An Analysis of Stability of Quarry Sides in Quaternary Deposits

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2024.142.146
Issue: № 4 (142), 2024
Suggested:
11.11.2023
Accepted:
26.03.2024
Published:
17.04.2024
142
3
XML
PDF

Abstract

The results of research on stability evaluation of quarry sides composed of quaternary deposits are presented. To analyse stability, the method of limit equilibrium for different models of quarry sides was used for alluvial mines. The stability of the sides was analysed using Geoslope Slope/W software. The results of the study showed that with increasing rock density in the dry state, shear parameters decrease, cohesion and angle of internal friction increase, and with increasing rock moisture content the stability coefficient decreases, which is more affected by the angle of internal friction and rock density. The stability coefficient decreases as the height of the ledge increases, all other parameters being equal.

1. Введение

Повышение эффективности разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом в условиях сложной экономической ситуации многих горных предприятий требует оптимизации параметров горных работ. Одним из способов снижения объемов горных работ является уменьшение угла нерабочего борта карьера при обеспечении надежной устойчивости откосов. Вместе с тем, необоснованное увеличение углов уступов и бортов карьеров может привести к их деформации в различных формах

.

В литературе описан ряд исследований, в которых на основе многочисленных экспериментов, в основном в Институте инженерной геологии и гидрогеологии (ВНИИМИ), были определены коэффициенты структурных ослаблений пород. Данная методика требует тщательного изучения конкретного горного массива и определения искомого коэффициента на основе анализа структуры пород

.

Существующие методы расчета устойчивости бортов карьеров

,
,
не всегда напрямую учитывают влажность и плотность пород, которые на месторождениях, сложенными рыхлыми отложениями, изменяется в очень широких пределах и оказывают значительное влияние на углы откосов уступов и бортов карьеров. Как показывают полевые наблюдения, с увеличением влажности пород на россыпных месторождениях, с 15% до 25% угол откоса уступа высотой 15 м, сложенного песчано-глинистыми отложениями, уменьшается с 60-65о до 45-50о. Уменьшение плотности пород на россыпях также влечет заметное уменьшение углов откосов уступов и бортов карьеров.

При расчете устойчивости бортов карьеров на россыпных месторождениях необходимо учитывать ряд особенностей геологического строения последних. Наиболее часто встречающийся тип пород на россыпях – это четвертичные отложения. Влажность этих отложений очень сильно влияет на устойчивость, что, в свою очередь, обуславливает параметры горных работ. Эксплуатация карьеров в четвертичных отложениях нередко сопровождается нарушением устойчивости бортов. Как правило, причиной развития геомеханических процессов является несоответствие принятых геометрических параметров уступов и карьера в целом физико-механическим характеристикам пород. Авторами проведено исследование устойчивости прибортового массива, сложенного четвертичными отложениями, с разными значениями влажности и плотности пород.

Цель исследования заключается в анализе результатов расчета устойчивости прибортового массива, сложенного четвертичными отложениями, с учетом изменения его высоты, а также влажности и плотности пород.

2. Методика

Основные показатели устойчивости откосов определяются значениями сдвиговой прочности образца (φ и С), коэффициентами поверхностной ослабленности (φ' и С') и уровнем трещиноватости.

Показатель устойчивости каждого горного образца должен отражать прочность массива, а не только индивидуального блока. Это может быть учтено с помощью коэффициента ослабления, который отражает соотношение сцепления в массиве к сцеплению в отдельном структурном блоке (образце) или отношение сопротивления сжатию в массиве к сопротивлению сжатию в образце. Прочностные характеристики трещиноватого массива влияет фактор интенсивности трещин, который выражается количеством трещин на определенную длину.

Для оценки устойчивости принят метод Бишопа, который представляет собой метод анализа устойчивости откосов, используемый для определения коэффициента запаса прочности (FS) откосов при различных условиях нагрузки

. Метод был разработан В.В. Бишопом в 1950-х годах и широко используется в инженерно-геологической практике.

В упрощенном методе Бишопа удовлетворяются условия равновесия общих моментов и вертикальных сил (рисунок 1).

Однако для отдельных блоков не удовлетворяются условия равновесия моментов и равновесия горизонтальных сил. Несмотря на то, что условия равновесия удовлетворяются не полностью, тем не менее метод обеспечивает хорошие результаты и рекомендуется для проведения большинства практических расчетов, для которых поверхность скольжения может быть аппроксимирована кругом

,
,
.

Коэффициент устойчивости FS (Factor of Safety) вычислен путём последовательной итерации следующего отношения:

img,

где FS – коэффициент запаса устойчивости;  ci – удельное сцепление пород; bi – длина плоскости скольжения; a– угол плоскости скольжения; фi – угол внутреннего трения; Wi – вес блока.

Вследствие того, что коэффициент устойчивости FS входит в обе части уравнения, для его решения необходимо задаться предположением о начальном значении коэффициента устойчивости. Далее решение данного уравнения сводится к итерационному процессу (до тех пор, пока вычисляемый FS не окажется меньше заданной допустимой погрешности).

Многоугольник сил, построенный на основе метода Бишопа

Рисунок 1 - Многоугольник сил, построенный на основе метода Бишопа

Бишоп провел сопоставление коэффициентов запаса, полученных с помощью упрощенного и более строгих методов, которые удовлетворяют всем условиям равновесия. Он установил, что вертикальная составляющая сил взаимодействия может быть принята равной нулю, не приводя к существенным ошибкам, обычно с расхождением менее 1%
,
,
.

Следовательно, упрощенный подход, в котором вертикальные составляющие сил взаимодействия приводятся к нулю, обеспечивает тот же результат, что и строгий, при котором удовлетворяются все условия равновесия.

3. Результаты

Для оценки влияния влажности и плотности пород исследуемого прибортового массива, сложенного четвертичными отложениями, использовался пакет Slope/W программного обеспечения Geostudio. В качестве исходных физико-механических характеристик пород для прибортового массива взяты средние значения объемного веса, сцепления, угла внутреннего трения четвертичных отложений. Гранулометрический состав пород показан в таблице 1.

Таблица 1 - Гранулометрический состав четвертичных отложений

Наименование пород

Гранулометрический состав

Размер фракции, мм

Выход класса, %

Четвертичные отложения

+200

14,0

-200+100

6,2

-100+50

22,0

-50+20

11,5

-20+10

6,6

-10+5

11,9

-5+1

16,9

-1+0,05

6,1

-0,05

4,8

Для краткосрочного анализа изменчивости коэффициентов устойчивости от влажности и плотности пород использовались 4 модели: это однородный борт с варьированием его высоты, влажности и плотности породы. Высота уступов принята равной 5 м, ширина берм 2 м, угол откоса борта 45°. В качестве пород приняты разнозернистые породы, свойственные россыпным месторождениям. Результаты расчета угла внутреннего трения и удельного сцепления пород для каждой модели приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты расчетов угла внутреннего трения и удельного сцепления пород

№ модели

Высота борта, м

Влажность, %

Плотность, кН/м3

Угол внутреннего трения, градус

Удельное сцепление, кН/м2

1

10

10

14

26

0,36

15

27

0,70

16

35

0,70

2

15

15

14

15

0,63

15

16

1,12

16

18

1,20

3

20

20

14

0

0,7

15

0

1,26

16

15

1,33

4

25

25

14

0

0,91

15

0

1,28

16

10

1,33

Далее с использованием пакета Slope/W программного обеспечения Geostudio

построены модели бортов карьера (рисунок 2-5), отстроены плоскости скольжения и определены коэффициенты запаса устойчивости.

 Расчетная модель борта высотой 10 м

Рисунок 2 - Расчетная модель борта высотой 10 м

 Расчетная модель борта высотой 15 м

Рисунок 3 - Расчетная модель борта высотой 15 м

 Расчетная модель борта высотой 20 м

Рисунок 4 - Расчетная модель борта высотой 20 м

Результаты расчётов коэффициентов устойчивости прибортового массива, сложенного четвертичными отложениями, представлены в таблице 3 и на рисунках 6-9.

Таблица 3 - Результаты расчетов коэффициента устойчивости бортов при различной влажности и плотности пород

Высота, м

Модель 1 (влажность 10%)

Модель 2 (влажность 15%)

Модель 3 (влажность 20%)

Модель 4 (влажность 25%)

Плотность, кн/м3

FS

Плотность, кн/м3

FS

Плотность, кн/м3

FS

Плотность, кн/м3

FS

1

10

14

1,934

14

1,567

14

1,061

14

0,896

2

10

15

2,279

15

1,821

15

1,416

15

1,427

3

10

16

2,543

16

2,326

16

2,314

16

2,507

4

15

14

1,855

14

1,449

14

0,936

14

0,869

5

15

15

2,010

15

1,567

15

1,110

15

1,260

6

15

16

2,279

16

2,154

16

2,091

16

2,066

7

20

14

1,780

14

1,384

14

0,500

14

0,641

8

20

15

1,800

15

1,529

15

1,064

15

0,981

9

20

16

2,332

16

2,180

16

2,047

16

1,982

10

25

14

1,553

14

0,967

14

0,384

14

0,316

11

25

15

1,700

15

1,440

15

1,060

15

0,971

12

25

16

2,253

16

2,140

16

2,018

16

0,954

Зависимость коэффициента устойчивости от влажности пород при высоте борта 10 м

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента устойчивости от влажности пород при высоте борта 10 м

 Зависимость коэффициента устойчивости от влажности пород при высоте борта 15 м

Рисунок 6 - Зависимость коэффициента устойчивости от влажности пород при высоте борта 15 м

Зависимость коэффициента устойчивости от влажности пород при высоте борта 20 м

Рисунок 8 - Зависимость коэффициента устойчивости от влажности пород при высоте борта 20 м

Зависимость коэффициента устойчивости от влажности пород при высоте борта 25 м

Рисунок 8 - Зависимость коэффициента устойчивости от влажности пород при высоте борта 25 м

4. Заключение

1. Величина сцепления и угол внутреннего трения рыхлых пород увеличиваются пропорционально их плотности, а также по мере снижения их влажности. По результатам исследования установлено, что угол внутреннего трения рыхлых отложений уменьшается до нуля при достижении влажности пород 20-25% и плотности, близкой к максимальному значению с пористостью не более 15%.

2. Коэффициент устойчивости бортов в рыхлых отложениях растет с увеличением плотности и уменьшением влажности пород. При этом установлено, что с увеличением плотности пород влияние влажности на устойчивость бортов снижается.

3. Для условий разработки россыпных месторождений при увеличении влажности пород с 10  до 25%  и высоте бортов разреза 10-25 м рекомендуется уменьшать угол откоса с 65-60о до 45-40о. По мере нарастания высоты бортов  с 10 м до 25 м коэффициент запаса устойчивости снижается в 1,2-2,2 раза.

Article metrics

Views:142
Downloads:3
Views
Total:
Views:142