АЛ

ЯШ I етодические рекомендации по укреплению откосов на карьерах пригрузкой скальными породами

Белгород 1961

МИНИСТЕРСТВО ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ СССР Управление горного производства

Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по осушению местороздений полезных ископаемых, специальным горным работам, рудничной геологии и маркшейдерокому делу В И О Г Е М

УТВЕРЖДАЙ;

Директор института И.Ф.ОКСАНИЧ II декабря 1981 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УКРЕПЛЕНИЮ ОТКОСОВ НА КАРЬЕРАХ ПРИГРУЗКОЙ СКАЛЬНШИ ПОРОДАМИ

Белгород 1981

В однородных уступах потенциальной поверхностью разрушения яв-ляетоя поверхность скольжения, проходящая через его нижнюю бровку [2,12], поэтому вычисления и построения при нахождении потенцка -льной поверхности разрушения выполняются при щ °Н ( Н - виоота уступа),

2.8, Дня определения сумм сдвигающих (I^_g) и удерживаю щ и х ( ZPyg ) on оползневая призма в неоднородном мао о иве пород разбивается на вертикальные блоки (рио.З), При плавной доверхноо-

Рис.З. Схема расчета устойчивости пригружен-ных уступов.

тп скольжения проивводится алгебраическое суммирование соответствующих сил, действующих на блоки, извеотным способом [6,12], при ломаной или сложной поверхности скольжения рекомендуется исполь -зовать графический способ ("многоугольника сил") [6,12] .

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРИГРУЗОЧНЫХ ПРИЗМ

3.1. Параметры призм для предотвращения поверхностных деформаций

3.I.I. В условиях, когда ожидаются поверхностные деформации

10

откоса (ошшышы, ооыпание и др.), вызванные в основной снижением прочности горных пород в цриоткооной зоне вследствие разуплотнения, набухания, выветривания (рис.4), о целью обеспечения его длительной устойчивости рекомендуется производить пригрузку. Па -раметры пригрузочной призмы определяются о учетом перечисленных факторо в

Рио.4. Разупрочнение приоткооного массива горных пород.

через показатели прочности в увязке о проектируемыми параметрами уступов.

3.1.2.    В целях ототройки нерабочего борта о наибольшим углом наклона в проектах принимают максимально допустимые параметры уотупов. Высоту уступов в песчано-глинистых породах обычно принимают равной 10-15 м. При такой высоте кратковременная устой -чивость неукрепленного откоса обеспечивается при углах его наклона 50-40°.

В данных условиях лригрузочную призму сооружают о минимально допустимой шириной основания и наибольшей крутизной ее откос а, равной углу естественного откоса (finp *35+ 40°) материала пригрузки. При этом ширина призм (толщина пригрузочного слоя) увели личивается к основанию откоса, что соответствует возрастающему к низу оползневому давлению укрепляемого откоса.

3.1.3.    Показатели сопротивления пород сдвигу в нетронутом массиве (изменение при приближении к поверхности откоса) олред-деляются из паспорта прочности (рио.5), построенного по результатам испытаний горных пород,находящихся в различных зонах плотности-влажности (в зависимое т и от глубины их залегания от поверхности). Из графика на рио.5 видно резкое снижение оопротив -ления сдвигу Т₂ в щшоверхноот-

Рис.5. Паопорт прочыооти горных пород.

ной зоне относительно его значений ^rC_i , определяешх обычно по постоянным средним величинам сцепления с и угла внутреннего трения f по формуле Кулона.

3.1.4.    В расчетах уотойчивооти пригрузочпой призмы сопротивление сдвигу *U_Z по контакту о породами откоса определяется не -посредственно из графика (при нелинейной зависимости ^rC=f(.6*)) прочности лриконтактного слоя глинистых пород для соответствующего нормального напряжения (например 0,05 МПа) па поверхности сдвига.

3.1.5.    Минимальная толщина слоя скальной пригрузки h_win (см, ркс.З) в заданной точке определяется исходя из необходимой вел-личины нормального давления на откос, достаточного для предот -вращегшя разупрочнения пород в приповерхностной зопе (руководствуясь, например, величиной давления набухашш и др.) и обеспечения устойчивости по контакту порода - скальная пригрузка.Приближенное значение h_mt_n модно определить по формуле

^Пгл1п ~ Гпр C0sj& ’ где Гпр - плотность материала пригрузки, кг/м³; fi - угол наклона откоса уступа, градус;e_mi_n~ минимальное нормальное напряжение (давление), которое необходимо создать на поверхности откоса (для песчано-глинистых пород, по экспериментальным дан -ным, 6mm = 0,03 -г-0.05 МПа).

3.1.6.    Ширила призмы (а - попиэу, 0- поверху) определяется по величине отрезков, отсекаемых (на горизонтах нижней и верх -ней площадок уотупа) прямой, проведенной через верхний конец отрезка hrr>in (в заданной точке) под зтлом ;8прк горизонту.

3.1.7.    Параметры пригрузочной призмы из песчано-гравийно? о материала, хвостов обогатительных фабрик и т.п., сооружаемых на рабочих уступах, определяются по следующим формулам [8] :

к    Q'

где А в £tnc< (1- -^CcsсО; h_B *= (m+0,5)-£- - высота высачшза -

идя подземных вод в откосе,м; cj, - удельный расход потока под -земных вод в откосе,м?/с; с(и т- соответственно угол наклепа и горизонтальное заложение откоса уступа; Тп - плотность материала пригрузки, кг/м^; К и К_п - коэффициенты фпльтр^ооти горной порода и материала пригрузки, м/о; а.- т~-ЬSin^~ показатель,

_т _    ^ф    Hr

определяемый из графика (рио.6) ,кг/м³; i - ширина необводноаной части (по основанию) пригрузочной призмы,м; а и н_л - соответственно ширина и высота пригруэочной призмы,м.

Для величин а ре команду в т о я принимать коэффициент задаоа, равный 1,2+1,4.

Если пригружае -шай уступ расположен на проницаемом основании, то величина а дополнительно увеличивается на 15*.

3.1.8. После определения пара*-метров пригрузо- РУ³⁰⁴¹¹⁰** призмы из мелкозернистого фильтрую -

чной призмы вы -    ^щего ^Риапа.

лолняется поверочный расчет ее устойчивости на сдвиг по контакту

ыезду пригруваемым откооом и слоем материала пригрузки.

Коэффициент запаса устойчивости, если расчеты выполняются о учетом пунктов 3.1.3 и 3.1.4, принимается равным 1,2 - 1,3. Если оценка устойчивости выполняется по расчетным показателям прочности, определенным из прямолинейного паспорта прочности, то коэффициент запаса устойчивости пригружеиного уступа и пригрузки должен соответствовать нормативному (см.таблицу).

3.2. Параметры призм для предотвращения глубинных деформаций

3.2.1. Если при заданных параметрах уступа длительная устой -чивость его не обеспечивается, то параметры пригрузки (высота h_n и ширина по основаниюа_п) могут быть определены по приведенным ниже формулам, при выводе которых приняты следующие положения:

а) потенциальная поверхность разрушения в уступе о пригрузкой практически не наменяет форму и местоположение в сравнении о не-пригруженным уступом (по данным моделирования на оптически чувствительных материалах);

13

б)    в однородных, квазиодпородных уступах потенциальная поверхность разрушения имеет криволинейную форму, проходит через нижгаво бровку и является дугой логарифмической спирали (2) при Hi = и •

в)    в уступах о явно выраженными поверхностями ослабления, имеющими угол падения в сторону горной выработки, потенциальная поверхность разрушения проходит по одной из поверхностей ослабления;

г)    коэффициент запаса устойчивости, определенный по соотноше -нею (I), является усредненной величиной по потенциальной поверх -ности разрушения;

д)    коэффициент запаса устойчивости уступа, который необходимо обеспечить путем его пригрузки, принимается по таблице;

е)    в общем случае угол наклона нижней бермы уступа к горизонту

у>0при отсчете от горизонтальной линии против чаоовой

стрелки.

3,2.2. При плоской (рис.7,а) по^нгщадыюД поверхности разру -

УДК 622.83(06)

В рекомендациях приведены методы определения устойчн -вости откосов, укрепляемых пригрузкой скальными породами,и параметров пригрувочных призм, зависимость оопротивло н н я одвигу насыпи из скальных пород от положения контактов между кускамь пород, слоиотости и плотности их укладки. Даны рекомендации по формированию наиболее прочной струге туры тела насыпи, изложены требования к выполнению пригрузочных призм, приведены рациональные технологические схемы их сооружения.

Работа выполнена кандидатами технических наук В.П.Буд -новым, П.И.Мануйловым и инженерами В.Ф.Кузнецовым, С,Ф.Татаринцевой. Утверждена секцией НТС ВИОГЕМ 26 сентября 1979 года в качестве методических рекомендаций.

(^/Всесоюзный научно-псслсдоватольскиП и проектно-конструкторский институт по осушеняю месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам, рудничной геологии п маркшейдерскому делу (ВИОГЕМ?» 1931 .

ВВЕДШИЕ

При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом одним из основных факторов, определяющих эффективность ве -дения горных работ, является угол наклона борта на предельном контуре, Из практики ведения горных работ следует, что углы наклона устойчивых бортов карьеров, слеженных рыхлыми, вачаотую обводненными отложениями, имеют относительно низкие значения (в пределах 17-22°), что объясняется сравнительно малой прочностью горных пород.

Непрерывное увеличение удельного веса разработки полезных ио -копаемых открытым способом, увеличение глубины карьеров и сроков службы их бортов, освоение месторождений со сложными инженерно- и гидрогеологическими условиями вызывают необходимость разработ к и мероприятий по обеспечению длительной устойчивости уступов,бортов, по увеличению углов наклона нерабочих бортов.

К настоящему времени разработано большое число способов укрепления горных пород, грунтов, но в горном производстве применяются лишь некоторые из них [II] . Наиболее простым, эффективным, тех -нелогичным и дешевым является укрепление откооов нерабочих бортов путем пригрузки их окалънъыи породами. Этот способ укрепления известен давно, однако он не нашел широкого применения ввиду отсутствия технических требований, рациональных технологических схем сооружения пригрузочных призм и бытующего мнения о его ненадежности, которое оложшюсь вследствие неудачных случаев укрепления при неправильном выполнении пригрузочных призм. Параметры пригрузоч -ных призм определялись путем поверочных расчетов (методом проб ) , общеизвестными опоообами раочета устойчивости откооов.

Отсутствие обоснованных методических рекомендаций по укрепле -нию откосов на карьерах, в частности путем пригрузки скальными породами , приводило к несогласованноети при решении вопросов укрепления откосов при проектировании, строительстве и эксплуатации карьеров и в определенной степени тормозило широкое применение и дальнейшее развитие способа укрепления откооов пригрузкой скаль -ными породами.

При составлении настоящего руководства авторы попытались воо -полнить этот пробел, основываясь на результатах исследований ВШГЕМ, ШИМИ, УНИпромедь и опыте укрепления откосов в рыхлых отложениях пригрузкой их скальными породами.

3

X. ОБЩИЕ ПОЛОХННШ

X.I. Прочность массива рыхлых пород значительно снижается вблизи поверхности откосов эа очет разуплотнения, набухания и выветривания воледотвие снятия нагрузки от веса вышележащих пород, повторяющегося пронюрзания-отх'аивания, набуханкя-высушивания.Существенное влияние на разупрочнение песчано-глинистых отложений оказывают грунтовые воды.

В результате воздействия подземных вод развиваются фильтрационные деформации: вынос песк&в, оплывание потерявших прочность водо-насыщенных рыхлых пород. Оползающие по откосу глинистые породы перекрывают выхода воды из дренирующих слоев и прослойков, что приводит к повышению уровня воды в приоткосной зоне, дополнительному увлажнению пород и увеличению гидростатического и гддродинамичео -кого давлений.

Вое перечисленное обусловливает снижение степени устойчивости уступов, бортов карьеров и в отдельных случаях приводит к форми -рованию оползней.

1.2.    Укрепление откосов пригрузкой скальными породами рекомен -дуется производить при оформлении уступов, сложенных слабыми,в том числе и обводненными, горными породами (суглинки, глины, песча -но-глинистые отложения, пески) для предотвращения поверхностных и глубинных деформаций.

1.3.    В зависимости от ожидаемых (прогнозируемых) видов наруше -пий устойчивости уотуцов, сроков их стояния выбираются конструкция и параметры лригрузочной призмы. Для предотвращения фильтрационных и поверхноотных деформаций уступов нерабочих бортов сооружаются лригрузочные призмы па скальных пород* для предотвращения глубин -них деформаций (оползней) отсыпаются контрфюрсы-приэг.ш из скальных пород с относительно большой шириной основания, выполняющие функ -шш подпорной стенки* для предотвращения фшгьтрадиошшх деформаций рабочих уступов сооружаются пржгрузочные призмы из щебня, гравия, крупнозернистого песка.

1.4.    Основной целью укрепления откосов на карьерах является повышение эффективности горных работ (за счет предотвращения нарушений устойчивости откосов, увеличения результирующего угла наклона нерабочих бортов карьеров) и обеспечение безопасной и бесперо -бойной работы.

1.5.    Технический эффект укрепления откосов, сложенных рыхлым и

отложениями, пригрузкой скальными породами заключается в том,что пригрузочная призма выполняет ряд важных функций:

защищает откос от эрозионного разрушения;

создает давление на откос, что значительно снижает разуплотнение и предотвращает оплывание водонасыщенных пылевато-глиниотых пород;

служит контрфорсом для неустойчивого откоса;

при заполнении песком пустот между кусками пород пригрузки является фильтром, препятствующим выносу фильтрующими водами из откоса песчаных и глинистых частиц;

не позволяет развиваться фильтрационным деформациям и предох -раняет заиливание дренажных канав;

защищает в зимний период поверхность фильтрующего откоса от промерзания, образования наледей и ооздает нормальные условия для работы приоткооных дренажных уотройотз.

1.6.    Экономический эффект при укреплении откооов достигается в результате сокращения:

объема вскрышных работ (и затрат оредств на них) за очет повышения крутизны нерабочих бортов о закрепленными откосами по сравнению с незакрепленными;

эатрат на уборку оползшей массы пород и проотоев горнотранспортного оборудования,

1.7.    Целесообразность укрепления откооов путем пригрузки ока -лышми породами определяется на основании анализа технико-эконо -мичеоких показателей для двух вариантов (при оформлении пологого устойчивого нерабочего борта без пригрузки отдельных уступов и более гсрутого - с пригрузкой), а тага» в случае интенсивного развития фильтрационных деформаций на рабочих уступах, затрудняющих ведение горных работ.

2. ОПРЩЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ

2.1. Степень устойчивости уступа, борта карьера выракаетоя коэффициентом запаса устойчивости, являющимся отношением суммы удерживающих сил, к сумме сдвигающих,действующих по потенциальной (наиболее вероятной) поверхности разрушения,

Ч=1Руд: ZPcg .    (Г)

При < X откоо неустойчив, £ »=1 - находится в предельном а««йс« жении и при £ > I - уотойчив. Если коэффициент запаса устойчивости уступа, борта ниже нормативного, то необходимо разработать в

5

осуществить мероприятия по обеспечению устойчивости (укрепление , выполаюшаяие и др.).

2.2. Величина нормативного коэффициента запаса устойчивости уступа, борта принимается в зависимости от времени их стояния (таблица СбЗ ).

Общая характеристика откоса	Величина коэффициента эапаса при службе откоса
(или борта)	с ло 5 лет	белое 5 лет
Нерабочий борт, сложенный глинами или трещиноватыми породами	1,20	1,30
Нерабочий борт о преобладанием моча-яых и гравелистых пород	1,15	1,20
Рабочий борт	1,20	-
Откосы рабочих уступов и отвалов	1,20	-
Откосы уступов нерабочего борта, сложенные глинистыми и трещиноватыми породами	1,50	2,00
Откосы уступов нерабочего борта, сложенные пеочаными и гравелистыми породами	1,15	1,20

2.3. В зависимости от геологических и структурных особенностей приоткооного массива потенциальная поверхность разрушения может быть плоской, криволинейной, ломаной и сложной (комбишровшшой ) формы.

В неоднородной (по фиэико-мехагогческям свойствам) п структур -но нарушенном массиве местоположение и форма потенциальной поверхности разрушения определяются по минимальному коэффгапгенту запаса устойчивости уступа, борта по отношению (I) методом пробны х расчетов известными способами [6,12] .

В однородном, квазлоднородном прпоткосиогл массиве горшее пород потенциальная поверхность разрушения пглеет iq)r полипе иную форму. При оизенке степени устойчивости откосов наиболее часто потешша -льные поверхности разрушения принимают в виде дуги окружности, способы построения и определения которых общеизвестны [6,13] .

6

2.4. Теоретическими [до] и экспериментальными [l,5] исследо -ваниями доказано, что поверхности скольжения в однородном приот -косном массиве пород представляют ообой дуги логарифмической опирали [2]* полюса Ос которых лежат на продолжении линии откоса (рис.1):

или    JTQ    (    2    )

где Zji - радиуоы-векторы дуги логарифмической спирали ,м,

(на рио.1 j *=0,1, • • ^9) 5 Подначальный радиус-вектор, м.

_т Jlj [t^tg^S^y/gjlcoSgC-HgoSUloC

Рио.1. Схема построения поверхности скольжения.

где А = {EtJoC+icf (45 ^e^/2jJC0So( exp (^m^C-bg^fJsinoc

_ Hj Sin(45°+ci + ¥/2)-Н9о$1пЫСОВ(45°+%г)_

⁰¹ ~ Tsin(45⁰*кЩеХр    Ct^yCOS(A5^2))^lndL^iA    }

^90 ~    (5)

0JL- угол поворота ji -го радиуоа-вектора (полярный угол), положительное значение при отсчете по часовой отрелкв, рад; ji =45°-% -угод между направлением действия наибольшего главного напряжения в касательной к поверхности скольжения, градус; <* - угод наклона откооа уотупа, градус; Н- глубина залегания точки пересечения поверхности скольжения о линией откооа, м; ЗГ,У и с - соответст -венно плотность,(кг/м^), угод внутреннего трения (градуо) и оцепление (МПа) горной породы.

2.5. Для построения поверхностей околъжения в уотупо необходимо (см.рнс.1);

1)    определить ширину призмы обрушения

,-_2AiB.-    . ²ЛоIzHuL— •    ₍₆₎

l-iJAtBi- Ьд*+ь₃(45‘+у_е).>    ' ^б)

2)    восстановить ив оередшш отрезка Д в_с перпендикуляр fli и_с до пересечения о продолжением лиции откооа в точке Oi (полюое лога-

7

рифмичеокой спирали) I

3)    вычислить величину начального радиуса-вектора Z₀i по формуле (3) или (4) и отложить в выбранном масштабе на полярной оои (луч OiFt >5

4)    вычислить радиусы-векторы (Ъц ♦ Zin) по формуле (2) в достаточном числе точек, задаваяоь эначениями в Л в интервале изменения от 0° до cL не более чем через 5°, и отложить на ооот -ветотвующих лучах;

б) соединить концы радиусов-векторов плавной кривой;

6)    чер©8 точку пересечения поверхности окольжения о начальным радиусом-вектором Zol (*4 ) про води тоя прямая под углами ;

7)    черев точку М i проводится вертикальный отрезок М^В1=Ндо,

2*6. Поверхности окольжения можно построить о помощью номог -

раммы логари^мичеоких спиралей [4] графическим опоообом (рис.2);

1)    через произвольно выбранную точку Е на верхней берме про -водится вертикальная линия до пересечения о лучом д в точке к и о продолжением линии откоса с В в точке 0, которая является по -люсом поверхности окольжения, проходящей через точку к (рио.2,а);

2)    черев точку К под углом 45° + У/2 к горизонтали проводится отрезок КМ;

3)    точка 0 совмещается о общим полюоом номограммы (рис.2,б), чертеж относительно номограьшы разворачивается так, чтобы через точку к проходила та спираль, которая соответствует углу внутреннего трения породы, слагающей уступ (этой операцией автоматически учитывается значение Zol

4)    дуга логарифмической опирали, которая поместилась меаду точкой К и линией откоса СВ (или ее продолжением СР) перено -оитоя на чертеж;

5)    для построения криволинейных участков поверхностей сколь -женил под нижней бермой уступа (слава от линии СР) общий полюо логарифмических спиралей вомограмш совмещается с точкой С, чертеж относительно номограммы разворачивается так, чтобы через точку р проходила спираль, соответствующая значению угла внутреннего трения породы.

2*7. Для построения графическим опоообом поверхности скольжения, проходящей через заданную точ^ на линии откоса, необходимо предварительно определить местоположение вертикали 06К , проходящей через середину призмы обрушения, воспользовавшись формулой (6) или методом "пробных построений".

8

$ *

Ряс. 2. EoMorpaiaa для построения пои скольжения.