В.К.Рубцов /94/ дополнительным источником обводнения уступных массивов считают отрезную щель по поверхности уступа, создаваемую при его постановке в предельное положение.Однако никто из исследователей не связывал срока существования взорванной отрезной щели (аккумулятора вод) с устойчивостью уступов.

Вся совокупность факторов, так или иначе влияющих на устойчивость уступов карьеров в скальных и полускальных породах, представленная в данном обзоре в основной своей массе, дает лишь косвенную оценку их действия на приконтурный массив. Для более полного учета влияния этих факторов на устойчивость уступов необходима их количественная оценка, которой на настоящее время не существует.

Осыпание уступов, сложенных скальными и полускальными породами, под влиянием силы тяжести представляет собой неизбежный и наиболее распространенный вид деформаций откосов на карьерах.Осыпание пород в течение длительного времени является непосредственным следствием процессов выветривания пород, а также производственных процессов, в основном взрывных работ. Интенсивность осыпания пород в откосах зависит, главным образом, от типа пород, степени их трещиноватости и выветрелости, крутизны, высоты и срока существования уступа. Процесс осыпания откосов уступов завершается после того, как породы осыпи под углом естественного откоса достигнут верхней бровки уступа.

Изучение процессов выветривания и осыпания пород для инженерно-геологических целей и с целью исследования влияния этих процессов на устойчивость откосов проводилось К.И.Дудушкиной /27/, Н.К.Звонаревым /31/, С.В.Кагермазовой /50/, А.Хемролом /116/ и др.исследователями. Однако, до последнего времени изучалась, в основном, только качественная сторона процесса и недостаточно внимания уделялось его количественной оценке, что не позволяет рассчитывать оптимальные параметры уступов с учетом фактора времени.

Основным показателем, характеризующим количественную сторону процесса выветривания и осыпания пород в откосах, необходимым для прогнозирования выполаживания уступов и срабатывания ширины берм является ширина слоя осыпания. В последнее время появились работы /96,72,76/, в которых для определения ширины слоя осыпания предложены эмпирические зависимости, полученные в результате обобщения многолетних наблюдений за осыпанием откосов уступов на карьерах и дорожных выемках.

Зависимость, предложенная Л.У.Селюковым и А.Г.Шевченко /96/

В0= 0,040273 - 0,049237УсмГ + Тк (0,007224 - д%тшУсои ) , (1.3) не учитывает интенсивности трещиноватости и потерю прочности пород при выветривании и поэтому не может быть использована для прогноза ширины слоя осыпания уступов на карьерах.

Наиболее полно учитывает факторы, влияющие на интенсивность осыпания, формула для определения ширины срабатывания берм, предлагаемая в работах ВНИМИ /72,76/ со - угол естественного откоса породы осыпи, град. Однако, данная формула получена в результате наблюдений за интенсивностью осыпания уступов высотой 10-15 м, в то время, как на большинстве современных карьеров высота уступов в предельном положении составляет 24-36 м. Кроме того, численные значения для различных типов пород, предлагаемые в работе /72/ справедливы при высоте уступа 10 м. Поэтому расчет ширины слоя осыпания уступов по формуле (1.4) дает заниженные результаты для уступов высотой 24-36 м. где В0 - ширина слоя осыпания, м; и - угол откоса уступа, град;

Т - срок существования откоса, лет; к - высота уступа, м , где В0 - ширина слоя осыпания откоса уступа при угле сС , м; В90 - ширина слоя осыпания вертикального откоса, м;

Следовательно, вопрос прогнозирования интенсивности осыпания откосов уступов на карьерах требует дальнейших исследований.

Заключение диссертации по теме «Маркшейдерия», Малютин, Владимир Иванович

6.5 Выводы

Предлагаемая методика позволяет более обоснованно подходить ' к определению оптимальных параметров откосов уступов в скальных и полускальных породах, а также прогнозировать состояние устойчивости уступов на длительное время.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На современном этапе развития открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых наблюдается тенденция к дальнейшему увеличению глубины карьеров, которая в настоящее время достигает 250-300 м, а на некоторых карьерах даже 400 м. Одним из основных аспектов проблемы устойчивости бортов глубоких карьеров является вопрос длительной устойчивости уступов в скальных и полускальных породах, который в значительной мере определяет безопасную и высокоэффективную разработку месторождений.

Изучение факторов, оказывающих влияние на устойчивость уступов проводилось большим кругом исследователей. Однако, до последнего времени изучалась в основном только качественная сторона процесса и недостаточно внимания уделялось его количественной оценке. В связи с этим, изученность вопроса разработки мероприятий по предупреждению деформаций уступов тоже является недостаточной.

Практически неизученными являются вопросы расчета ширины берм, необходимой для задержания камней, падающих с откосов, и стабилизации породы, вовлекаемой в обрушения. А это вызывает затруднения при разработке мероприятий по созданию безопасных условий работы в карьере при возникновении деформаций уступов.

Исследования по большей части этих вопросов, выполненные автором, являются предметом настоящей работы. Методической основой выполненной работы является установление зависимостей и закономерностей влияния природных и горнотехнических факторов на устойчивость откосов и их использование для определения оптимальных параметров уступов и разработки мероприятий по предупреждению и локализации их деформаций.

Новизна основных научных и практических результатов, полученных в результате исследований, состоит в следующем:

1. Механизм деформирования откосов уступов предопределяется инженерно-геологическими условиями массива, степенью нарушенности его буровзрывными работами и прочностными характеристиками по контактам трещин.

2. Наблюдениями за процессом осыпания откосов уступов в скальных и полускальных породах установлена зависимость ширины слоя осыпания от высоты, угла откоса и срока существования уступов, трещиноватости, прочности и стойкости к выветриванию пород, слагающих уступы. Из совокупности этих факторов определяющее влияние на ширину слоя осыпания оказывают угол откоса, трещинова-тость и стойкость к выветриванию пород, слагающих уступ.

3. Анализ и обобщение обрушений уступов на ряде меднорудных карьеров позволили: установить зависимость между сроком существования отрезной щели, создаваемой при постановке уступов в предельное положение, и сроком существования уступа до деформации; выявить связь между числом обрушений уступов и климатическими условиями района месторождения (особенно тесная связь выявлена между количеством осадков и числом обрушений); дать количественную оценку влияния отдельных факторов на устойчивость уступов, а именно, влияние инженерно-геологических -- 50-100 %, гидрогеологических - 20-50 % и горнотехнических факторов - 15-30 %.

4. Исследование влияния влажности заполнителя трещин на его прочностные свойства позволило установить, что изменение влажности заполнителя от воздушно-сухого состояния до состояния полного водонасыщения практически не влияет на величину сцепления и угла внутреннего трения у заполнителя с большим содержанием (более

85 %) песчаной фракции и существенно снижает (в 2-3 раза) величину угла внутреннего трения у заполнителя с большим содержанием глинистой фракции (более 15 %),

5. Теоретически и практически доказано, что: в сравнении с плоскими откосами равноустойчивые им уступы выпуклого профиля позволяют снизить интенсивность процесса осыпания откосов на 30-35 % и существенно сократить объемы вскрышных работ. Причем, наиболее значительно эти преимущества проявляются при отстройке откосов уступов выпуклого профиля с одним изломом; защита нижележащего уступа от разрушающего действия взрывных работ на вышележащем уступе позволяет снизить интенсивность процесса осыпания уступов в 1,5-2 раза.

6. Наблюдения за участками потенциально возможных обрушений ряда меднорудных карьеров позволили установить, что существенно сократить количество обрушений уступов можно, внедрив на карьере комплекс мероприятий, включающих: сокращение до минимума интервала времени между взрывом отрезной щели и технологического блока последней экскаваторной за-ходки; гидроизоляцию верхней части отрезной щели; отказ от практики создания отрезной щели в периоды, предшествующие паводкам, а также во время их.

7. Анализ различных конструкций предохранительных берм, встречающихся на современных карьерах, позволил установить, что в сравнении с горизонтальными бермами: отстройка наклонных предохранительных берм наиболее эффективна на нижних горизонтах глубоких карьеров, имеющих высокие уступы, широкие бермы и небольшой радиус дна; отстройка равноустойчивых съездов наиболее эффективна на карьерах, имеющих высокие уступы с пологими углами откосов и небольшие уклоны транспортных берм.

8. Разработана новая и усовершенствованы известные методики: расчета ширины предохранительных берм, необходимой для стабилизации пород, вовлекаемых в обрушения, суть которой состоит в сравнении площади поперечного сечения обрушившейся и стабилизировавшейся породы вдоль проекции образующей конуса обрушения на берму; расчета ширины предохранительных берм, необходимой для задержания камней, падающих с откосов, и параметров камнезащитных сооружений; определения оптимальных параметров откосов уступов, сложенных скальными и полускальными породами.

9. В процессе исследований разработаны новые: способ защиты нижележащего уступа от разрушающего действия взрывных работ на вышележащем уступе, отличающийся дешевизной и доступностью исполнения; конструкции искусственных берм, которые от известных отличаются минимальными трудозатратами и хорошими условиями безопасности строительно-монтажных работ, а также повышенной надежностью и несущей способностью конструкций; способ покрытия откосов сеткой и устройства, сигнализирующие об обрушениях и о падении камней, которые позволяют улучшить условия безопасности ведения горных работ на карьерах»

10. Результаты исследований в виде рекомендаций по углам погашения откосов и мероприятий по созданию безопасных условий работ реализованы в проектах реконструкции и внедрены на крупнейших меднорудных карьерах Минцветмета СССР. Годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 437,6 тыс.руб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Малютин, Владимир Иванович, 1984 год

1. Абрамов Б.К. Исследование влияния слоистости пород на устойчивость бортов карьеров. Автореф.дисс.на соиск.уч.ст.к.т.н. Свердловск, СГИ, 1974

2. Агу И.А. Некоторые результаты наблюдений за влиянием взрывных работ на устойчивость бортов карьеров, сб.трудов БНИМИ, выпуск 45, Л., 1962

3. А.С.622714 Способ заоткоски уступов. ВНИМИ, Галустьян Э.Л. Б.И. 1979, » 18

4. A.C. 497407 Способ отстройки нерабочего борта карьера. Галкин A.M. и др. 04.09.70. Б.И. 1975, » 48, E2IC 41/02

5. A.C. 861602 Устройство для защиты от падающих с откосов камней, Унипромедь. Малютин В.И., Половов Б.Д. 29.11.79, Б.И. I98X, № 33

6. Афанасьев Б.Г., Абрамов Б.К. Определение сопротивления длительному сдвигу по контактам горных пород. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1975, № 5, с I3I-I34

7. Бахарева Г.П. Определение оптимальных контуров бортов карьеров по данным геологоразведочных и инженерно-геологических работ для условий медноколчеданных месторождений. Дисс. на соиск.уч.ст.к.т.н. Свердловск, 1972 СГИ, с 63

8. Бахарева Г.П., Свистунова С.К., Малютин В.И. Районирование карьерного поля с использованием геомеханической классификации. Сб. Вопросы рационализации маркшейдерской службы на горных предприятиях. Свердловск, 1981

9. Беляев В.Ф,, Пястолов A.B. Механические и физико-химические способы укрепления горных пород. М., 1967

10. Беляев В.Ф., Пястолов A.B. и др. Технико-экономическая оценка возможности применения искусственных способов укрепления горных пород. Горный журнал, 1962, № 9.

11. Бадулин А.П. Исследование устойчивости бортов и уступов карьеров, подсеченных поверхностями ослабления большой протяженности. Автореф. дисс, на соиск.уч.ст.к.т.н. Свердловск, СГИ, 1974.

12. Борисов Р.П. Конструктивная отстройка бортов рудных карьеров. Автореф.дисс. на соиск.уч.ст.к.т.н., Магнитогорск, 1967

13. Букринский В.А., Коробченко Ю.В. Геометризация месторождений полезных ископаемых. М., Недра, 1977, с.149-153

14. Веселков В,И. Определение коэффициента разупрочнения и сопротивления сдвигу по контактам в глинистых породах. Тр.ВНШИ. Л., 1966, М 60

15. Временная инструкция по проектированию, строительству и эксплуатации карьеров с наклонными предохранительными бермами. Унипромедь, Свердловск, 1979

16. Выбор оптимальных углов бортов Маднеульского карьера и откосов отвалов, разработка противодеформационных мероприятий для обеспечения их устойчивости. Чхеладзе Д.В, Отчет ШИ, Тбилиси, 1977, с.30-31

17. Гаврилова Р., Попов С. Определение технологических параметров укрепления бортов карьера "Медет" железобетонными сваями и железобетонными анкерами. "Рудоотлив", 1974, 29, # 10, с.6-11.

18. Газиев Э.Г. Морфология трещин и устойчивость массивов в кн. Геология четвертичного периода. Инженерная геология. М., Наука, 1976

19. Газиев Э.Г. Механика скальных пород в строительстве, М., Стройиздат, 1973

20. Галкин A.M. Исследование некоторых вопросов отстройки бортов и профилактики деформаций уступов рудных карьеров. Автореф.дисс.на соиск.уч.ст.к.т.н. Магнитогорск, 1970

21. Галустьян Э.Л. Устойчивость карьерных уступов. Горный журнал, 1980, № II

22. Галустьян Э.Л. Управление геомеханическими процессами в карьерах, М., Недра, 1980

23. Голубко Б.П. Исследование деформаций откосов и механических способов укрепления бортов меднорудных карьеров. Автореф. дисс.на соиск.уч.ст.к.т.н. Свердловск, СГИ, 1974

24. Дерягин Б.В. Что такое трение? М., Наука, 1963

25. Дерягин Б.В. Свойства тонких жидких слоев и их роль в дисперсных системах. М., 1973

26. Демин A.M., Шушшна О.И. Борьба с оползнями на карьерах за рубежом. М., 1971

27. Дудушкина К.И. Влияние выветривания на устойчивость бортов рудных карьеров. Тр.ИГД УФ АН СССР, вып.5, Свердловск, 1963

28. Дуниковский А., Желиско Р. Сохранение устойчивости откосов при помощи земляных сооружений на примере внутреннего отвала карьера "Турув" Перевод № Ц-5547 статьи, помещенной в журнале " PzzecfSad уеоЕо%1сгиц" , 1968, 16, № 6, 287-291, ВЦП, М., 1973

29. Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом. М., 1972

30. Заруба К., Менцл В. Инженерная геология М., Мир, 1979

31. Звонарев И.К., Кагермазова C.B. Предварительный расчет параметров осыпания откосов на карьерах в результате выветривания. Изв.ВУЗов Геология и разведка, 1969, № 12

32. Зобнин В.И., Голубко Б.П., Туринцев Ю.И. Опыт возведения породной пригрузки и подпорных стенок при укреплении откосов карьеров цветной металлургии. Билл. Цветная металлургия, 1974, Л 10

33. Зобнин В.И. Исследование начальной стадии деформирования откосов и разработка мероприятий по повышению их устойчивости, Автореф.дисс.на соиск.уч.ст.к.т.н,, Свердловск, СГИ, 1969

34. Зобнин В.И., Голубко Б.П., Шелегин C.B. Восстановление транспортной бермы на Сибайском карьере. Горный журнал. 1973, № 6

35. Зотеев В,Г. Зависимость прочности массива скальных пород от трещиноватости. Сб. Устойчивость бортов карьеров и горное давление. Тр. ИГД МЧМ СССР., М., Недра, 1966, вып.12

36. Зотеев В.Г., Можаев Л.В. и др. Осушение рабочих площадок уступов в скальных породах. Горный журнал. 1970, № 8

37. Изучение устойчивости бортов карьеров и разработка противо-деформационных мероприятий для карьеров Гайского ГОКа. Отчет, Зобнин В.И., Унипромедь. Свердловск, 1979

38. Изучение гидрогеологических и инженерно-геологических условий при разведке и освоении месторождений твердых полезных ископаемых. М., Недра, 1969

39. Изучение фактического состояния устойчивости бортов карьеров и координация исследований на предприятиях Минцветмета СССР с целью разработки мероприятий по безопасному ведению горных работ. Отчет. Зобнин В.И., Унипромедь, Свердловск, 1978

40. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. ВНИМИ, Л., 1971

41. Иофин С.Л. Устойчивость бортов карьеров. М., Металлургиздат, 1953

42. Исхаков P.M. Определение безопасной ширины предохранительной бермы. Горный журнал, 1952, № 12

43. Исследование устойчивости бортов Коунрадского карьера с целью безопасной отработки месторождения. Заключительный отчет. Бахарева Г.П. Унипромедь, Свердловск, 1981

44. Исследование основных вопросов конструктивной отстройки бортов карьеров и выемки приконтурных лент. Раздел.Определение оптимального профиля строенного уступа. Туринцев Ю.И, Отчет, Унипромедь, Свердловск, 1967

45. Исследование устойчивости бортов Коунрадского карьера с целью безопасной отработки месторождения. Промежуточный отчет. Бахарева Г.П. Унипромедь, Свердловск, 1981

46. Исследование и разработка новых способов укрепления бортов карьеров. Половов БД, Отчет, Унипромедь, Свердловск, 1977

47. Итоги науки и техники. Разработка месторождений твердых полезных ископаемых. Том 20. М., 1980, с.124

48. Кагермазова С.В. Некоторые результаты изучения выветривания горных пород на карьерах. Тр.ВНИМИ, сб.64, 1968

49. Кожевников Н.А. Новый метод расчета параметров для проектирования противообвальных сооружений. Тр.Новосибирского НИЖТ, Новосибирск, 1971, вып.130

50. Корольков Н.М., Еремин В.Л. Путь и сооружения на горных дорогах. М., Транспорт. 1968

51. Корректировка рабочих чертежей контуров карьера В 2 Тайского ГОКа. Проект, Унипромедь, Свердловск, 1976

52. Котов И.Г., Пустовойтова Т.К. Об изменении механических свойств глинистых пород в бортах Богословского карьера Тр.ВНИМИ, Л., 1968, Я 70

53. Кузнецов Г.В. и др. К вопросу применения сейсмического метода для определения прочностных характеристик горных пород и степени его нарушенности. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1968, № X

54. Кузнецов Г.В., Микулинский М.А. и др. Действие взрыва на массив горных пород. Известия ВУЗов. Горный журнал, 1962, № II.

55. Ландау Л.Д., Китайгородский А.И, Физика для всех. М., Наука, 1974, с.306

56. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. Л., Недра, 1970, с.497-508

57. Ломтадзе В.Д. Методы лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород. М., Недра, 1972

58. Малютин В.И. Осыпи уступов бортов карьеров и борьба с ними. Сб.Новые разработки и методы по повышению эффективности производственных процессов на горнометаллургических предприятиях черной и цветной металлургии. Свердловск, 1978

59. Малютин В,И, и др. Пути уменьшения величины земельных отводов при разработке месторождений открытым способом. Сб. Депонированные рукописи (естественные и точные науки) Библиографический указатель, 1980, № 9 (107)

60. Малютин В.И, Использование разгрузочных берм для борьбы с деформациями бортов карьеров. Сб. Совершенствование технологии добычи руд цветных металлов открытым способом и методов их обогащения. Свердловск, 1981

61. Малютин В.И. Некоторые вопросы расчета элементов траектории камней, падающих с откосов. Сб."Мероприятия по повышению устойчивости бортов на карьерах цветной металлургии". Свердловск , 1978 1

62. Пат.Японии 11161/75, 86 (2) А12 Устройство для регистрации вывала камней. Нагоя дэнки когё К,К.

63. Пат.Японии 49126/76, 86(2) А12 Устройство для регистрации вывала камней. Нагоя дэнки когё К.К.

64. Певзнер М,Е. Борьба с деформациями горных пород на карьерах М., Недра, 1978, с.70

65. Половов Б.Д. Расчет траектории полета камней, падающих с крутых откосов на предохранительные и транспортные бермы. Горный журнал. Известия ВУЗов, 1977, № 12

66. Половов Б.Д. Мероприятия по предотвращению выпадения и улавливанию камней, падающих с откосов. Цветная металлургия, 1976, № 14

67. Попов С,И. Рациональный профиль борта карьера: В кн.Интенсификация существующих и изыскание новых технологических процессов в горном деле. Сб.тр.МГМИ, вып.19, Магнитогорск, 1959, с.108-113

68. Попов С.И. Устойчивость бортов рудных карьеров. Автореф. дисс.на соиск.уч.ст.д.т.н. М,, 1960

69. Попов С.И. Оползень на Магнитогорском карьере. Горный журнал, 1949, № 4

70. Попов И.И., Окатов Р.П. Борьба с оползнями на карьерах М,, Недра, 1980

71. Попов В.Н. и др. О величине берм при погашении бортов рудных карьеров. Тр,Карагандинского политехнического ин-та. 1970, вып.1

72. Пустовойтова Т.К. Оценка устойчивости бортов карьеров в трещиноватой многослойной толще и анализ погрешностей расчета. Авторефер.дисс.на соиск.уч.ст.к.т.н., Ленинград, 1971 (ЛГИ)

73. Рац М.В. Неоднородность горных пород и их физические свойства. М., Наука, 1968

74. Репин Н.Я,, Фазалов Г.Т. Эффективность применения наклонных скважин в карьерах Кузбасса. М., ЦНИЭИуголь, 1969

75. Ройнишвили Н.М. Защита железнодорожного пути от горных обвалов и осыпей. М., Транспорт, 1973

76. Рубцов В.К. О методике определения нарушения массива скальных пород при взрыве. Сб.Взрывное дело. № 59/16, М., Недра, 1966

77. Сапожников В.Т. Исследование и разработка методов расчета устойчивости бортов карьеров и отвалов в сложных горно-геологических условиях. Автореф.дисс.на соиск.уч.ст.д.т.н. Л., ЛГИ, 1974

78. Селюков Л.У,, Шевченко А.Г. Прогноз выветривания откосов выемок и горных склонов. Автомобильные дороги, 1977, № I

79. Сергеев Е.М. и др. Грунтоведение. М., МГУ, 1971

80. Семигин Р.И., Печин В.Ф. и др. Противодеформационные мероприятия на карьерах Гайского ГОКа. Горный журнал, 1979, $ 7

81. Синецкий А.П., Панкова А.Ф. Особенности разработки небольших рудных залежей цветных металлов за рубежом. Бюл.Цветная металлургия, 1975, $ 5, с.15-17

82. Современное состояние горных работ на магнезитовом карьере, предприятия " НосЦ102еп " "Горнорудная промышленность", экспресс-информация, 1974, № 4

83. Туринцев Ю.И., Бахарева Г.П. Влияние кососекущих трещин на устойчивость откосов. Сб. Материалы совещания по вопросам изучения устойчивости откосов на карьерах. Белгород, 1967

84. Туринцев Ю.И. Исследование устойчивости бортов Уральских меднорудных карьеров. Автореф.дисс.на соиск.уч.ст.к.т.н. Л., ЛГИ, 1961

85. Туринцев Ю.И. Разработка, исследование и внедрение инженерных методов управления и способов контроля устойчивости бортов меднорудных карьеров. Автореф.дисс.на соиск.уч.ст.д.т.н. Свердловск, СГИ, 1975

86. Туринцев Ю.И., Зобнин В.И., Бахарева Г.П. Влияние взрывных работ на устойчивость бортов карьеров. Безопасность труда в промышленности. 1961, № 4

87. Улыбин В.П. Исследование деформирования скальных горных пород и изыскание методов снижения воздействия взрывов на законтурный массив. Дисс.на соиск.уч.ст.к.т.н. Свердловск,1968,с.94-I0C

88. Укрепление в карьере "Де Beer", Кимберли "Mining %игпа£", 1971, V 276, J* 7063, р.7

89. Фадеев А.Б. Некоторые теоретические предпосылки для оценки прочности трещиноватой среды. Тезисы докладов на Всесоюзном совещании по механике горных пород, Л., 1970

90. Флейшман С.М., Целиков Ф.И. Скальные выемки с путевыми улавливающими траншеями. Тр,Всесоюзного НИИ транспортного строительства. Вып.52. М., 1964

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

92. НО. Фисенко Г.Л., Галустьян Э.Л. Глубоким карьерам новую конструкцию бортов. Горный журнал, 1975, № 9

93. Фисенко Г.Л., Ревазов М.А. Искуственные бермы в глубоких карьерах Горный журнал, 1967, $ 2, с.22-26

94. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов угольных карьеров М., Углетехиздат, 1956

95. Фисенко Г.Л., Мироненко В.А. Дренаж карьерных полей М., Недра, 1972

96. Фисенко Г.Л., Ревазов М.А., Галустьян Э.Л. Укрепление откосов в карьерах. М., Недра, 1974

97. Фисенко Г.Л., Глозман Г.Р., Кагермазова С.В. Повышение устойчивости уступов скальных и полускальных пород на карьерах в условиях многолетней мерзлоты. Горный журнал, 1980,5

98. Хемрол А. Классификация выветрелости и выветриваемости пород. Проблемы инженерной геологии, вып.З. М., Мир, 1964

99. Циферблат В.Л. Результаты испытания канатной крепи на зарубежных карьерах. Бюл. Цветная металлургия, 1976, $ 16, с,15-18

100. Dennis С.Martin, Douglas П. Pitcon. Sclect borm width to contain local failures. E/MY, 1077, N.6.

101. Jaeger G.C. Brittle fracture of rocks, in failure and breakage in rock. Fairhurst C., ed., Proc., 8th Symposium on Rock Mechanics, American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers. Now York, 19G7, 3-57.1. V у

102. Kauzlaric К., Cingel J. Prilog proucava nju statilnosti kosina povrsiskog kopa "Smreka". Sigurnost u rudnicima, 1973, 8, N.i, 17-24.

103. Klahn H.E. Standsisherhcitsverbesserung an bestohenden rutschungsgefahrdefcm Boshungen in Eraunkohlentangebauen durch Nagclung Bergbautechnik, iHGO, Juni, Heft 6, 16.

104. Mamen C. Geotochnical study indispensable for economical slope stability, Canadian Mining Journal, 1973, November, p.44-48.

105. Muller l. The Stability of Rock Bank Slopes and Effect of Rock Y/ater on same, International Journal of Rock

106. Mechanics and Mining Sciences, 1, N.4, 1964, 475-504.

107. Peckover F.L. Treatment of Ilock Falls on Railway Lines. American Railway Engineering Association Bulletin 653, Chicago, 1975.

108. Reiche P.A. Sirvey of v/eathering Processes and Products, Univ. of Nev/ Mexico, Albuqurque, Geology PuM . 3,1050, 95.

109. Seegmiller B.L. How cable Bolt Stabilisation May Benefit Open Pit Operations. Mining Engineering, 1974, December, p.29-34.

110. Vobuuchi E. Huxon liore kaucu. Journal Mining and Metallurgy Institute Gap, 1972, N.iOG.