Dessadecor-nn.ru

Журнал Dessadecor-NN
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как определить угол откоса отвала

Предпосылки к созданию геодезического мониторинга устойчивости отвалов с учетом предрасчета его деформированного состояния

В статье предлагается методика моделирования напряженно-деформированного состояния отвалов для последующей организации системы геодезического мониторинга их устойчивости. Приведен сравнительный анализ результатов моделирования и инструментальных наблюдений.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, геодезические наблюдения, деформации, осадки, сдвижения земной поверхности

В соответствии с действующими нормативными документами организация наблюдений за устойчивостью откосов отвалов должна базироваться на изучении геологического строения и физико-механических свойств пород, а также геометрии и структурных особенностей массива [1].
Закладку линий реперов наблюдательной станции следует производить в наименее устойчивых участках объекта. На устойчивость откоса влияет целый ряд параметров: угол заоткоски борта, высота отвала, подрезка слоев в основании отвала, наличие тектонических нарушений наличие слабых контактов и пластичных слоев в основании отвала, увлажненность отвальных масс и обводненность основания отвалов, сейсмические воздействия и вибрации от работы оборудования.
Некорректный учет вышеперечисленных факторов может привести к ошибкам при проектировании наблюдений: как в расположении рабочих реперов, так и в периодичности наблюдений, что может привести к недостоверности конечных результатов и несвоевременному реагированию на изменение устойчивости объекта.
В связи с вышеперечисленными соображениями возникает необходимость оценки устойчивости откосов по всем приведенным параметрам в единой методике. В работе предлагается оценка устойчивости откосов на основе моделирования с применения метода конечных элементов [2]. Данный метод получил большое распространение во многих областях науки и техники, и применение его ограничивалось лишь наличием большого объема вычислений. Повышение производительности компьютерной техники привело к появлению большего количества программных продуктов основанных на данном методе, как универсальных, так и специализированных: ABAQUS, ANSYS, NASTRAN, SCAD, Лира, Старкон и др. Для решения поставленной задачи применялось ПО PLAXIS.
Для моделирования устойчивости откосов отвала использовались вышеописанные параметры, соответствующие отвалу фосфогипса высотой около 50 м с плотными глинами в основании. В процессе моделирования изменяли параметры отвала. При этом использовалась расчетная модель понижения φ (угол внутреннего трения) и с (сцепление) [3]. В итоге моделирования определялся коэффициент запаса устойчивости (КЗУ) (1) для различных геометрических и физических параметров.
(1)
Зависимости КЗУ от различных параметров представлены на рис. 1.


Рис. 1 – графики зависимостей КЗУ от различных параметров

На основе полученных результатов были выбраны участки отвала с минимальным КЗУ. На этих участках были предусмотрены инструментальные наблюдения за устойчивостью откосов, которые выполнялись по методике, описанной в работе [1] по восьми профильным линиям (рис. 2). Результаты наблюдений представлены в виде эпюры осадок (рис. 3).


Рис. 2 — Схема расположения профильных линий на отвале


Рис. 3 — Эпюра вертикальных смещений (осадок) верхней и нижней бровки отвала по периметру сооружения между профильными линиями 1 и 8

Как видно из рис. 3, максимальные деформации приурочены к линиям 3-3 и 4-4, которые были определены на основе предрасчета деформаций (см. рис. 1).
Предложенная методика позволяет достаточно быстро и с большой достоверностью выявить зоны для производства инструментальных наблюдений. Методика прошла проверку при организации геодезического мониторинга на отвалах фосфогипса в Саратовской и Московской областях.

Литература:
1. Инструкция по наблюдению за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. — Л.: ВНИМИ, 1971. — 187 с.
2. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. — М.: Недра, 1987. — 221 с.
3. Plaxis версия 8 справочное руководство. — СПб.: ООО «НИП Информатика», 2006. — 182 с.

Как определить угол откоса отвала

Томаков П.И. Наумов И.К.. Технология, механизация и организация открытых горных работ. Учебник. Часть 1. Страница 97

Высота отвального уступа зависит в основном от физико-тех- нических свойств складируемых пород и пород, лежащих в основании отвала, а также от средств механизации отвальных работ. Увеличение высоты отвального уступа и отвала в целом ведет к уменьшению занимаемых площадей под отвалы, объема работ по строительству и содержанию транспортных коммуникаций и к увеличению производительности отвального оборудования. Число отвальных уступов определяется в зависимости от площади, отводимой под отвалы, и общего объема вскрышных пород. Ограничивающим фактором возможного числа уступов на отвале является общая рациональная высота отвала и несущая способность пород, лежащих в основании отвала. В практике открытых работ имеются отвалы с различным числом уступов.

Угол откоса отвальных уступов обычно равен углу естественного откоса пород, размещаемых в отвале. Он зависит от физико- технических свойств пород, их степени разрыхления и влажности и изменяется в пределах 30—40°.

Объем породы (м 3 ), который можно разместить на данной площади отвала при его максимальном заполнении (в целике) на равнинной местности, определяется по формуле

где kp. о = 0,8-т-0,9 — коэффициент, учитывающий неравномерность ♦ отсыпки породы в отвал; kp_= 1,14-1,2 — остаточный коэффициент разрыхления породы в отвале; S — площадь отвала, м 2 ; h — высота отвального уступа, м; P — периметр основания отвала, м; Gc — результирующий угол откоса отвала, градусы.

Читать еще:  Укрепление откосов список компаний

Часть периметра отвала, на котором происходят прием и размещение вскрышных пород, составляет фронт отвальных работ. Разбивка фронта отвальных работ на отдельные участки (тупики) позволяет рассредоточить по фронту основные и подготовительные работы при отвалообразовании. Длина отдельного тупика изменяется в широких пределах и зависит в основном от принятого способа механизации отвальных работ, площади отвала, объема вскрышных пород, размещаемых в отвале.

Потребное число отвальных тупиков определяется грузооборотом карьера по вскрыше и приемной способностью отвального туника. а

Способ перемещения фронта отвальных работ определяет схему развития отвалов в плане. Различают три способа перемещения фронта отвальных работ: параллельный, веерный и криволинейный (рис. 5.1).

Процесс отвалообразования включает возведение первоначальных отвальных насыпей, разгрузку и складирование вскрышных пород, планировку поверхности отвала и перемещение транспортных коммуникаций на отвале.

Способ отвалообразования

СПОСОБ ОТВАЛООБРАЗОВАНИЯ, включающий отсьшку пород ярусами с образованием откосов и берм ярусов в отсыпку дополнительного объема пород на берму безопасности каждого яруса, отличающийся тем, что, с целью увеличения емкости отвала и сохранения его устойчивости, дополнительнь > обтаем пород отсыпают на порода после стабилизации их, при этом на верхний ярус отсьтку производят на 0,1-1,0 ширины бермы с уменьоениек объема отсьтки на послепующие ярусы до 0,1-0,2 ширины бермы.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при открытой разработке месторождений полезных ископаемых. Известен способ отвалообразования , включающий отсьтку пород яруса ми и формирование берм безопасности 1. Однако для этого способа характе на недостаточная емкость отвала. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ от валообразования, включающий отсыпку пород ярусами с образованием откосо и берм ярусов и отсыпку дополнитель ного объема пород на берму безопасности каждого яруса в форме тетраэдра 2. Однако для известного способа, ха рактерны недостаточная емкость отва ла, трудность отсыпки дополнительно го объема в форме тетраэдра Цель изобретения — увеличение ем кости отвала и сохранение его устой чивости. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу отвалообр зования, включающему отсыпку пород ярусами с образованием откосов и берм ярусов и отсыпку дополнительного объема пород на берму безопасности каждого яруса, дополнительньй объем пород отсьтают на породы после стабилизации их, при этом на верхний ярус отсыпку производят на 0,1-1,0 ширины бермы с уменьшением объема отсыпки на последующие ярусы до 0,1-0,2 ширины бермы. На фнг, изображен график зависи мости предельной высоты яруса от свойств пород: на фиг.2 — контур отвала. Осуществление способа поясняется примерен. Отвал состоит из трех ярусов (ко личество ярусов может быть различном ) , Породы, укладываемые в отвал, имеют следукв1ие свойства:сцепление 2,0 угол внутреннего трения 25°i объемную массу 1,8 т/м. Предельная высота яруса по услов ям устойчивости составляет 20 м, а угол естественного откоса 35. Для трехярусного отвала высотой 60 м устойчивый результируюпшй угол 1 откоса равен 27. Графически определяем устойчивый контур 2 трехярусного отвала. Сыпучие породы по истечении определенного времени приобретают свойства сплошной среды, т.е. значительно увеличивают свои прочностные свойства. По естественному уплотнению сыпучих пород консолидация свежеотсьитанных отвалов практически завершается за 1-1,5 г. По истечении 6-10 мес происходит интенсивное уплотнение отвалов , в дальнейшем осадка стабилизируется . В связи с тем, что устойчивость отвалов со временем увеличивается , возможно на его бермах разместить дополнительный объем пород с сохранением устойчивости. Через 6 мес и через 1 г после отсыпки глинистых пород сцепление увеличивается соответственно на 38 и 53%. Объемная масса пород также увеличивается. Допустим, что через 6 мес после отсыпки сцепление пород увеличилось на 40% и достигло 3,0 т/м, а объемная масса увеличилась с 1,8 до 1,9 т/м. Дпя этих значений вновь определяем предельный устойчивый угол откоса отвала высотой 60 м. Этот угол 3 составляет 29. Строим новый устойчивьй контур откоса 4. Как видно из построения, на бермах отвала возможйо разместить дополнительный объем 5 пород за счет увеличения прочностньж свойств пород отвала. Таким образом, общий угол откоса отвала увеличен с 27 до 29°, т.е. возросла его емкость, при этом коэф фи1шент запаса устойчивости не изменился . В зависимости от параметров отвала (количества ярусов ширины берм, углов естественного откоса) дополнительный объем занимает 0,1-1,0 ширины бермы.1 Предложенный способ отвалообразования позволяет также вводить вновь в действие отработанные (законсервированные ) отвалы. inpe V S , T,/M ./ 7& 72 -.v.;3 7

Инженерно-геологические особенности формирования отвальных массивов

Наиболее распространенным видом техногенных массивов в горнодобывающей промышленности являются отвалы вскрышных пород. Отвалы являются типичным продуктом техногенеза в горном деле, и их породы претерпевают изменения, подобные природным геологическим процессам литогенеза. Однако отличительной их особенностью от природных процессов является мгновенная (с геологических позиций) скорость протекания.

Основными требованиями, предъявляемыми к отвалам, являются: достаточная вместимость при незначительных размерах занимаемых земельных площадей, минимальное расстояние от мест погрузки породы (вскрышных забоев), расположение на безрудных (безугольных) площадях для постоянных отвалов, отсутствие помех развитию горных работ при обязательном обеспечении производственной и экологической безопасности.

Читать еще:  Как сделать откосы под покраску

К наиболее характерным инженерно-геологическим особенностям пород отвалов и их оснований относятся: нарушенность структуры пород в теле отвала, обусловливающим снижение прочности (по сравнению с естественным залеганием); фракционирование пород и самовыполаживание отвальных откосов; существенное изменение прочности отвальных пород во времени (сопротивление сдвигу увеличивается в связи с уплотнением или снижается при увлажнении пород насыпи и основания); возникновение в водонасыщенных глинистых породах отвалов и их оснований порового давления, являющегося существенным фактором развития оползней различных типов.

В процессе отвалообразования основную угрозу для безопасности работ представляет деформация отвалов, которая обусловливается свойствами пород вскрыши, и поэтому отвальные работы принято разделять на две группы:

• отвалообразование с обеспечением устойчивости отвальных ярусов на всех этапах формирования массива;

• отвалообразование в условиях управляемого деформирования.

В последнем случае оборудование должно располагаться вне призмы возможного обрушения или обладать достаточной мобильностью для вывода его за пределы призмы до начала деформаций, допускаемая скорость протекания которых J250 мм/сут. [1, 2]. В общем случае на отвальных массивах различают два основных вида деформации: затухающее во времени оседание (за счет уплотнения пород) и возрастающее, часто переходящее в обрушение, сдвижение.

Негативное воздействие отвальных массивов выражается в следующем: занятие значительных площадей и переоформление рельефа местности; нарушение гидродинамического режима поверхностного стока в месте расположения отвала; возможное перекрытие рек и ручьев вследствие оползания уложенных пород; возможное перекрытие подземного стока из-за оседания основания отвала; аккумуляция воды и заболачивание прилегающих территорий; неравномерные осадки поверхности, появление мульд оседания с последующим образованием болот на территории отвала; интенсивное пыление поверхности отвалов вследствие ветровой эрозии; изменение химического состава подземных вод за счет растворения минеральных составляющих отвальных отложений инфильтрующими водами; изменение физических полей.

Основные геометрические параметры внешних отвалов определяются из условий обеспечения устойчивости техногенного массива. Естественно, чем выше отвал и круче угол его откоса, тем меньше он занимает земель, больше вмещает породы и, в конечном итоге, экономически выгоднее и экологически безопаснее. Геомеханические ограничения влияют на форму откоса: в зависимости от литологического состава отсыпаемых пород отвалы бывают одноярусные, отсыпаемые под углами естественного откоса и имеющие высоту до 90 м, и многоярусные – высотой до 150 м и результирующими углами откоса до 36°. Важным фактором, определяющим параметры внешних отвалов, является рельеф основания и тип породы, залегающей в подошве отвального массива [2, 3]. Устойчивость отвалов, размещаемых на прочном основании, определяется прежде всего сопротивлением сдвигу слагающих их пород.

После отсыпки отвал сжимается постепенно под действием собственного веса, причем уплотнение отвала идет наиболее интенсивно в первый период за счет заполнения воздушных пустот. По мере перехода в двухкомпонентную среду (порода + вода) в нижней части отвала развивается поровое давление. Интенсивность осадки снижается, и дальнейшее ее прохождение происходит за счет рассеивания порового давления в течение нескольких месяцев. В результате более интенсивного оттока воды из приоткосной зоны верхняя бровка отвала имеет большую осадку по сравнению с основной [4]. Наличие в основании водонасыщенных слабоструктурных связных пород также провоцирует возникновение в них порового давления, которое возникает практически сразу после приложения нагрузки Р от отвального массива. При этом внешняя нагрузка частично воспринимается поровой водой, а частично – минеральным скелетом:

где Рэ – давление в скелете грунта или эффективное давление, действующее на минеральные частицы, уплотняя и упрочняя породу); Ри – поровое или нейтральное давление, которое создает напор в воде, вызывающий ее фильтрацию.

В нестабилизированном состоянии порода плохо сопротивляется сдвигу, но по мере уплотнения и оттока поровой воды к зонам с пониженным давлением или дренажем сопротивление сдвигу возрастает. Сопротивление сдвигу t по любой площадке может быть принято равным (рис. 1):

где s – полное нормальное напряжение; Ри – поровое давление; j’ и С’ – угол внутреннего трения и сцепление, определенные для консолидированных образцов (по эффективным напряжениям).

Поровое давление возникает при коэффициенте водонасыщения глинистых пород G I 0.8–0.6 (в зависимости от плотности), когда воздух в поровой воде находится в виде защемленных пузырьков, расположенных в межконтактных областях пор. Если же водные оболочки частиц в этих областях не смыкаются (воздух остается незащемленным), то поровое давление не возникает [2]. Деформации отвалов свидетельствуют, что поровое давление является одной из основных причин возникновения оползней различных типов.

Прочность глинистых пород уменьшается также и при увеличении их влажности. В частности, у пестроцветных пластичных глин Никопольского марганцевого бассейна при увеличении их влажности до 0.5 (против естественной Wе = 0.4) происходило снижение сопротивления сдвигу в 3–4 раза [2]. В процессе отсыпки рыхлых пород на обводненное основание происходит переувлажнение тела отвала за счет капиллярного поднятия воды, что также приводит к снижению прочности отвальных масс и образованию просадок и оползней.

Читать еще:  Уголок с защелками для пластиковых откосов

Исследования ИГД Минчермета (Екатеринбург), проведенные на Качарском ГОКе, показали, что высота капиллярного поднятия всего на 1.5–2.0 м не достигает верхней границы отвала как на первом, так и втором ярусах (рис. 2). Влажность в теле отвала начинает резко расти с глубины 1.5 м от верхней границы отвала и достигает величины Wе = 0.38, что лишь на 0.04 доли единиц менее, чем в неогеновых глинах основания [5].

По различным данным до 15% оползней на отвалах вызвано возникновением порового давления в основании техногенного массива [2, 3, 4, 6]. На внешних экскаваторных и бульдозерных отвалах Лебединского и Михайловского ГОКов деформации откосов проявлялись в виде простых оползней и оползней оплывания (рис. 3). На Михайловском карьере экскаваторные отвалы №1, 3 а и 7, расположенные в пойменных участках рек Чернь, Рясник и Речица, деформировались в результате выдавливания оснований, представленных илистыми суглинками, торфами и песками аллювиального происхождения (рис. 3 в). На отвале №7 пришлось оборудовать другой участок вне зоны деформаций (рис. 3б).

По данным к.т.н. А.В.Киянца (ФГУП ВИОГЕМ) средние деформации отвала №7 достигали 200 мм/сут. Инструментальные наблюдения ВИОГЕМ (1998–2000 гг.) на южном и юго-западном флангах отвала №7 показали, что по глубине отвального массива деформации имели дифференцированный характер (рис. 4 б). Причем наибольшие значения деформаций приурочены к основанию отвала, представленному слабыми породами. Произошедший оползень в южной части отвала сопровождался формированием вала выпирания слабых грунтов пойменной части р.Речица и грозит перекрытием перенесенного русла этой реки (рис. 3в). В настоящее время для прекращения деформаций планируется отсыпка упорной призмы в пределах нижней бровки техногенного отвального массива.

На большинстве разрезов Кузбасса основания внешних отвалов представлены песчано-глинистыми и суглинистыми отложениями четвертичного возраста. Возникновение порового давления при их нагружении отвальными насыпями из полускальной вскрыши привело к деформациям отвалов на разрезах «Новосергеевский», «Краснобродский», «Сибиргинский» (объем оползня более 0.5 млн.м3), «Бачатский» (им. 50-летия Октября) и т.д. На разрезах Южного Кузбасса при проходке разрезных траншей с укладкой обводненных пород вскрыши на нерабочем борту происходят оплывины. Экскавируемые водонасыщенные породы, попадая на наклонное основание, текут в виде потоков, повторяя рельеф местности. Подобные деформации наблюдались на разрезах «Ольжерасский», «Моховский», «Талдинский», «Сибиргинский» и др.

Рельефом местности определяется также характер поверхностного стока. В случае скопления атмосферных вод у нижней бровки отвалов, подтапливания дождевыми и паводковыми водами или размещения отвалов во впадинах, не имеющих стока, происходит увлажнение пород отвалов и их оснований, снижение сопротивления пород сдвигу, уменьшение высоты и угла откоса устойчивых отвальных откосов.

Из климатических факторов на устойчивость отвалов наибольшее влияние оказывают атмосферные осадки и колебания температуры воздуха.

Гидрогеологические условия определяют возможность возникновения деформаций откосов и оснований отвалов в связи с гидродинамическим или гидростатическим давлением подземных вод. Эти воды могут вызвать гидростатическое взвешивание пород или создание в них ослабленных поверхностей. Давление подземных вод на глинистые породы основания отвалов уменьшает эффективные напряжения в них или может вызвать гидравлический разрыв глинистого слоя с прорывами напорных вод или плывунов [2, 4].

Из технологических факторов, влияющих на устойчивость отвалов важнейшими являются высота и конфигурация отвальных откосов, длина и скорость подвигания отвального фронта, темп отсыпки отвала. Схемами отсыпки (фронтальной или блоковой) предопределяется характер процессов уплотнения породных масс отвалов и их прочностные свойства.

Проектирование отвалообразования необходимо осуществлять с учетом всех возможных факторов и особенностей вскрышного массива месторождения, состояния основания, которые могут оказать влияние на устойчивость отвала, степень его воздействия на окружающую среду. Например, для исключения капиллярного поднятия в теле отвала необходимо изолировать контакт обводненного основания с укладываемыми в отвал глинистыми породами, дренирующим слоем скальной или полускальной вскрыши, который также осушает тело отвала в процессе консолидации глинистых грунтов. Варьируя мощностью дренирующего слоя можно регулировать высоту отвального яруса, а также планировать развитие многоярусных отвалов. Отсыпку дренажного слоя при дефиците скальной горной массы можно вести не по всему фронту отвального яруса, а на участках повышенной обводненности. При отсыпке отвалов на слабых основаниях целесообразно создание предотвала (упорной призмы), предупреждающего оползневые деформации и выдавливание пород основания из-под техногенного массива.

Учет скорости подвигания отвального фронта, через которую выражается продолжительность периода консолидации пород, позволяет обосновывать расчетные режимы отвалообразования. Устойчивость откосов (зависящую от времени стояния отвала) необходимо обеспечивать варьированием величины производительности отвального оборудования, высоты и длины фронта отвала, создания предотвала и т.п.

Формирование отвала должно осуществляться с учетом его последующей рекультивации при непрерывном геомеханическом контроле за устойчивостью, несущей способностью и осадками техногенного массива.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector