Устойчивость уступов и бортов карьеров
|
При проектировании, строительстве и эксплуатации карьеров важное значение имеет правильный выбор методики расчета углов наклона борта, которая должна обеспечить: устойчивость уступов и бортов карьеров, размещение на бортах необходимых съездов и берм, экономичность работ. Линия погашения борта может быть конструктивной, когда она соответствует профилю, отстроенному по горнотехническим условиям; устойчивой, когда борт карьера имеет минимально достаточный запас устойчивости для данных особенностей горных пород; конструктивно-устойчивой, когда оба вышеуказанных профиля совпадают или очень близки между собой. Если для карьеров, борта которых сложены скальными необводненными породами, угол наклона, определенный по конструктивным соображениям, зачастую совпадает с устойчивым, то в случаях бортов, сложенных слабыми или сильнообводненными породами, борт, как правило, более пологий, чем отстроенный по горнотехническим условиям.  Для суждения об устойчивости откосов широко используется коэффициент устойчивости, понимаемый как отношение суммы всех удерживающих сил к сумме сил, сдвигающих оползневой клин. Для случая круглоцилиндрической поверхности скольжения (рис. XIII.11) коэффициент устойчивости определяется в следующей последовательности. 1. Условно из откоса выделяется полоса, перпендикулярная простиранию откоса, шириной 1 м. Участок ABC этой полосы, ограниченной с одной стороны поверхностью скольжения, с другой — поверхностью откоса, разбивается вертикальными линиями на ряд призм шириной а. 2. Масса выделенных призм, за которую условно принимается их высота, раскладывается на две составляющие: нормальную Ni и касательную Ti к поверхности скольжения. 3. Все отрезки касательных и нормальных составляющих, измеренные в миллиметрах, суммируются и суммы умножаются на масштаб векторов, равный  где M — знаменатель масштаба; у — плотность породы, т/м3; а — ширина призмы, мм. 4. Измеряется длина расчетной поверхности скольжения L, после чего определяется удерживающая сила, возникающая за счет сцепления пород k. 5. Определяется коэффициент устойчивости откоса. Удерживающие силы возникают главным образом за счет трения и сцепления. Сдвигающие силы являются главным образом результатом сдвигающего действия массы оползневого клина. Возможно также действие других сил. Выражение для коэффициента устойчивости записывается следующим образом;  где L — длина поверхности скольжения; f — коэффициент внутреннего трения пород; k — сила сцепления, приходящаяся на единицу площади расчетной поверхности, тс/м2; — сила трения; Fтр — сила сцепления; А, В — другие удерживающие и сдвигающие силы. В верхней части откоса в результате действия растягивающих усилий образуются вертикальные трещины разрыва, глубина которых может быть определена по формуле  где k и ρ — соответственно сцепление и угол внутреннего трения пород; у — средняя плотность пород. При расчете устойчивого положения бортов по круглоцилиндрической поверхности скольжения большую сложность представляет отыскание центра наиболее опасной дуги скольжения. Рассмотрение условия равновесия оползневого клина дает только одно уравнение, не позволяющее решать задачу сразу однозначно. Поэтому отыскание центра наиболее опасной дуги скольжения осуществляется путем подбора, что сопряжено со сложными вычислениями. Профессор Г.Л. Фисенко предложил способ определения поверхности скольжения, использующий теорию предельного равновесия, при котором сразу определяется ее положение с наименьшим запасом устойчивости. Согласно теории предельного равновесия элементарные площадки скольжения в однородном массиве горных пород могут возникнуть при напряжениях не менее σs = 2k ctg (45° - ρ/2) и эти площадки располагаются под углом (45° - ρ/2) к направлению наибольшего главного напряжения. В нетронутом горными процессами массиве, если исходить из гравитационного генезиса естественных полей напряжений, направление главного наибольшего напряжения совпадает с вертикалью, в некоторой же близости от поверхности откоса это направление поворачивается в сторону выемки.  Исходя из этих положений, проф. Г.Л. Фисенко рекомендует следующий порядок построения поверхности скольжения (рис. ХIII.12). 1. На чертеже откоса проводим линию BD, отстоящую от поверхности откоса на расстоянии Н90, и одновременно вертикальную линию AB. 2. На линии BD выбираем произвольную точку D и через нее проводим линию DC под углом 45° + ρ/2 к линии BD. Под этим же углом из точки В проводим линию ВС. 3. Из нижней точки откоса M под углом 45° - ρ/2 к линии откоса MA проводим линию MK. 4. На линию MK от точки M откладываем равные отрезки MP, PP', Р'P'', а на линии DC от точки С вниз — отрезки CC', C'C'' и С''C0; 5. Из точек Р, P', P'' проводим прямые линии, параллельные линии откоса MA, а из точек С' и С" и C0 — линии, параллельные ВС. Пересечение этих линий дает точки F, F1, F2, F3. Через полученные точки проводим прямую FO до пересечения с линией MK. 6. Из точки О проводим прямую, параллельную DC, до пересечения с линией BD в точке Е. 7. Из точки N проводим перпендикуляр к линии OE, а из точки M — перпендикуляр к линии MK. Пересечение перпендикуляров дает положение центра окружности, проходящей через точки M и Е. Кривая MF3N представит собой наиболее опасное положение поверхности скольжения. Точки E и N соединяем прямой.  После проделанных операций производится проверка устойчивости откоса. Для этого в крупном масштабе строится оползневой клин, который вертикальными линиями разбивается на ряд призм (рис. ХIII.13). Измеряется площадь каждого блока Si, определяется масса пород в каждой призме на 1 м фронта карьера по формуле  Вертикальные линии, являющиеся границами призм, продолжаются вниз на расстояния, соответствующие в выбранном масштабе массе призм. Из точек пересечения этих линий с поверхностью скольжения восстанавляются перпендикуляры. Для каждой призмы определяются Qi и Ni, между которыми измеряется угол θi. Вычисляются Ni и по формулам Ni = Qi cos θi; Ti = Qi sin θ; (значения Ni и Ti помещены в табл. рис. XIII.13). Находится длина поверхности скольжения L, после чего определяется коэффициент устойчивости по формуле  здесь ρ — угол внутреннего трения, градус; k — сцепление породы, тс/м2; L — длина поверхности скольжения, м. Если полученный коэффициент устойчивости больше или равен заданному, то построенный борт считается устойчивым, если меньше, то неустойчивым, и необходимо или выполаживание угла его наклона, или проведение искусственных мероприятий по увеличению устойчивости массива горных пород, которые осуществляются по результатам специальных исследований, проводимых маркшейдерами непосредственно на предприятиях и в лабораторных условиях. |
