авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 ||

Геомеханическое обоснование устойчивости бортов карьеров в сейсмоактивных районах (на примере угольных разрезов кузбасса)

-- [ Страница 2 ] --

Для изучения влияния сейсмических воздействий на прибортовой массив проводилось моделирование нагружения как отдельными импульсами, так и серией колебаний заданных форм и амплитуды модели из ЭМ (М 1:500). Оценка влияния длительности импульсного воздействия испытания проводилась на моделях с круглоцилиндрической плоскостью скольжения (рис.4) путем нанесения одиночных ударов молотками различной жесткости по кольцу-тензодатчику, протарированного на нагрузку.

Рис. 4. Модель с круглоцилиндрической поверхностью скольжения.
Номерами показаны тензодатчики

Смещения призмы обрушения фиксировались фотокамерой. По результатам обработки данных, полученных с помощью фото- и тензометрических измерений была получена зависимость сдвижения от частоты и силы ударов (частоты колебаний, вызванные ударным воздействием, с учетом подобия соответствовали частотам сейсмовзрывных волн). Продолжительность импульсов для стального молотка составляет 0,7 мс, твердого резинового – 1,8 мс, мягкого резинового – 3,7 мс (рис. 5).

Рис.5. Зависимость сдвижения призмы обрушения от прикладываемой
величины ударных воздействий различной продолжительности

Таким образом, колебания, вызванные силами равной величины, при большей длительности импульсов вызывают более сильные сдвижения, чем при коротких импульсах. При этом призма обрушения начинает движение лишь после преодоления определенного порога внутренних сил, зависящего от продолжительности импульсов. Различия между импульсами разной длительности качественно аналогичны различиям колебаний при взрывных работах и землетрясениях. Ускорения при землетрясениях значительно меньше, чем при взрывах, но наиболее катастрофические последствия наблюдаются именно при землетрясениях. Одной из главных причин этого явления является именно различный период колебаний.

Для оценки влияния длительности сейсмического воздействия на борт карьера испытания проводились на моделях с поверхностью скольжения в виде плоского наклонного контакта (рис. 6). Методика измерений была аналогична испытаниям с отдельными ударами на модель с круглоцилиндрической плоскостью скольжения. Для создания серии ударных воздействий заданных формы и амплитуды на вал двигателя с переменной частотой вращения эксцентрично насаживались кулачки с переменными величинами эксцентриситета. Смещения призмы обрушения фиксировались тензодатчиком в виде скобы (далее скоба-тензодатчик), а ускорения, вызываемые ударным воздействие, определяли путем двойного дифференцирования сигнала датчика смещения, закрепленного у приклеенной к торцу модели пластине. При изменениях частоты вращения и величины эксцентриситета фактический диапазон ускорений соответствовал интенсивностям сейсмических колебаний в диапазоне от 3 до 8 баллов.

При испытаниях было выявлено, что процесс сдвижения вероятной призмы обрушения, оконтуренной наиболее напряженной поверхностью скольжения, определяется сочетанием определенных параметров волновых колебаний: ускорением, частотой и продолжительностью, при этом сейсмическое воздействие включает две стадии – время подготовки смещения и непосредственно время оползания.

В свою очередь подвижки, возникающие при сейсмическом воздействии, зависят от степени устойчивости прибортового массива. Устойчивость бортов карьеров характеризуется коэффициентом запаса, т.е. отношением удерживающих сил к сдвигающим. За основу в большей части опытов была принята модель с плоскостью скольжения в виде плоского контакта с углом наклона 20 градусов и коэффициентом запаса n=1,26, близким к нормативному значению. Для изучения процесса воздействия сейсмических волн при других отношениях удерживающих и сдвигающих сил были поставлены дополнительные опыты для моделей бортов с n = 1,13; 1,39 и 2,46, при этом углы наклона плоскости скольжения составляли соответственно 10,5 18, и 22 градусов.

Рис. 6. Модель с плоской поверхностью скольжения, 1-3 номера тензодатчиков

На основе расчетов влияния сейсмических волн с помощью псевдостатического подхода для натурных условий было выявлено, что землетрясения интенсивностью до 4,5 баллов почти не оказывают влияния на устойчивость. После этого порога начинается постепенное уменьшение коэффициента запаса, и при интенсивности колебаний 6,5-7 баллов устойчивость значительно снижается. При 8-балльных колебаниях откосы даже с очень большим исходным коэффициентом запаса будут разрушены. Т.е., согласно, псевдостатическому подходу при 6-балльных колебаниях нужен коэффициент запаса не ниже 1,25, при 7-балльных – не ниже 1,45-1,5, а 8-балльные колебания не выдержит ни один борт, включая пологий рабочий борт с коэффициентом запаса более 2. В то же время, обзор натурных данных ясно показывает, что данные оценки существенно завышают влияние сейсмических колебаний на устойчивость бортов, особенно при высокой интенсивности (от 7-8 баллов и выше).

Проведенные эксперименты показали диапазон условий, где неприменим псевдостатический подход. Общая продолжительность землетрясения зависит от величины магнитуды:

, с (1)

Время подготовки сдвижения (рис. 7) описывается, исходя из проведенных экспериментов, следующей эмпирической формулой:

, с (2)

где a и b - эмпирические коэффициенты, отражающие условия контактов между блоками. Для борта с углом наклона поверхности ослабления 20 градусов и начальным коэффициентом запаса n = 1,26 коэффициенты имеют значения: а = 1662 и b = -3,34. Как видно из рисунка 7, резкое убывание времени подготовки действительно начинается вблизи области примерного равенства удерживающих и сдвигающих сил (). При 7-балльной интенсивности резкое снижение длительности подготовки до 1 секунды и ниже происходит при начальном значении n в районе 1,2, т.е.для псевдостатического коэффициента запаса около 0,9. При этом для 8-балльных колебаний данные опытов уже существенно расходятся с псевдостатическим расчетом – порог задержки 1 секунда преодолевается при . Если длительность землетрясения превосходит этот временной порог, то разность между общей продолжительностью колебаний и временем подготовки отвечает за сдвижение призмы обрушения:

, с (3)

Исходя из данных моделирования сейсмического воздействия на борт карьера, скорость сдвижения можно характеризовать приблизительно постоянной величиной, тогда смещения в прибортовом массиве составят (м). При этом скорость смещения существенно зависит от интенсивности колебаний и начального коэффициента запаса. Для n=1,26 она составляет приблизительно (м/с), при n=1,39 скорость сдвижения снижается приблизительно на два порядка.

Рис.7. График зависимости между временем необходимым на подготовку сползания призмы обрушения, и интенсивностью землетрясений. Усы
показывают доверительный интервал (р=0,95).

На основании опыта исследований деформаций бортов (А.М. Мочалов) была построена классификация последствий влияния сейсмических волн, таблица 1, и оценены последствия землетрясений для бортов с n=1,26, таблица 2.

Таблица 1

Классификация вероятных последствий при различной интенсивности землетрясений

Вероятные последствия Относительная деформация
возможность образования оползня >0,005
необратимые деформации 0,001-0,005
малые необратимые деформации <0,001
упругие деформации

Таблица 2

Пример оценки вероятных последствий землетрясения (n=1,26)

Расстояние, км Магнитуда
8 7 6 5
0 Возможность оползня Возможность оползня Возможность оползня Возможность оползня
50 Возможность оползня Возможность оползня Возможность оползня малые необратимые деформации
100 Возможность оползня Возможность оползня необратимые деформации малые необратимые деформации
150 Возможность оползня Возможность оползня малые необратимые деформации упругие деформации
200 Возможность оползня Возможность оползня малые необратимые деформации упругие деформации
250 Возможность оползня Возможность оползня упругие деформации упругие деформации
300 Возможность оползня необратимые деформации упругие деформации упругие деформации

Анализ всей совокупности данных (рис. 8) показывает, что при интенсивности колебаний I=6 для магнитуд не выше 5-6 вполне достаточно иметь нормативный коэффициент запаса 1,3, однако, при той же самой интенсивности колебаний, но вызванных далекими мощными землетрясениями М=7-8 необходимо увеличение коэффициента запаса до 1,35-1,4. Для интенсивности 7 и 8 для поддержания устойчивости борта при любой магнитуде необходим коэффициент запаса не менее 1,4. Для семибалльной интенсивности такое значение коэффициента запаса является не только необходимым, но и достаточным. Несколько сложнее обстоит дело с 8-балльными колебаниями (см. рис. 7 и 8). При длительных колебаниях (магнитуда землетрясения 78) происходят существенные необратимые деформации (0,5-1 м), угрожающие в дальнейшем при новых сейсмических и сейсмовзрывных воздействиях возможностью оползня. Поэтому в таких случаях имеет смысл увеличивать коэффициент запаса до 1,42-1,45.

Также были рассмотрены катастрофические колебания I=10-12. Вполне очевидно, что при таких колебаниях нет возможности удержать нерабочий борт от оползней при любых разумных коэффициентах запаса. Однако, как показывают полученные данные, даже при интенсивности колебаний I=11 и магнитуде М=7-8 рабочий борт с коэффициентом запаса 2,4 будет испытывать заметные необратимые деформации (s=0,5-1 м), однако вывод из псевдостатического расчета о неминуемом оползне не подтверждается.

I=6 I=8
Рис. 8. Графики зависимости смещений для откосов с различным
исходным коэффициентом запаса при разной интенсивности и магнитуде землетрясений

На основании проведенных исследований были составлены рекомендации по выбору коэффициента запаса в сейсмоактивных районах с учетом микросейсмического районирования, расположения сейсмогенных линеаментов и возможных очагов крупных землетрясений. Для уточнения необходимых коэффициентов запаса устойчивости бортов на стадии ТЭО или предпроектной подготовки была разработана специальная методика учета длительности стояния борта и уточнения балльности колебаний.

Для предотвращения осыпей, обвалов и камнепадов при землетрясениях предложен метод укрепления откосов уступов, представляющий собой канатно-анкерную систему в сочетании с георешеткой и сеткой, что позволяет этот метод применять и для укрепления неустойчивых откосов при строительстве автомобильных и железных дорог в горной местности в сейсмоопасных районах, т.к. канатно-анкерная система является податливым креплением и способна гасить колебания.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи – обоснование устойчивости бортов карьеров в сейсмоактивных районах за счет учета временных характеристик сейсмического воздействия землетрясений, таких как ускорение, частота, а также продолжительность колебаний.

На основании проведенных исследований:

1. Установлена зависимость временного хода техногенной сейсмичности Кузбасса от ведения взрывных работ на карьерах.

2. Обоснованы критерии моделирования квазистатических и динамических процессов на эквивалентных материалах. Разработана установка для моделирования сейсмического воздействия на борта карьеров.

3. Установлено, что сдвижение вероятной призмы обрушения, оконтуренной наиболее напряженной поверхностью скольжения, под воздействием сейсмических волн определяется сочетанием их параметров - ускорением, частотой и продолжительностью, при этом воздействие сейсмических колебаний состоит из двух стадий – времени подготовки смещения и непосредственно времени оползания.

4. Предложена классификация вероятных последствий воздействия сейсмических волн на борта карьеров при различной интенсивности землетрясений.

5. Показано, что выбор коэффициента запаса устойчивости в сейсмоопасных районах должен производиться на основании детального микросейсмического районирования, оценок максимально возможных магнитуд, а также локализации основных сейсмогенных разломов и потенциальных очагов землетрясений.

6. Разработаны рекомендации по выбору необходимого коэффициента запаса устойчивости для бортов карьеров со слабыми контактами для безопасного ведения открытых горных работ в сейсмоактивных районах.

7. Разработана методика уточнения риска сейсмических колебаний для оценки устойчивости бортов карьеров с учетом предполагаемой длительности стояния борта.

8. Предложен способ укрепления уступов карьеров с помощью канатно-анкерной системы в сочетании с георешеткой и сеткой.


Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России:

1. Павлович А.А. Методы определения прочностных свойств массива горных пород применительно к открытым горным работам // Записки Горного института.Т. 185. – 2010. – С.127-131.

2. Павлович А.А. Влияние сейсмических процессов на ведение открытых горных работ / С.В. Цирель, А.А. Павлович // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. – 2011. – №7. – С. 25-30.

3. Павлович А.А. Оценка влияния сейсмического воздействия на устойчивость бортов карьеров / С.В. Цирель, Б.Ю. Зуев, А.А. Павлович // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельные статьи (специальный выпуск).– 2012. – №4. – С. 3-10.

- в остальных изданиях:

4. Павлович А.А. Особенности развития техногенной сейсмической активности и её влияние на устойчивость бортов карьеров / С.В. Цирель, А.А. Павлович // Материалы XVIII Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь». – Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. – С. 142-144.

5. Pavlovich A.A. The problem of pit walls stability in the seismic risk zones / S.V. Tsirel, P.V. Borisova, A.A. Pavlovich // Scientific reports on resource issues – innovations in mineral industry Geology, Mining Metallurgy and Management, Freiberg, Germany. – 2010. – Volume 3. – pp. 257-260.

6. Павлович А.А. Техногенная сейсмичность при разработке месторождений открытым способом / С.В. Цирель, А.А. Павлович // Материалы V Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования». – Екатеринбург: УрО РАН, 2011. – С. 142-144.

7. Павлович А.А. О критерии разрушения Хоека-Брауна / С.В. Цирель, А.А. Павлович, А.Ю. Гаврюшенко // Материалы III Международной научно-практической конференции «Наука и просвещение». – Киев: «Простобук», 2011. – С.182-186.

8. Павлович А.А. Применение критерия разрушения Хоека-Брауна для геомеханического обоснования параметров бортов карьеров / С.В. Цирель , А.А. Павлович // Материалы III Международной научно-практической конференции «Наука и просвещение». Киев: «Простобук», 2011. – С. 187-191.

Рис. 1. Стягивание сейсмических событий в Кузбассе к местам проведения массовых взрывов

1, 14 – известняк; 2, 11, 12 – песчаник; 3, 13 – габбро; 4 – гранит; 5 – бетон; 6 – мрамор; 7 – туф; 8 – алевролит; 9 – андезит;
10 – антрацит; 15 – аргиллит.

Рис. 3. Сравнение модулей упругости в зависимости от скорости деформации сжатия для горных пород по данным М.П. Мохначева и В.В. Присташа
с эквивалентными материалами



Pages:     | 1 ||
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.