Определение обобщенных расчетных показателей сопротивлению сдвигу Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© П.С. Шпаков, Г.Г. Поклал, С.Г. Ожигин, 2002

УЛК 622.831

П.С. Шпаков, Г.Г. Поклал, С.Г. Ожигин ОПРЕЛЕЛЕНИЕ ОБОБЩЕННЫХ РАСЧЕТНЫХ

Как отмечено нами в работе [1], геомеханическая модель прибортового массива представляет собой систему, состоящую из трех элементов (подсистем): структурной (геомеханической) модели, отражающей комплекс природных и техногенных условий; механической модели, отвечающей согласно принятой теории характеру деформирования приоткосно-го массива и определенной форме и местоположению поверхности скольжения; показателей прочностных и деформационных характеристик пород, соответствующих выбранной механико-математической модели массива. Для получения надежных результатов все элементы системы должны рассматриваться на одном уровне с детальностью, соответствующей стадии освоения месторождения. Все элементы геомеханической модели находятся в тесной взаимосвязи друг с другом. С точки зрения системного подхода каждая подсистема (струк-турная модель, механическая модель и физико-механические свойства пород) должна быть рассмотрена с детальностью, обеспечивающей надежную оценку поведения всей системы "геомеханическая модель массива", в которую она входит как составной элемент. В соответствии с этим детальное изучение одного или двух элементов (подсистем) при грубом рассмотрении остальных элементов создает лишь видимость математической точности решения задачи, не гарантируя достоверности конечных результатов. Поэтому получение соответствующих результатов возможно на основе изучения всех элементов системы на одном уровне, соответствующем стадии освоения месторождения и уровню научных достижений в исследуемой проблеме.

По мере разработки месторождения увеличивается объем и качество исходной информации об объекте исследований (массиве горных пород), что способствует повышению уровня изученности как отдельных элементов подсистемы, так и системы в целом. Использование полученных на этой основе надежных геомеханических моделей и расчетных схем, адекватных реальным горно-геологическим условиям, обеспечивает получение более достоверных результатов.

В данной статье рассмотрены вопросы, касающиеся только треть его элемента геомеханической модели и поставлена, задача о создании более совершенной методики обоснования расчетных показателей сопротивления пород сдвигу на основе обратных расчетов оползней.

Так как недостаточно обоснованные показатели прочностных свойств горных пород в дальнейшем при расчете устойчивости по выбранной расчетной схеме могут привести к существенным ошибкам. Например, в работе [2] нами рассмотрен пример влияния литологи-

ческой неоднородности прибортового массива, сложенного песчано-глинистыми породами семи типов. Расчеты величин коэффициентов запаса устойчивости откосов различного заложения для моделей неоднородного и квази-однородного массивов показали, что погрешность определения коэффициента запаса устойчивости, возникающая из-за не учета неоднородности массива даже при весьма близких прочностных характеристиках литологических разностей пород может достигать 20 % и более. При исследовании третьего элемента (подсистемы) геомеханических моделей прибортовых массивов наибольшие затруднения вызывает установление обоснованных показателей прочностных и деформационных характеристик пород, соответствующих выбранной механико-математической модели приоткос-ного массива. Указанные расчетные характеристики устанавливаются на основе лабораторных и натурных испытаний, обратных расчетов оползней и косвенных методов. Наиболее надежные результаты дают крупномасштабные испытания пород в натурных условиях, и особенно обратные расчеты оползней и обрушений, которые в неявном виде учитывают совокупность определенных инженерно-геоло-гических условий и особенностей деформирования горного массива. Выбор методики и объемов испытаний пород определяется требованиями необходимой и достаточной точности получения исходных данных [3, 4, 5, 6].

При расчете параметров устойчивых карьерных откосов важное место занимают вопросы надежной оценки прочностных свойств горных пород в массиве для условий, соответствующих их природному состоянию. Как известно, при решении задач устойчивости откосов методами, основанными на теории предельного равновесия, в качестве исходных данных используются плотность пород у и показатели сопротивления сдвигу (сцепление к и угол внутреннего трения Ї£Р ).

Обобщенные или нормативные значения этих показателей обычно устанавливаются на основе статистической обработки результатов лабораторных и натурных испытаний физико-механических свойств пород.

Плотность пород у с достаточной точностью определяется в лабораторных условиях по кернам инженерно-геологических скважин, поэтому нормативные их значения для каждого литологического типа принимаются как средние (средневзвешенные) по месторождению в целом либо по отдельным его участкам.

Техника и методика испытаний прочностных свойств горных пород в лабораторных и натурных условиях разработаны достаточно полно, однако к их результатам следует подходить весьма осторожно. Еще М.М. Протодьяконов предостерегал от ошибок одностороннего подхода к изучению физико-механических свойств пород по результатам только лабораторных или натурных испытаний. По нашему мнению, для сложноструктурных месторождений при наличии в горном массиве природных поверхностей ослабления целесообразно проводить комплексные исследования, включающие лабораторные определения, натурные

испытания пород и обратные расчеты произошедших или искусственно вызванных оползней и обрушений откосов с дифференцированным выбором расчетных показателей физико-механических свойств пород.

Обратные расчеты оползней откосов позволяют более надежно определять характеристики пород к и р по фактическим поверхностям скольжения с учетом природных и технологических факторов, определяющих развитие оползневых процессов [7].

На основе известного графоаналитического способа обратных расчетов оползней нами разработана методика определения показателей сопротивления пород сдвигу по результатам съемок оползней с использованием численно-аналитического метода [5, 7], основанного на интегрировании элементарных сил по поверхности скольжения. Оползневая призма, ограничиваемая контуром борта карьера до и после оползня, разбивается на множество элементарных столбиков, для которых определяются сдвигающие силы. Математическое описание контуров откоса до оползня и после его завершения и поверхности скольжения производится по таблично заданным функциям путем локальной интерполяции интерполяционными многочленами малых степеней.

Величина угла внутреннего трения р определяется из соотношения сумм касательных ЪТ' и нормальных

У#'

сил в оползневом теле из выражения

р = аг^ ( 2Т//2 N1)

(1)

При обратных расчетах оползней откосов глинистых пород, сохраняющих после обрушения остаточное сцепление по поверхности скольжения вследствие способности глин частично восстанавливать нарушенные внутренние связи, угол внутреннего трения должен определяться с учетом остаточного сцепления к0, т.е.

р = аг^((2Т/ - к0Ь)/ 2N’l);

(2)

величина сцепления пород в массиве до оползня определится как

к = (2Т - РN1)/Ь (3)

где 2Т Ц 2 N і - суммы касательных и нормальных сил по поверхности скольжения в массиве до оползня; Ь - длина поверхности скольжения.

При наличии в прибортовом массиве слоя или кон-

Р- Ц к с

такта пород с известными характеристиками ^ ^ е параметры сопротивления сдвигу пород массива Рт Ц кт могут быть найдены из выражений:

Р т = агсМ 2 ^ї§Р -2 Кс^рсУ£ Мті), (4)

кт = (кЬ - кеЬе)/Ьт ,

где Ье и Ьт - длины участков поверхности скольжения по слою (контакту) и в массиве; Ь = Ье + Ьт ; 2 Nе1,2 N т1 - суммы нормальных сил на участках

С/ /// /

поверхности скольжения по слою (контакту) и в мас-

УN■ =УN ■ +УN ■

^ I ^ С1 ^ Ш1

Решение задачи выполняется на ЭВМ по составленной нами программе БРОБ024, которая применима как для однородного (квазиоднородного) массива, так и для массива с неблагоприятно ориентированными поверхностями ослабления при различных вариантах построения поверхности скольжения.

Основным достоинством данной методики является использование как прямых, так и обратных расчетов в рамках геомеханической модели. Применение одной и той же структурной и механической моделей прибор-тового массива в прямых и обратных решениях дает замкнутую систему, в которой происходит компенсация погрешностей, возникающих из-за принятия упрощенной модели деформирования откосов.

Как показали произведенные исследования на Ка-чарском карьере, карьерах ТБРу и Майкаинского ГОКа, при использовании в качестве исходных данных для расчетов устойчивости откосов показателей сопротивления пород сдвигу, полученных на основе обратных расчетов оползней в однородном массиве, корректировки их значений путем введения некоторого коэффициента запаса не требуется, поскольку эти показатели в неявном виде учитывают совокупность определенных инженерно-геологических условий и особенностей деформирования горного массива. Однако область надежного их использования зачастую ограничивается условиями оползневого участка либо ему подобными. Поэтому расширение диапазона применения параметров сопротивления горных пород сдвигу на основе обратных расчетов оползней представляется весьма перспективным.

Так как лабораторными и натурными испытаниями могут быть установлены характеристики прочности для всех литологических разностей пород слоистого массива, составляющих оползневую призму, появляется возможность приведения результатов этих испытаний к результатам обратных расчетов. Сущность предлагаемой методики заключается в следующем [6].

Пусть на основе маркшейдерской съемки оползня борта карьера, образованного в слоистом массиве, путем обратных расчетов определены обобщенные показатели сопротивления сдвигу по поверхности скольжения р и к. Одновременно по данным натурных или лабораторных испытаний получены значения р\

и к\ для всех разновидностей пород, слагающих борт; затем определяют средне взвешенные их значения по поверхности скольжения р и к'.

Расхождения между значениями р и р, к и к'

обусловлены не учетом, либо недостаточно полным учетом в процессе лабораторных (натурных) испытаний ряда факторов, влияющих на изменение прочностных свойств пород массива, таких как масштабный фактор, структурные особенности массива, геологические свойства, особенности механизма разрушения

и т.п. Поэтому для корректировки параметров р и к'

в них вводят поправки коэффициентов ар и Ьк полу-

чаемые из соотношений:

ар = tgр/tgр '; Ьк = к /к’

. (5)

Со связи с тем, что при лабораторных или натурных испытаниях используется единая методика, то относительные погрешности в определении прочностных характеристик для всех типов пород можно считать примерно равными. Это обеспечивает возможность приведения характеристик р, и к, к предельным их значениям в массиве р, и к\

ЧРі = а^р\; кі = Ьккі (6)

и в дальнейшем использовать в расчетах при оценке устойчивости карьерных откосов как однородного так и неоднородного массива. На основании приведенных рассуждений можно сделать окончательный вывод.

Возможности способа обратных расчетов оползней как наиболее надежного способа определения обобщенных расчетных показателей сопротивления пород сдвигу, учитывающего совокупность инженерногеологических условий и особенностей деформирования горного массива, существенно расширяются в случае обоснования прочностных характеристик литологических разностей пород неоднородного массива на основе комплексного анализа результатов натурных (или лабораторных) испытаний и обратных расчетов. Полученные показатели прочностных свойств каждого типа пород могут быть использованы при решении задач устойчивости откосов в неоднородном массиве практически с той же степенью надежности, что и результаты обратных расчетов оползней [5, 6].

1. Шпаков П.С. Маркшейдерское обоснование геомеханических моделей и разработка численно-аналитических способов расчета устойчивости карьерных откосов: Автореф. дис. д-р техн.наук. - Л., 1988.-40 с.

2. Поклад Г.Г., Шпаков П.С., Ожигин С.Г. Комплексный подход к обоснованию показателей сопротивления сдвигу пород прибортового массива на основе обратных расчетов оползней // Сб.науч.тр.- Серия "Горное дело". Вып.2/ КарПТИ.- Караганда, 1994.

3. Определение физико-механических характеристик пород как ис-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

ходных данных для расчета устойчивости отвалов / Шпаков П.С., Поклад Г.Г., Лягина О.И., Пяткова

Э.П.)//Изв.вузов. Горный журнал.-1979. - N 7. - С. 17-21.

4. Шпаков П.С., Поклад Г.Г., Лягина О.И. Механизм деформирования и выбор прочностных показателей пород для расчета параметров устойчивых глинистых отвалов на слабом основании // Изв.вузов. Горный журнал. - 1980. - N 8. - С.27-31.

5. Попов И.И, Шпаков П.С., Поклад ГГ Устойчивость породных отвалов.-Алма-Ата: Наука, 1987. - 223 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

6. Шпаков П.С., Поклад Г.Г. Рас-

чет параметров предельного откоса на слабом основании большой мощности (на англ. яз.) // Soviet mining journal,vobume 1, number 2 /

Изд."Оксаннан Пресс”, Индия.- june,-p.p. 35-42.

7. Ожигин С.Г., Шпаков ПС. Определение сопротивления горных пород сдвигу по результатам съемок оползней с использованием ЭВМ //Рациональное использование недр и рекультивация земель на горных предприятиях.- Караганда: КарПТИ.-1988. -С. 66-72.

Шпаков П. С - профессор, доктор технических наук, Муромский институт Владимирского государственного университета. Поклад Г.Г. - профессор, кандидат технических наук, Воронежский Агроуниверситет.

Ожигин С.Г. - Карагандинский государственный университет, Казахстан.

© А.С. Ky4MH, 2002

YAK б22.833

А.С. Ky4MH

K METOA^E OПРEЛEЛEHИЯ ЛEФOРMАUИЙ ЗEMHOЙ ПOBEРXHOCTИ ЛЛЯ ПOЛРАБАTЫBАEMЫX ГРАЖЛАHCKHX ЗЛА^Й

Прогнозирование повреждений зданий в зонах влияния подземных горных работ регламентируется «Правилами охраны...» [1]. Методика прогнозирования предусматривает определение расчетных деформаций основания здания (земной поверхности) 8, R и вычисление по ним расчетного показателя суммарных деформаций АЬ в зависимо-

сти от геометрических характеристик здания. Последний, в свою очередь, является исходным для определения ожидаемых повреждений конструкций гражданских зданий при подработке. Можно выделить две составляющие АЬ: АЬк - влияния кривизны и АЬє - влияния горизонтальных деформаций:

•г=г I2 Н2з +2 2 =

аь = Ь з • - \тк *-+ т є ' є =

V я2

=д/АЬ7+аЬ7

.Действующая методика не учитывает в полной мере геометрические и горно-геологические условия, в частности: положение здания в мульде сдвижения,