Применение методики расчета устойчивости откосов с учетом объемно-напряженного состояния пород для предупреждения оползневых процессов

Международная публикация
Библиографическое описание статьи для цитирования:
Свиридова Т. В. Применение методики расчета устойчивости откосов с учетом объемно-напряженного состояния пород для предупреждения оползневых процессов // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2014. – Т. 20. – С. 3551–3555. – URL: http://e-koncept.ru/2014/54974.htm.
Аннотация. В статье предложена методика расчета устойчивости откосов с учетом объемно-напряженного состояния пород с целью предотвращения оползней. В данной методике расчета объемного коэффициента запаса устойчивости откоса использовано суммирование удерживающих и сдвигающих сил с учетом изменчивости их направлений по сферической поверхности скольжения.
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Свиридова Татьяна Валерьевна,кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорскntv_3110@mail.ru

Применение методики расчета устойчивости откосов с учетом объемнонапряженногосостояния пород для предупреждения оползневых процессов

Аннотация.В статье предложена методика расчета устойчивостиоткосов с учетом объемнонапряженного состояния пород с целью предотвращения оползней.В данной методике расчета объемного коэффициента запаса устойчивостиоткосаиспользованосуммирование удерживающих и сдвигающих сил с учетом изменчивости их направленийпо сферическойповерхности скольжения.Ключевые слова: оползень, коэффициент запаса устойчивости, поверхность скольжения, угол откоса, сферическая поверхность скольжения.

Стихийные бедствияпостоянно угрожают жителямпланеты. Природные катастрофы приносят огромный ущерб. Большую часть земной поверхности занимают склоны.С увеличением угла откоса склона растет составляющая силы тяжести, которая стремится преодолеть силу сцепления пород и привести к их смещению.

Оползень –медленное смещение массива горных пород,слагающих откос. Оползень возникает в результате нарушения равновесного состояниямассива пород вследствие превышения допустимых высоты или угла откоса. Характерной чертой оползня является медленное развитие деформаций с последующим быстрым обрушением пород. Развитие деформаций может длиться от нескольких суток до нескольких лет.Самымкрупнымоползнемза последние 1 лет является оползень горы Святой Елены (США, 18г.). Данные о самых крупных оползняхза последние 1 летпредставлены в таблице 1.Оползни занимают второе место по числу людей, погибших от различных природных процессов в России во второй половине XXвека[1].Практическая задача изучения оползней уменьшение последствийдля жизни и здоровьялюдейи производственной сферы.Первым признаком возникновения оползня является появление трещин, которые затем образуют трещину отрыва. Крупные оползни чаще всего вызваны естественными причинам. Для антропогенных процессов характерны средние и мелкомасштабные оползни.

Оползни создают значительную опасность при эксплуатации карьеров и добычи полезных ископаемых. За последние 2 лет произошло большое количество катастрофических оползней при добыче полезных ископаемых открытым способом (таблица 2) [2].Причинами возникновения оползней на карьерах являются недостаточнаяобоснованность параметров откосов бортов карьеров и отвалов; несоблюдение проектных параметров; нарушение параметров технологического процесса.



Таблица 1

Самые крупные оползни в мире[2]

ДатаМестоположениеОбъем сошедшей породы, млн. м3Последствия1914АргентинаРиоБарранкасРиоКолорадо2 Два небольших города разрушены1933Китай (Сычуань)150Крупнейший оползень привел к гибели 25 человек.1941Перу10Погибли 6 человек1949Таджикистан,ТяньШань245Погибли 72 человек1960Чили40 Погибли 21 человек1962Перу, Анкаш1,3 Погибли 5 человек1963Италия, Лонгароне120Погибли 2 человек1964США, Аляска211Погибли 16 человек1965Китай, Юньнань450Погибли 444 человека1974Перу160Погибли 45 человек 1980Китай, Ичан, Хубэй 150Погибли 284 человек1980США, штат Вашингтон3700Это самый большой оползень в мире. Погибло 57 человек,1983Китай, Ганьсу35Погибли 237 человек 1983Эквадор1Погибли 15 человек1986Папуа НоваяГвинея20Жертв не было1987Эквадор110Погибли 1 человек1987Венесуэла2Погибли 21 человек1987Колумбия20Погибли 217 человек1991Китай, Юньнань18Погибли 216 чкловек1991Чили700Погибли сотни человек1993Эквадор

25Жертв не было2000Тибет100Погибли 1 человек 2002Россия,Северная Осетия5Погибли 125 человек2003США, округ СанБернардино, Калифорния1Погибли 16 человек2005Пакистан, Индия

Погибли 255 человек2006Филиппины, Лейте15Погибли 11 человек2008Китай, Сычуань

Погибли 2 человек2008Египет, восточный Каир

Погибли 17 человек2010Будуда, Уганда

Погибли 4 человек2010Бразилия,город РиодеЖанейро

Погибли 35 человек

Таблица 2 Оползни открытых горных выработок и отвалов [3]

ДатаМестоположениеОбъем сошедшей породы, млн. м31985Внешний отвал буроугольного карьера «Меркур», тер. бывш. ЧССР1201401987Борт карьера №3 Прикаспийского ГМК, бывш. СССР251990Внешний отвал буроугольного карьера «Иржи», тер. бывш. ЧССР50701992Внешний отвал Норильского ГМК, Россия602000Нерабочий борт карьера «Лучегорский 2», Россия1,52002Борт карьера Кумтор, Кыргызстан2,72003Внутренний отвал разреза «Павловский2», Россия1,72004Борт буроугольного разреза «Уртуйский», Россия1,02005Внутренний отвал разреза «Северная депрессия», Россия3При проектировании параметров бортов карьеров с одной стороны необходимо обосновать угол откоса, который позволит сократить объем вскрышных пород, а с другой стороны он должен соответствовать требованиям устойчивости. В настоящее время углы нерабочих бортов карьеров составляют 24 градусов, однако зарубежный опыт показывает, что углы нерабочих бортов карьеров, сложенных скальными породами, могут составлять до 55 градусов.Обосновать такие углы существующими методиками расчета устойчивости невозможно. Существующие инженерные методикиВНИМИ, которые широко используются при проектировании открытой и комбинированной разработки месторождений, не учитывают напряженнодеформированное состояниемассива и, следовательно, не позволяют обоснованно выбирать оптимальные параметры погашения откосовбортов.В настоящее время для оценки устойчивости откосов с учетом их напряженного состояния применяются строгие математические подходы с некоторыми упрощающими допущениями о виде напряженного состояния, определения формы и положения поверхности скольжения.Расчеты устойчивостиведутся по круглоцилиндрическойили прямолинейной линии скольжения. Однако практика показывает, что деформации бортов карьеров представляют собой сферическую поверхность.Для инженерных расчетов объемного коэффициента запаса устойчивостиоткоса, не подработанного и подработанного подземными выработками,может быть использованосуммирование удерживающих и сдвигающих сил с учетом изменчивости их направлений по сферическойповерхности скольжения и с учетом изменения физикомеханических свойств массива пород [4].Суммирование удерживающих и сдвигающих сил с учетом изменчивости их направлений по изогнутой поверхности скольжения предложен в работе [5].Данный метод расчета заключается в следующем. Построение в горизонтальной проекции поверхности скольжения нескольких концентрических окружностейс центром в точке т. O(рисунок1) делит её на ряд “поясов”. Радиальные линии разделяют пояса на отдельные сегменты, которыеприближенно можно считать плоскими. Каждый концентрическийпояс включает в себя сегменты с равным углом наклона βк горизонтальнойплоскости, который измеряется на осевом сечении поверхности скольжения.Отдельный сегмент является основанием вертикального блока пород высотой h, которую определяет глубина проекции центральной точки сегмента на поперечном сечении. На рисунке2 пунктирнойлинией показана схема определения h. Сила тяжести вертикального блока:

,(1)где

ширина сегмента, м;



длина сегмента, м (рисунок2).

На рисунке 3 показана пространственная схема сил, действующих в основании блока. Результирующая горизонтальных сил и :

,(2)где

сила бокового зажима, Н.

Рисунок 1 –Схема для расчета коэффициента запаса устойчивости попространственной наиболее вероятной поверхности скольжения подработанного борта



Рисунок2 –Определение параметров сегмента:, β, , l, δ



Рисунок3 –Схема действия сил по поверхности сегмента: 1сегмент поверхности скольжения; 2 –вертикальная плоскость разложения результирующей силы FРисунок4 –Схема суммированиясимметричных сил N

Угол δопределяет положение вертикальной плоскости, в которой действуют касательная и нормальная силы сегмента. Определяется угол δ измерением его на горизонтальной проекции поверхности скольжения (рисунок4).Таким образом, направление результирующей Fгоризонтальных и вертикальной сил определяется углами δ и θF(рисунок 5)

(3)Величина Fв соответствии со схемой на рисунке4

(4)

Рисунок5 –Схема действия силсегментав вертикальной плоскости разложения равнодействующей силы FРисунок6 –Схема суммирования симметричных касательных сил T

РазложениеFпо площадке сегмента определяет касательную Tи нормальную Nсилы:

,(5)

.(6)Поверхность скольжения симметрична и силы соответствующих противоположных сегментов направлены под углом друг к другу (рисунок 4 и 6)В соответствии со схемой на рисунке 4:,(7),(8),(9)

(10)Таким образом, суммарная сила симметричных сил N направлена нормально к простиранию откоса под углом к горизонтальной плоскости ηN:

.(11)Следовательно:

(12)

,(13)

,(14)

(15)

(16)

(17)

(18)Сумма касательных сил по всей поверхности скольжения является суммой сдвигающих сил:

,(19)

где j –номер пояса поверхности скольжения;

m –число поясов поверхности скольжения;

i –номер сегментаjгопояса поверхности скольжения;

n –число сегментовjгопояса.Удерживающими силами являются силы трения Fти сцепления Fс. Для изотропного массива:,(20)

,(21)Коэффициент запаса устойчивости откоса по пространственной поверхности скольжения:

(22)Однако этот метод можно применить и для подработанных бортов карьеров с учетом изменения физикомеханических свойств массива –сцепления и угла внутреннего трения.При расчете коэффициента запаса устойчивости по предлагаемой методикерекомендуетсяв сегментах, в которых расположены подземные выработки, через которые проходит линия скольжения,сцепление необходимо принять равным ,угол внутреннего трения снизить на процентное соотношение длины линии скольжения, проходящей через выработку,к общей длине линии скольжения (обычно 73%). В соседних с выработками сегментах призмы скольжения сцепление и угол внутреннего трения необходимо снизить на аналогичное процентное соотношение (в среднем 18%)[6].Выполненные исследованияпо разработке метода расчета устойчивости подработанного борта карьера при комбинированной разработке месторожденийпроводились при финансовой поддержке Правительства Российской Федерациив рамках реализации федеральной целевой программы "Научные и научнопедагогические кадры инновационной России" на 2213 годы (государственный контракт П231 от 2.11.2г.) и грантов Правительства Челябинской области (ГРНТИ 006.05.026АX и ГРНТИ 12.6.48АX).Попредлагаемой методикебылирассчитаны коэффициенты запасовустойчивости откосов бортов карьеров медноколчеданных месторождений. Результаты расчетов показали, что коэффициент запаса устойчивости, рассчитанный пометодике с учетом объемных сил,вышечем рассчитанный по методике ВНИМИна 2025%. Данные результаты позволяют принять угол откоса более крутымс достаточным запасом устойчивости,и в то же время уменьшить экономические затраты по добыче полезного ископаемого.

Ссылки на источники1. Симонян В.В. Обоснование точности и разработка методов математикостатистического анализа геодезических наблюдений за смещениями оползней: диссертация ... кандидата технических наук Москва, 28.182 с.2. Самые большие оползни в XXXXI веке. [Электронный ресурс]:URL:http:// mostinfo.su(дата обращения: 2.2.214).3.Демин А.М.Оползни в карьерах: анализ и прогноз. М.: ГЕОС, 2.7с.4. Кузнецова Т.С., Некерова Т.В. Оценка устойчивости подработанных бортов карьеров // Материалы междунар. науч.техн. конф. «Комбинированная геотехнология. Комплексное освоение и сохранение недр земли», г. Екатеринбург, 2 г.Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2. C.7677.5. Черчинцева Т.С., Кузнецова Т.С. Геомеханические основы прогноза объемных деформаций и устойчивости откосов горных пород: монография.Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 27.6. Некерова Т.В. Геомеханическое обоснование параметров бортов карьеров при комбинированной разработке рудных месторождений: диссертация ... кандидата технических наук Магнитогорск, 21.163 с.

Tatyana Sviridova,Candidate of Technical Sciences, assistant professor at the chair of industrial ecology and life safetyan Magnitogorsk State Technical University,MagnitogorskApplication of methods of calculation of slope stability with account of spacestressed state of the rocks for the prevention of landslide processes

Abstract.In the article the technique of calculation of stability of slopes with account ofspacestressed state of the rocks to prevent landslides. In this method of calculatingthe volume factor of stability of the slopeused the summation of restraint and shearingforceswith regard to the variability of their destinations on the spherical surface slip.Keywords:landslide, the factor of stability, the sliding surface, the angle of the slope, the spherical surface slip.