Угол устойчивого откоса уступа

Серия «Строительство и архитектура»

• in English

• Отправить статью

Содержимое доступно под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

• Главная
• О нас
• Вход
• Регистрация
• Поиск
• Текущий выпуск
• Архивы

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТКОСОВ И УСТУПОВ ГРУНТОВЫХ ВЫЕМОК НА ИХ УСТОЙЧИВОСТЬ

Аннотация

В работе представлены результаты исследования влияния углов наклона уступов и от-
косов на их взаимную устойчивость. Определяются величины коэффициентов устойчивости
откосов в зависимости от угла наклона уступов, а также величины коэффициентов устойчи-
вости каждого уступа в зависимости от угла наклона откоса и местоположения уступа на
нѐм. Оценка напряженно-деформированного состояния рассматриваемых грунтовых масси-
вов и определение коэффициентов устойчивости (с определением форм и положений наибо-
лее вероятных поверхностей скольжения) проведены посредством компьютерного моделиро-
вания с применением метода конечных элементов и учѐтом величины коэффициента боково-
го давления грунта. Рассмотрены различные сочетания высот уступов и их углов наклона,
при этом установлено, что максимальная разница между коэффициентами устойчивости пря-
молинейного и двухступенчатого откосов наблюдается в случае, когда нижний уступ имеет
наибольшую высоту и угол наклона. Верхний уступ при этом можно считать изолированным.
Устойчивость нижнего уступа для каждого из рассмотренных вариантов имеет зависимость
от его угла наклона и угла наклона верхнего уступа. Таким образом, обнаружено, что пред-
ставляется возможность подобрать такие сочетания значений углов наклона их уступов и вы-
сот при проектировании откосов, при которых их устойчивость будет максимальной. Подбор
этих геометрических параметров в свою очередь позволяет при проектировании на откосах
различных сооружений правильно спланировать работы по выравниванию формы естест-
венных откосов или созданию насыпей таким образом, что это окажет существенное влияние
на повышение их эксплуатационной надѐжности.

Ключевые слова

Полный текст:

Литература

Туманов, С.Л. К расчету устойчивости

уступов и откосов грунтовых выемок и учетe их

взаимного влияния / С.Л. Туманов // Ежегод. науч.-

техн. конф. проф.-препод. состава и студентов

ВолгГАСУ: матер. конф., Волгоград, 29–30 апр.

г.: в 2 ч. – Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ,

Туманов, С.Л. Исследование системы

«откос – уступ» с учетом их взаимного влияния /

С.Л. Туманов, Л.С. Туманов // Инженерные про-

блемы современного материаловедения и дорож-

ного строительства: материалы науч.-практ.

конф., г. Волгоград, 16–17 мая 2007 г. – Волгоград:

Изд-во ВолгГАСУ, 2007. – С. 142–143.

Туманов, С.Л. Исследование устойчиво-

сти двухступенчатых откосов / С.Л. Туманов,

А.Ю. Рагозин // Градостроительство: тез. докл.

по итогам науч.-техн. конф. ВолгГАСА. – Волго-

град: Изд-во ВолгГАСА, 1996. – С. 37–39.

Цветков, В.К. Взаимное влияние уступов и

бортов карьеров на их устойчивость /

В.К. Цветков, С.Л. Туманов // ФТПРПИ. – 1988. –

Цветков, В.К. Расчет устойчивости от-

косов и склонов / В.К. Цветков. – Волгоград: Ниж-

не-Волжское кн. изд-во, 1979. – С. 238.

Влияние коэффициента бокового давления

грунта на степень устойчивости однородного

откоса / О.А. Богомолова, Б.С. Бабаханов,

С.Ю. Калашников и др. // Вестник Волгогр. гос.

архит.-строит. ун-та. Сер.: Строительство и

архит. – 2013. – Вып. 30(49). – С. 39–49;

Оценка величины коэффициента запаса ус-

тойчивости однородного нагруженного откоса на

основе анализа напряженного состояния грунтового

массива при различных значениях коэффициента

бокового давления грунта / А.Н. Богомолов, С.А. Ка-

линовский, О.А. Богомолова и др. // Вестник Волгогр.

гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Строительство и

архит. – 2013. – Вып. 30(49). – С. 7–12.

Богомолов, А.Н. Расчет устойчивости от-

косов с учетом величины коэффициента бокового

давления грунта / А.Н. Богомолов, С.А. Калиновский //

Международная научно-практическая конференция,

посвященная 55-летию кафедры строительного про-

изводства и геотехники ПНИПУ и 60-летию кафед-

ры гидротехнических и земляных сооружений Волг-

ГАСУ: матер. конф., 10–13 фев. 2015 г., Волгоград. –

Волгоград: ВолгГАСУ, 2015. – C. 80–97.

Калиновский, С.А. Оценка влияния величи-

ны коэффициента бокового давления грунта на

результаты расчетов грунтовых массивов по пер-

вому предельному состоянию: автореф. дис. .

канд. техн. наук: (05.23.02) / С.А. Калиновский. –

Волгоград, 2013. – 28 с.

Богомолов, А.Н. Анализ методов опреде-

ления коэффициента бокового давления грунта (экс-

периментальные методы) / А.Н. Богомолов и др. //

Инженерные проблемы строительного материало-

ведения, геотехнического и дорожного строитель-

ства: материалы III Междунар. науч.-техн. конф. –

Волгоград, ВолгГАСУ, 2012. – С. 33–57.

Богомолов, А.Н. Анализ методов опреде-

ления коэффициента бокового давления грунта

(аналитические методы) / А.Н. Богомолов и др. //

Инженерные проблемы строительного материа-

ловедения, геотехнического и дорожного строи-

тельства: материалы III Междунар. науч.-техн.

конф. – Волгоград, ВолгГАСУ, 2012. – С. 58–85.

рованное состояние): Свидетельство о государ-

ственной регистрации программы для ЭВМ /

А.Н. Богомолов и др. – № 2009613499 от 30 июня

УСТУП И ЕГО ЭЛЕМЕНТЫ

Приведем поперечный разрез карьера, на котором обозначены основные его элементы (рис. 1)

Рисунок 1 — Поперечный разрез карьера

На рис. 1.1 приведены следующие элементы карьера:

1-2 — верхний контур карьера, соответствует ширине карьера по верху;

3-4 – нижний контур карьера, соответствует ширине карьера по дну;

5-6 – рабочий борт карьера;

1-5 и 2-11 – нерабочий борт карьера;

7 – нерабочий уступ карьера;

8 – рабочий уступ карьера;

9 – верхняя и нижняя площади уступа (рабочие площадки);

10 – транспортная берма;

12 – предохранительная берма или берма очистки;

φ_р – угол рабочего борта карьера;

φ_нр– угол нерабочего борта карьера.

Верхним контуром карьера называется линия пересечения бортов с поверхностью.

Нижним контуром карьера называется линия пересечения бортов с плоскостью дна карьера.

Бортами карьера называются боковые поверхности, ограничивающие карьер и его выработанное пространство.

Если на борту карьера производятся горные работы, то он называется рабочим бортом.

Откосом борта карьера называется поверхность, проходящая через верхний и нижний его контур.

Углом откоса борта карьера называется угол, образованный линией откоса борта карьера и проекцией этой линии на горизонтальной плоскости. Угол откоса рабочего борта обычно составляет 7°÷15°, не рабочего 35°÷45°.

В результате горных работ рабочий борт карьера перемещается, приближается к конечным контурам карьера. Борт карьера или его отдельные участки, контуры которых совпадают с конечными контурами карьера, называются нерабочими. На нерабочем борту карьера горных работ не производятся, но могут располагаться транспортные съезды.

Уступы, составляющие нерабочий борт карьера называются нерабочими. Они разделяются площадками: транспортными, предохранительными, а также площадками очистки.

Транспортные бермы служат для расположения транспортных путей, по которым осуществляется грузотранспортная связь, между рабочими площадками в карьере и поверхностью. Ширина их составляет от10 до 30 м в зависимости от вида и типа транспорта.

Предохранительные бермы предназначены для повышения устойчивости борта и для задержки кусков породы обрушающихся при выветривании уступов. Их ширина составляет 3÷10 м и как правило принимается равной 1/3h_у.

Бермы очистки – это расширенные до 10÷15 м предохранительные бермы, которые останавливают через 3÷4 уступа. Очистка оставшейся породы осуществляется бульдозерами, небольшими экскаваторами или погрузчиками.

По мере отработки уступов рабочий борт становится нерабочим, а рабочие площадки становятся предохранительными или площадками очистки.

Глубина карьера – это вертикальное расстояние между отметкой земной поверхности и длиной карьера. Они изменяются от нескольких десятков метров до 300÷500 м.

Форма карьера в плане бывает обычно близкой к овальной. Длина карьера изменяется от 500 м до 5 км.

Уступ и его элементы. Правила вычерчивания уступов при оформлении горных чертежей

Уступом называется часть массива горных пород в карьере, имеющая рабочую поверхность в форме ступени и разрабатываемая самостоятельными средствами выемки, погрузки и транспорта.

Различают рабочие и нерабочие уступы. На рабочих уступах производится выемка пустых пород или добыча полезного ископаемого. Уступ имеет нижнюю и верхнюю площадки, откос и бровки.

Приведем схему, на которой покажем уступ в разрезе и в плане (рис. 2)

Рисунок 2 – Уступ и его элементы

а – поперечный разрез уступа; б – вычерчивание уступа в плане

Н_у – высота уступа; α_у — угол откоса уступа; х – горизонтальное проложение откоса уступа; 1 и 2- верхняя и нижняя площади уступа соответственно; 3 и 4 – верхняя и нижняя бровки уступа соответственно; 5 – откос уступа; 6 – линии наибольшего ската; 7 – берг-штрихи.

Откосом уступа – называется наклонная поверхность, ограничивающая уступ со сторон выработанного пространства.

Углом откоса уступа – называется угол наклона откоса уступа к горизонтальной плоскости.

Линии пересечения откоса уступа с его верхней и нижней площадками называется соответственно верхней и нижней бровками.

Высота уступа обычно ограничивается по условиям безопасности работы выемочно-погрузочного оборудования и составляет 10÷15 м, реже 20÷40 м.

Угол откоса рабочих уступов обычно составляет 65°÷80°, нерабочих 45°÷60°, т.к. должна обеспечиваться долговременная устойчивость уступа.

Горизонтальные поверхности рабочего уступа, являющиеся объектом разработки, т.е. на которых расположены буровые станки или экскаваторы, называются рабочими площадками. Ширина рабочей площадей изменяется от 40 м до 110 м. Если площадка остается свободной, то ее называют нерабочей.

Вычерчивание горных чертежей, в частности вычерчивание уступов карьера в плане, имеет некоторые особенности. Рассмотрим их на примере рис. 1.2 б.

На поверхности откоса уступа перпендикулярно к горизонтам проводят линии наибольшего ската и берг-штрихи. Выполняются линии наибольшего ската сплошной тонкой линией. Минимальное расстояние между соседними линиями ската принимаются равным 2÷3 мм, максимальное до 0,5 горизонтального проложения откоса уступа.

Массив вскрышных горных пород на плане откоса уступа условно обозначается берг-штрихами – отрезками основной толщины, длиной равной 1/3÷1/4 от горизонтального проложения откоса, проставляемыми у контуров верхней бровки между линиями наибольшего ската. Массив полезного ископаемого на откосе уступа обозначается сдвоенным берг-штрихами.

Для закрепления материала студентам необходимо выполнить расчетно-графическую работу.

Задание для расчетно-графической работы: вычертить в разрезе и в плане участок рабочей зоны карьера, состоящий из двух уступов. Чертеж выполнить в масштабе 1:100, 1:200, 1:500 или 1:1000. По результатам построения определить угол рабочего борта участка карьера. Задание по вариантам представлено в приложении 1.

Исходные данные для выполнения практической работы представлены в приложении 1.

Высота и устойчивость уступов

Уступ является одним из важнейших элементов открытой разработки. Рациональной является такая высота уступа, при которой в данных условиях обеспечиваются: безопасность горных работ, высокая производительность оборудования, минимальные объемы вспомогательных работ, установленные годовые объемы добычных и вскрышных работ и минимальные затраты на них.

Высота уступа непосредственно влияет на ряд общекарьерных показателей: качество добываемого полезного ископаемого; скорость подвигания фронта; темп углубления горных работ и, следовательно, производственную мощность карьера; срок строительства карьера; объем горно-капитальных работ; общую протяженность фронта работ, внутрикарьерных путей и дорог; угол откоса рабочих и нерабочих бортов.

Рациональная высота уступов не может быть установлена по какому-либо одному фактору; она должна выбираться на основе определения совокупного влияния всех перечисленных выше факторов в конкретных природных условиях и с обязательным учетом возможностей вскрытия рабочих горизонтов. Аналитические методы определения высоты уступа не могут учитывать всей совокупности этих факторов. Безопасность ведения горных работ является основным требованием.

При разработке горизонтальных и пологих залежей мощность залежей и покрывающих пород обычно предопределяет высоту и число уступов. При чередовании горизонтальных и пологих пластов высоту уступа определяют в зависимости от мощности отдельных пластов и залегающих между ними слоев пустых пород с учетом обеспечения необходимого качества полезного ископаемого.

Устойчивость откосов в мягких породах имеет решающее значение. В таких породах, согласно Правилам безопасности, высота уступа не должна превышать максимальной высоты черпания экскаватора; в противном случае в верхней части уступа остаются «козырьки», «нависи» и возможно обрушение пород.

При разработке наклонных и крутопадающих залежей, представленных преимущественно скальными и полускальными породами, высота уступа определяется в основном показателями технологических процессов, потерь и разубоживания полезного ископаемого, требуемой производственной мощностью карьера и условиями вскрытия рабочих горизонтов. Затраты на подготовку скальных пород к выемке и на транспортирование взорванных пород снижаются с увеличением высоты уступа. Минималыше затраты на экскавацию взорванных пород соответствуют высоте уступа 15-20 м.

В то же время, согласно Правилам технической эксплуатации (ПТЭ), высота уступа в скальных и полускальных породах не должна превышать максимальной высоты черпания экскаватора более чем в 1,5 раза (табл. 6) при условии, что высота развала не будет превышать: при одно- и двухрядном взрывании – максимальной высоты черпания экскаватора, а при многорядном взрывании — полуторной максимальной высоты черпания. При экскавации взорванных пород из таких развалов должны приниматься дополнительные меры по предотвращению образования «козырьков» и «нависей». Лишь в породах I и II категорий трещиноватости при нормальном и увеличенном расходе ВВ и наклонном бурении скважин, когда взорванные породы будут находиться в сыпучем состоянии, с разрешения органов Госгортехнадзора СССР допускается высота уступа Н_У>1,5·Н_Ч.MAX.

В тех случаях, когда выемка производится экскаваторами с удлиненным рабочим оборудованием с верхней погрузкой, высота уступа должна соответствовать параметрам проходческого оборудования (табл. 7).

При разработке сложных месторождений потери и разубоживание полезного ископаемого практически прямо пропорциональны высоте добычного уступа. Поэтому целесообразно по экономическим условиям при раздельной выемке полезного ископаемого, особенно при пологих залежах, принимать высоту добычных уступов не более 10-12 м и применять экскаваторы карьерного типа с емкостью ковша 3-5 м 3 .

Скорость проведения траншей примерно обратно пропорцио­нальна высоте уступа. От этой скорости зависит темп углубления горных работ. Чем больше высота уступа, тем меньше возможная производственная мощность карьера по полезному ископаемому. Это положение особенно важно в первый период работы карьера.

Максимальная высота уступов в скальных и полускальных породах при выемке мехлопатами карьерного типа

Максимальная высота уступа при выемке мехлопатами с удлиненным рабочим оборудованием с верхней погрузкой

* — угол устойчивости откоса 34 0

Вместе с тем необходимые объемы вскрышных работ уменьшаются с увеличением высоты уступа в результате сокращения числа рабочих уступов и увеличения угла откоса рабочего борта карьера. При этом уменьшаются также требуемая скорость подвигания и длина добычного фронта. Поэтому при раз­работке залежей простого строения в средней зоне карьера (по глубине) иногда целесообразно увеличение высоты уступа.

Из опыта ведения открытых работ при разработке наклонных и крутых залежей простого строения установлено, что оптимальная высота уступа при использовании экскаваторов с Е= 3-5 м 3 составляет 12-15 м и 17-20 м для экскаваторов с Е=8-12,5 м 3 . При многорядном взрывании вертикальных скважинных зарядов в породах III-V категорий трещиноватости часто по условиям безопасности Н_У=Н_Ч max+h (h = 1-3 м).

При открытой разработке месторождений полезных ископаемых очень важно обеспечить устойчивость уступов и не допускать их деформаций в течение всего периода строительства и эксплуатации карьера.

Из многих факторов, от которых зависит устойчивость откосов, определяющей является группа геологических факторов (состав, состояние, строение и свойства горных пород). Они определяют условия деформации массива и выбор расчетных схем устойчивости откосов, характер противодеформационных мероприятий и величины расчетных показателей.

Из группы гидрогеологических факторов основным является влияние подземных вод, изменяющих свойства массива (вследствие выщелачивания трещиноватых карбонатных пород, набухания глинистых пород и др.) и его напряженное состояние; под действием гидростатических и гидродинамических сил может происходить фильтрационное разрушение откосов (оплывание и суффозия). Обводненность контактных зон и структурных нарушений приводит к деформациям откосов (в результате снижения прочности пород па контактах) и внезапному прорыву вод.

Третью группу составляют технологические факторы.

Необходимо учитывать, что параметры вскрывающих выра­боток, положение их относительно контура карьера и срок службы определяют интенсивность развития в массиве реоло­гических процессов и выветривания пород, развитие в массиве деформационных процессов (подрезка контактов слоев или на­рушений и др.). При высокой скорости подвигаиия фронта горных работ в массиве не успевают развиваться деформацион­ные и реологические процессы, что позволяет придавать откосам рабочих уступов более крутые углы наклона. Размещение отвалов в выработанном пространстве увеличивает сопротивление сдвигающим усилиям прибортового массива пород.

Борта карьеров могут иметь участки вогнутой, выпуклой и прямолинейной формы в плане. Установлено, что, при прочих равных условиях, откосы, имеющие в плане вогнутую форму, более устойчивы, чем плоские.

Взрывные работы обусловливают сейсмический эффект, образование и развитие в приоткосном массиве уступа трещиноватости и зон пониженной прочности, а также неустойчивой поверхности самого откоса уступа. Для снижения вредного воздействия взрывов при постановке уступов в конечное положение необходимо: изменять параметры буровзрывных работ; применять (с учетом конкретной обстановки) короткозамедленное взрывание скважинных зарядов необходимого диаметра и контурное взрывание, заряды с инертными сердечниками; располагать ряды скважин под углом 60-90° к контуру борта; применять экранирующие врубы; использовать искусственное укрепление уступов; вводить в расчеты повышенный коэффициент запаса устойчивости.

Различают краткосрочную и долгосрочную устойчивость откосов, которыми должны обладать соответственно рабочие и нерабочие уступы. Коэффициент запаса устойчивости рабочих уступов η_у=1,15-1,2, а нерабочих в глинистых и трещиноватых скальных и полускальных породах η_у =1,5-2.

При предварительном выборе углов откосов рабочих и нерабочих уступов целесообразно пользоваться данными, приведенными в табл. 8. Для уточнения значений углов, особенно при неустойчивых породах или неблагоприятном залегании поверхностей ослабления, необходимо проводить натурные исследования и расчеты устойчивости откосов.

Ширина призмы (м) возможного обрушения уступа при отсутствии поверхностей ослабления может быть определена в зависимости от угла откоса и прочности пород по формуле

где а -угол откоса уступа, градус; ρ — угол внутреннего трения.