Способ исследования устойчивости отвалов
Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для исследования устойчивости насыпей горных пород. Способ заключается в том, что перед отсыпкой отвала в его основании монтируют анкерную систему из четырех стоек и балок жесткости, установленных перпендикулярно к стойкам с возможностью вертикального перемещения по ним. К первой паре балок с обоих концов монтируют вертикальные упоры с подкосами и нагрузочные устройства, а также устанавливают тележки с нагрузочными устройствами. Ко второй паре балок с обоих концов монтируют нагрузочные устройства под разными значениями угла наклона к балкам или угла наклона к горизонтальной плоскости. В местах установки вертикальных упоров зачищают горизонтальные площадки, оконтуривают призмы из отвальных пород. На призмы сверху одевают металлические обоймы, устанавливают штампы и нагрузочные устройства сверху и сбоку для создания сжимающих и сдвигающих усилий. С помощью нагрузочных устройств передают нагрузки на породы отвала и производят необходимые замеры параметров смещений пород и соответствующих усилий, создаваемых нагрузочными устройствами, после чего по полученным опытным данным определяют прочностные параметры отвальных пород. Изобретение позволяет надежно и эффективно исследовать параметры устойчивости отвалов. 5 ил.
Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для исследования устойчивости насыпей горных пород - внешних и внутренних отвалов.
Известен способ исследования устойчивости откосов отвалов и нагруженных отвальных уступов, заключающийся в послойной укладке эквивалентного материала в стенд, укреплении по всей ширине модели натянутых стальных струн, вращении всей модели вокруг ее поперечной оси, измерении координат отдельных точек получаемой поверхности скольжения откоса (Панюков П.Н., Ржевский В.В., Истомин В.В., Гальперин А.М. Геомеханика отвальных работ на карьерах. - М.: Недра, 1972, 182 с., с. 125). Ограниченность рассматриваемого способа заключается в имитации вскрышных пород эквивалентными материалами и сложности моделирования реальной нагрузки от горно-транспортного оборудования, что искажает реальную картину деформирования отвала и уменьшает достоверность получаемой информации.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ исследования устойчивости отвалов, заключающийся в отсыпке в производственных условиях опытных отвалов с воздействием на них нагрузочными устройствами и определении параметров устойчивости (Демин А.М. Закономерности проявлений деформаций откосов в карьерах. – М.: Наука, 1981, 142 с., с.72).
Известно, что в способе по прототипу решаются следующие задачи:
- определение предельных параметров, при которых может произойти деформация отвала - угол откоса, высота отвала, ширина берм, количество ярусов;
- выявление фактических контуров ненарушенных откосов отвалов при работе различного горного оборудования;
- определение характеристик прочности отвальных пород.
Для решения первой и второй задач необходимо на верхней площадке и отвальных уступах создавать нагрузку, величина и характер передачи которой соответствовали бы применяемому горно-транспортному оборудованию. При таком способе исследования устойчивости отвалов невозможно создать нагрузку, критическую по величине с применением реального горно-транспортного оборудования, так как это связано с техникой безопасности производства работ, а именно с обрушением откосов отвалов. По этой же причине невозможно выявить на одном опытном отвале эффективность применения мероприятий, повышающих устойчивость отвала, например введение в него армирующих элементов. Таким образом, в способе по прототипу задача определения оптимальных параметров отвала, соответствующих широкому диапазону нагрузок от горно-транспортного оборудования и различным схемам противооползневых мероприятий, является чрезвычайно сложной.
Для решения третьей задачи по прототипу - определения достоверных характеристик прочности отвальных пород необходимо проведение натурных испытаний пород. Применяемые для этого установки сдвига и обрушения горных пород ненарушенного сложения предполагают наличие неподвижных упоров как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.
Ограниченность способа по прототипу заключается также в том, что при испытании отвальных пород на сдвиг, особенно свежеотсыпанных, возникают проблемы с передачей на эти породы сжимающей и сдвигающей нагрузки, а также с достоверной регистрацией возникающих деформаций из-за значительной деформируемости пород в приоткосной зоне. Это связано со сложностью, а подчас и невозможностью организации неподвижных упоров в рыхлых отвальных породах, особенно в средней и верхней части отвала. Рассматриваемый метод по прототипу отличается большой трудоемкостью подготовки к проведению испытаний и значительной стоимостью.
Предлагаемый способ позволяет эффективно определять достоверные параметры устойчивости отвалов и расширить функциональные возможности за счет определения большего количества параметров устойчивости отвалов.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в способе исследования устойчивости отвалов, включающем отсыпку отвала, воздействия на поверхность отвала нагрузочными устройствами и определение параметров устойчивости отвала, перед отсыпкой отвала в его основании монтируют анкерную систему из четырех стоек и балок жесткости, установленных перпендикулярно к стойкам с возможностью вертикального перемещения по ним, при этом для послойного испытания пород или отдельно выбранных точек отвала к первой паре балок жесткости с обоих концов монтируют вертикальные упоры с подкосами и нагрузочные устройства, а также устанавливают тележки с нагрузочными устройствами, ко второй паре балок жесткости, с обоих концов монтируют нагрузочные устройства под разными значениями угла наклона к балкам жесткости или угла наклона к горизонтальной плоскости, при этом в местах установки вертикальных упоров зачищают горизонтальные площадки, оконтуривают призмы из отвальных пород, на призмы сверху одевают металлические обоймы, устанавливают штампы и нагрузочные устройства сверху и сбоку для создания сжимающих и сдвигающих усилий, с помощью нагрузочных устройств передают нагрузки на породы отвала и производят необходимые замеры параметров смещений пород и соответствующих усилий, создаваемых нагрузочными устройствами, после чего по полученным опытным данным определяют прочностные параметры отвальных пород.
Заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что в качестве элементов, повышающих эффективность и надежность определения прочностных свойств отвальных пород и достоверных параметров устойчивости отвалов, используют установку анкерной системы из четырех стоек и балок жесткости, установленных перпендикулярно к стойкам с возможностью вертикального перемещения по ним, причем к балкам жесткости монтируют устройства, передающие на породы нагрузки различного вида.
На фиг.1 показаны опытный отвал 1, стойки 2, балки жесткости 3, нагрузочные устройства 4, возможные поверхности обрушения 5, насосная станция 6.
На фиг.2 - вид А-А - на фиг.1.
На фиг.3 показаны нагрузочное устройство 4, элементы крепления 7, балка жесткости 3, возможные поверхности обрушения 5.
На фиг.4 - вид Б на фиг.1.
На фиг.5 показаны призма 8 из отвальных пород, металлическая обойма 9, штамп 10, нагрузочные устройства 4, балка жесткости 3, тележка 11, вертикальный упор 12, подкос 13, поверхность опытного отвала 14.
Реализация способа исследования устойчивости отвалов осуществляется в следующей последовательности: I. Определение прочностных свойств отвальных пород при реализации двух методик определения характеристик прочности горных пород: 1. сдвиг призм отвальной породы, заключенной в обойму; 2. сдвиг блоков отвальных пород по методу трех щелей.
Подготовительные работы:
- в зависимости от целей и задач испытания подготавливают основание отвала 1 (см. фиг.1);
- устанавливают в предварительно пробуренные скважины стойки 2, анкеруют их в основании (например, заливкой бетонной смесью) и связывают между собой двумя парами балок жесткости 3 на той высоте, которая отвечает конкретной задаче исследования отвала и отвальных пород;
- нагрузочные устройства 4 соединяют с насосной станцией 6;
- формируют опытный отвал 1 (см. фиг.1) с послойным уплотнением пород отвала или без него.
1. Сдвиг призм породы, заключенной в обойму:
- к первой паре балок жесткости 3 (см. фиг.5) с обоих концов монтируют вертикальные упоры 12 с подкосами 13 и нагрузочные устройства 4, а также устанавливают тележки 11 с нагрузочными устройствами 4, в местах установки вертикальных упоров 12 зачищают горизонтальные площадки, оконтуривают призмы 8 из отвальных пород, на призмы сверху одевают металлические обоймы 9, устанавливают штампы 10 и нагрузочные устройства 4 сверху и сбоку для создания сжимающих и сдвигающих усилий;
- сдвиг выделенных из отвала призм 8 горных пород, заключенных в обоймы 9, осуществляют при помощи двух нагрузочных устройств 4 (см. фиг.5), причем первое из них, соединенное жестко с вертикальным упором 12 и подкосом 13, создает сдвигающее усилие, а второе, соединенное жестко с тележкой 11, свободно перемещаемой вдоль балки жесткости 3, создает вертикальное сжимающее усилие. Вертикальный упор 12 с подкосом 13 могут быть соединены с балкой жесткости 3 в любой ее точке с помощью болтового соединения;
- производят необходимые замеры параметров смещений пород и соответствующих усилий, создаваемых нагрузочными устройствами 4.
Таким образом, можно срезать необходимое количество предварительно выделенных призм из отвальных пород при разных значениях вертикального сжимающего давления, создаваемого нагрузочными устройствами 4. Полученная информация будет достаточна для построения графика сдвига отвальных пород и соответственно для определения их прочностных параметров.
Для повышения надежности и достоверности получаемых результатов аналогичные опыты проводят и на противоположных концах рассматриваемых балок жесткости 3. Тем самым возрастает повторность определений прочностных характеристик пород, если отвал состоит из однородных пород, и получение достоверных значений интегральных характеристик прочности в разных точках для отвала из разнородных пород в случае их неупорядоченной отсыпки.
2. Сдвиг блоков отвальных пород по методу трех щелей (Руководство по проектированию и устройству заглубленных инженерных сооружений. - М.: Стройиздат, 1986, 118 с., с. 21):
- ко второй паре балок жесткости 3 с обоих концов монтируют нагрузочные устройства 4 под разными значениями угла наклона к балкам жесткости или угла наклона к горизонтальной плоскости (см. фиг.1);
- сдвиг блоков отвальных пород по поверхностям обрушения 5 производится с помощью нагрузочных устройств 4 с фиксацией сдвигающих усилий в момент сдвига блока. Причем нагрузочные устройства 4 находятся ниже поверхности откоса отвала, образуя одну из трех щелей. Две другие щели, параллельные друг другу, выбираются по краям нагрузочного устройства ниже по откосу.
Проводя на двух противоположных концах второй пары балок жесткости два независимых испытания отвальных пород нагрузочных устройств 4 и для различных значений их углов наклона к горизонтальной плоскости или к балкам жесткости, а также для различных значений углов падений плоскости сдвига 
(см. фиг.1), можно определить расчетные значения прочностных характеристик пород по соответствующим формулам вышеназванного руководства. По аналогичной схеме можно определить параметры прочности отвальных пород, используя горизонтальную поверхность верхней площадки отвала методом выпирания призм (См. Методы определения прочности глинистых пород. Под ред. Г.К. Бондарика. - М.: Недра, 1974, 216 с., с.91).
Все опыты сопровождаются замерами геометрических параметров отвала и отдельных его точек до и после приложения нагрузки.
3. Исследование устойчивости отвала при передаче на него нагрузок от горно-транспортного оборудования:
- подготавливают основание отвала;
- монтируют анкерную систему из стоек 2 с балками жесткости 3 (см. фиг.1);
- отсыпают отвал и формируют необходимые элементы для испытаний: отвальные уступы, бермы, верхняя площадка;
- к балкам жесткости 3 монтируют нагрузочные устройства 4 (см. фиг.3) для передачи имитационной нагрузки от горно-транспортного оборудования на элементы отвала. Например, нагрузка приложена полосообразно в две полосы по ширине отвального уступа или бермы (см. фиг.3);
- соединяют нагрузочные устройства 4 с насосной станцией 6 (см. фиг.1);
- при помощи нагрузочных устройств 4 на элементы отвала передают нагрузку ступенями вплоть до критической, соответствующей моменту деформаций отвальных пород, например обрушения участка откоса отвала;
- фиксируют критическую нагрузку, производят замеры деформировавшихся участков отвала;
- производят анализ полученной информации.
Причем нагрузочные устройства 4 могут быть установлены в любом месте отвального откоса и верхней площадки: непосредственно у верхней бровки откоса и на расстоянии от нее, на берме, и отвальном уступе. В ходе опыта устанавливают характер и кинематическую схему развития деформаций опытного отвала при действии на него различных по величине и характеру нагрузок.
В предложенном способе решаются следующие задачи:
- прямое получение достоверных прочностных свойств отвальных пород;
- достоверное определение рациональных параметров устойчивости отвалов путем возможности четырехкратного дублирования эксперимента на одном и том же отвале;
- надежное и эффективное исследование влияния нагрузки от горно-транспортного оборудования на устойчивость отвалов;
- изучение возможности повышения устойчивости отвалов при увеличении их высоты и угла откоса;
- низкая стоимость реализации способа вследствие снижения количества опытных отвалов при увеличении качества и количества получаемой информации.
Формула изобретения
Способ исследования устойчивости отвалов, включающий отсыпку отвала, воздействия на поверхность отвала нагрузочными устройствами и определение параметров устойчивости отвала, отличающийся тем, что перед отсыпкой отвала в его основании монтируют анкерную систему из четырех стоек и балок жесткости, установленных перпендикулярно к стойкам с возможностью вертикального перемещения по ним, при этом для послойного испытания пород или отдельно выбранных точек отвала, к первой паре балок жесткости с обоих концов монтируют вертикальные упоры с подкосами и нагрузочные устройства, а также устанавливают тележки с нагрузочными устройствами, ко второй паре балок жесткости, с обоих концов монтируют нагрузочные устройства под разными значениями угла наклона к балкам жесткости или угла наклона к горизонтальной плоскости, при этом в местах установки вертикальных упоров зачищают горизонтальные площадки, оконтуривают призмы из отвальных пород, на призмы сверху одевают металлические обоймы, устанавливают штампы и нагрузочные устройства сверху и сбоку для создания сжимающих и сдвигающих усилий, с помощью нагрузочных устройств передают нагрузки на породы отвала и производят необходимые замеры параметров смещений пород и соответствующих усилий, создаваемых нагрузочными устройствами, после чего по полученным опытным данным определяют прочностные параметры отвальных пород.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
