Розробка обгрунтованого проекту стійкого борту кар`єру

Міністерство освіти Російської Федерації
Магнітогорський державний технічний університет ІМ.Г.І. Носова
Факультет гірських технологій і транспорту
Кафедра відкритої розробки родовищ корисних копалин
Курсова робота
з дисципліни "Основи геомеханіки"
по темі: "Розробка обгрунтованого проекту стійкого борту кар'єру"
Перевірив: доцент, канд. тех. наук
Черчінцева Т.С.
Виконав: студент групи 0905
Бондарєв К.О.
Магнітогорськ 2008

Зміст
  Введення
1. Умови залягання та фізико-механічні властивості порід масиву
1.1 Визначення коефіцієнта структурного ослаблення та питомого зчеплення порід у масиві
1.2 Обгрунтування кута внутрішнього тертя і питомої ваги порід у масиві
1.3 Усереднення фізико-механічних властивостей масиву
2. Обгрунтування стійкого результуючого кута укосу борту кар'єра
2.1 Визначення розрахункових усереднених властивостей масиву
2.2 Визначення проектного кута сталого плоского укосу
Висновок

Введення

Для глибоких кар'єрів велике економічне значення має максимально можливе збільшення кутів укосу борту: зниження на 2-3 ⁰ веде до зростання загального обсягу розкриву на 5-10 млн. м ³ на один кілометр периметра кар'єра глибиною близько 300 м.
З іншого боку, на необгрунтовано крутих бортах неминуче розвиваються деформації у вигляді зсувів і обвалень. У цьому випадку на підтримку транспортних комунікацій у зонах деформацій витрачається багато часу і коштів, доводиться вдаватися до зменшення розмірів вибухових блоків і збільшувати частоту вибухів. Іноді зсувні борти вимагають консервації або перепроектування кар'єра, що, у свою чергу, веде до втрат корисної копалини, зменшення розмірів кар'єра в плані, ускладнення технології гірничих робіт.
З викладеного напрошується висновок: у конкретних гірничотехнічних умовах родовища необхідний пошук оптимальних параметрів укосу борту і його уступів.
Таким чином, метою геомеханічних вишукувань є обгрунтування оптимальних проектних рішень, які забезпечують, з одного боку, економічність виробництва, з іншого - безпеку гірничих робіт.
Геомеханічні дослідження включають в себе вивчення: фізико-механічних властивостей породного масиву і зміна їх з глибиною; геологічних структурних особливостей залягання порід; взаємозв'язку напружень в масиві і деформацій порід у виробках; прогнозування ймовірних деформацій та заходи щодо їх попередження.

Вихідні дані

m 1

Скельні породи сильно тріщинуваті

Піщано-глинисті відкладення

Скельні породи сильно тріщинуваті

Піщано-глинисті відкладення

Піщано-глинисті відкладення

Скельні породи сильно тріщинуваті

H

m 2

Руда

Скельні породи среднетрещіноватие

А

Скельні породи среднетрещіноватие

Малюнок SEQ Малюнок \ * ARABIC 1 Поперечний перетин родовища по лежачому боці поклади: А-нижня брівка проектного борту кар'єру; Н - висота борту кар'єру
Таблиця 1.
Вихідні дані

Номер варіанта	1
Глибина кар'єра, Н, м	360
Потужність піщано-глинистих відкладень, m 1, м	15
Потужність сильно тріщинуваті скельні породи, m 2, м	200
Термін служби кар'єра, років	25

Таблиця 2.
Фізико-механічні властивості зразків порід та їх структурні особливості в масиві

Тип порід і їх властивості
	Піщано-глинисті відклади	Сильно тріщинуваті скельні	Може бути тріщинуваті скельні
Питома вага , МН / м 3	0,025	0,034	0,035
Питоме зчеплення С 0, МПа	0,03	11,4	11,6
Кут активного внутрішнього тертя , Град	21	33	30
Середня відстань між тріщинами, , М	-	0,24	0,5

1. Умови залягання та фізико-механічні властивості порід масиву

1.1 Визначення коефіцієнта структурного ослаблення та питомого зчеплення порід у масиві

Так як властивості порід задані для зразків порід, їх необхідно перерахувати на умови масиву.
Питоме зчеплення - це міцність породи на зрушення, тобто мінімальне дотичне напруження, при якому відбувається зсув однієї частини породи по відношенню до іншої.
Інтенсивність тріщинуватості - це кількість тріщин, що припадають на 1 погонний метр масиву , Де - Середня відстань між тріщинами всіх систем, м.
Коефіцієнт структурного ослаблення можна визначити емпіричної формулою
,
де а - коефіцієнт, що враховує міцність зразка (З) і характер тріщинуватості, Н - висота укосу, для якого виробляються геомеханічні розрахунки, м. Глинисті наноси можна вважати монолітними, для них КСВ = 0,8 і зчеплення їх у масиві знижується незначно.
Ступінь зниження міцності характеризується величиною коефіцієнта структурного ослаблення , Де С, Со - питоме зчеплення порід в масиві і зразку відповідно, МПа. Знаючи КСВ, можна обчислити для всіх типів скельних порід їх питоме зчеплення в масиві

С = КСВ * Со.
Результати обчислень представлені в таблиці 3.

1.2 Обгрунтування кута внутрішнього тертя і питомої ваги порід у масиві

Кут внутрішнього тертя порід - Це кут граничної рівноваги, при якому одна частина породи відносно інший перебуває в рівновазі при повній відсутності зчеплення між цими частинами. Для зниження впливу помилки у розрахунку сил тертя, яка може призвести до завищення розрахункової стійкості укосу, приймають величину tg всіх типів порід в розрахунках на 10% нижче: tg = 0.9 * tg , Звідки
= Arctg (0.9 * tg ).
Питома вага порід в рівній мірі впливає на величину як дотичних (руйнують) сил, так і сил тертя, тому в розрахунках приймається = .
Результати розрахунків властивостей порід у масиві занесені в таблицю 3 та в таблицю на схемі.
Таблиця 3.

	у зразку			в масиві
породи	З			l		Kсо	C	а
Піщано-глинисті відклади	0,03	21	0,025	-	-	0,8	0,02	0	19	0,025
Сильно тріщинуваті скельні	11,4	33	0,034	0,24	4,17	0,04	0,49	3	30,3	0,034
Може бути тріщинуваті скельні	11,6	30	0,035	0,5	2,0	0,05	0,56	3	27,5	0,035

1.3 Усереднення фізико-механічних властивостей масиву

З т. А (нижня брівка укосу) проводимо лінію плоского укосу АВ під кутом до горизонталі . Дугу лінії ковзання проводять наступним чином: від верхньої брівки укосу У відміряють 0,25 * Н - 0,25 * 360 = 90 м, по верхній площадці (т. С). З кінця цього відрізка проводять промінь під кутом зсуву найбільш міцних порід масиву до вертикалі, або 30 ^0. З нижньої брівки проводять промінь під тим же кутом до схилу. Перетин перпендикулярів, відновлених до цих променів в т. А і В, вказує центр дуги лінії ковзання. Призма САВ є ділянкою усереднення властивостей порід.
Усереднена величина питомого зчеплення
,
де С _{1. .3} - Питоме зчеплення порід, l _{1. .3} - Довжина ділянок лінії ковзання:
За схемою знаходимо: l ₁ = 24 м, l ₂ = 200 м, l ₃ = 350 м
Тоді = 0,51 МПа
Усереднений питома вага порід
,
де - Питома вага порід всіх типів, m _{1,2,3 -} вертикальна потужність пластів порід всіх типів:

Середній по блоку питома вага визначається як середньозважений відповідно до дольової участі різних типів порід
,
де S _1,2,3 - Площа блоку, займана різними породами, Si - загальна площа i-го вертикального блоку.
0,025 мН / м ³
= 0,033 мН / м ³
0,0345 мН / м ³
Величина нормальної напруги , Де - Середній по i-му вертикальному блоку питома вага порід, МН / м ^3, h _i - висота i-го блока, м, - Кут між напрямом і вертикаллю.
= 0,025 * 14 * cos ² 52є = 0,13 мН / м ²
= 0,033 * 128 * cos ² 45є = 2,11 мН / м ²
= 0,0345 * 130 * cos ² 25Є = 3,68 мН / м ²
Усереднений кут внутрішнього тертя

= 28,3 є

Результати розрахунків усереднених показників заносимо в таблицю на схемі.

2. Обгрунтування стійкого результуючого кута укосу борту кар'єра

2.1 Визначення розрахункових усереднених властивостей масиву

Коефіцієнт запасу стійкості - це величина, що показує відносне перевищення міцності масиву у порівнянні з зрушуються напругами. Для кар'єрів з терміном служби до 25 років можна прийняти Кзу = 1,3, більше 25 років - Кзу = 1,4.
За умовою термін служби кар'єра 25 років, значить, Кзу = 1,3.
Для визначення кута укосу борту із заданим запасом використовують відому залежність H = f (a), де Н - висота укосу, а = його кут, Кзу = 1.
Параметри визначимо за розрахунковими механічними властивостями:
= 0,51 / 1,3 = 0,39 МПа
= Arctg (tg 28,3 є / 1,3) = 22,5 є
Розрахункова висота вертикального оголення порід:
= (2 * 0,39 / 0,034) * ctg (45є - (22,5 є / 2)) = 34 м
H '= Н / Н _{90 (р)} = 360/35 = 10,59

2.2 Визначення проектного кута сталого плоского укосу

За величиною H 'і на графіку Фісенко визначаємо кут сталого укосу = 35Є.
На схемі поперечного перерізу родовища будуємо результуючу лінію сталого укосу борту під кутом .
3. Побудова найбільш вірогідною лінії ковзання в проектному борту
Це теоретично обгрунтоване положення поперечного перерізу поверхні, по якій деформація зсуву порід укосу ймовірна в найбільшою мірою, тобто розрахункова величина коефіцієнта запасу стійкості по ній є мінімальною.
Визначимо фактичну висоту вертикального оголення усереднених порід масиву
= = 50 м
На глибині Н ₉₀ від верхнього майданчика борту проводимо горизонтальну лінію.
З верхньої брівки укосу опустимо вертикальний промінь, який є лінією напрями найбільшого головного напруги в точці а, з якої проводять промінь під кутом зсуву = 45є - 28,3 є / 2 = 30,85 є до вертикалі. Цей кут є постійною величиною, що визначає в кожній точці масиву напрям дотичних напружень (зсуву) по відношенню до напрямку найбільших головних напружень.
Середній кут нахилу дуги лінії ковзання
= (35 +28,3) / 2 = = 31,65 є.

Вертикаль з т. d показує ймовірне положення тріщини відриву при деформації укосу. Розмір майданчика fc називають шириною призми ковзання.
4. Розрахунок загальної стійкості проектного плоского укосу борту
Використання усереднених властивостей порід у розрахунках обумовлює значні помилки у визначенні кута укосу з заданими Кзу. Тому потрібно перевірка проектного укосу за умовою його стійкості.
Для укосів, складених разнопрочнимі породами, для розрахунку величини коефіцієнта запасу стійкості зазвичай використовують "метод алгебраїчного додавання сил".
Розрахунок сил в блоках виконаний за формулами:

Таблиця 4.
Розрахунок сил по лінії ковзання

Номер блоку i	Ширина В, м	Висота h, м	Питома вага порід γ, мН / м 3	Сила тяжіння Р, мН	Кут зсуву β, град	Дотична сила Т, мН	Нормальна сила N, мН	Кут внутрішнього тертя φ, град	Сила тертя Fт, мН	Питоме зчеплення С, МПа	Довжина основи блоку L, м	Сила зчеплення 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
Сума сил	-	-	-	-	-	590,5			515,0			326,6

Коефіцієнт запасу стійкості
, Де -
утримують сили: сума сил тертя і сума сил зчеплення відповідно, - Зсувні сили: сума дотичних сил, МН.
= = 1,43
Прийнятий проектний кут укосу борту задовольняє умові стійкості укосу з усередненими властивостями порід.
5. Розрахунок місцевої стійкості проектного укосу з глинистих порід
Міцність усереднених порід значно вище міцності порід наносів, тому частину укосу належить слабким породам, вимагає перевірки його стійкості і відповідного коректування борту.
Розрахунок коефіцієнта запасу місцевої стійкості цієї частини укосу можна виконати методом "дотичних напружень".
= = 2,2 м
= 45є - 19є / 2 = 35,5 є
= (35 +19) / 2 = = 27є.
Викреслити схему поперечного перерізу частини укосу по глинистих наносять у масштабі 1: 200 або 1: 500, побудуємо найбільш ймовірну лінію ковзання, використовуючи властивості глинистих наносів і висоту, рівну їх вертикальної потужності m1. Намети рівномірно розташовані розрахункові точки лінії ковзання 0,1,. .6. і розрахуємо для кожної точки:
Дотичні напруги
Опір порід зрушенню
Всі результати вимірів і розрахунків заносимо в таблицю 5.
Таблиця 5
Дотичні напруги і опір зрушенню
Будуємо координатну сітку, у якої горизонтальною віссю служить розгортка лінії ковзання, вертикальна - вісь дотичних напружень, і епюри і за отриманими результатами (таб.5).
Заміряємо площі побудованих епюр і визначаємо коефіцієнт запасу стійкості = 60,9 / 63,1 = 0,97
Якщо розрахунковий Кзу <1.5, то слід зменшити кут укосу на піщано-глинистих породах.
Приймаються Кзу = 1.5
= = 1,3 м
= Arctg (tg 19є / 1,5) = 12,9 є
= 0,02 / 1,5 = 0,013 МПа
Відносна висота укосу:
H _'гл = Н _гол / Н ^гол _{90 (р)} = 15 / 1,3 = 11,5
За величиною H _'гол і φ _р ^гол визначаємо кут α _гол = 20є за графіком Фісенко - залежності між висотою і кутом плоского укосу.
Відповідно до отриманих результатів відбудовуємо верхню частину борту кар'єру під кутом на загальній схемі.
У результаті всіх попередніх розрахунків і побудов отримуємо результуючу лінію укосу борту. Повний проект борту по заданому розрізу необхідно відбудувати з конструктивними елементами: уступами і горизонтальними майданчиками.

Висновок

У ході виконання даної роботи були проведені геомеханічні дослідження, що включають в себе вивчення фізико-механічних властивостей масиву; взаємозв'язок напруг і деформацій порід у масиві; геологічні структурні особливості залягання порід. А також були розглянуті деякі інженерні методи розрахунку стійкості порід.
У результаті були обгрунтовані параметри стійкості укосів борту кар'єру і його уступів.