Разработка обоснованного проекта устойчивого борта карьера
Разработка обоснованного проекта устойчивого борта карьера
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
ВведениеДля 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
Рисунок 1 Поперечное сечение месторождения по лежачему боку залежи: А -нижняя бровка проектного борта карьера; Н - высота борта карьераТаблица 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 массива1.1 Определение коэффициента структурного ослабления и удельного сцепления пород в массивеТак 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 массивеУгол 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 массиваИз 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 мТогда =0,51 МПаУсредненный 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/м3Величина 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/м2Усредненный угол внутреннего трения = 28,3єРезультаты расчетов усредненных показателей заносим в таблицу на схеме.
2. Обоснование устойчивого результирующего угла откоса борта карьера2.1 Определение расчетных усредненных свойств массиваКоэффициент 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) = 22,5єРасчетная высота вертикального обнажения пород: = (2*0,39/0,034) *ctg (45є - (22,5є /2)) = 34 мH' = Н / Н90 (р) = 360/35 = 10,59
2.2 Определение проектного угла устойчивого плоского откосаПо 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 бортуЭто 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 мНа 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 бортаИспользование 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 г, мН/м3 | Сила тяжести Р, мН | Угол сдвига в, град | Касательная сила Т, мН | Нормальная сила N, мН | Угол внутреннего трения ц, 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 в, 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 / Нгл90 (р) = 15/1,3 = 11,5
По величине H'гл и цргл определяем угол бгл = 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.
ЗаключениеВ 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.