Дослідження впливу сейсмічних хвиль на стійкість уступів і бортів кар’єру по критерію прискорення

Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

ІНСТИТУТ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ ТА ЕНЕРГОМЕНЕДЖМЕНТУ

Кафедра інженерної екології

Звіт

про проходження переддипломної практики на тему:

«ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ СЕЙСМІЧНИХ ХВИЛЬ НА СТІЙКІСТЬ УСТУПІВ І БОРТІВ КАР'ЄРУ ПО КРИТЕРІЮ ПРИСКОРЕННЯ»

Виконала:

студентка ІV курсу

групи ОЗ-21

Мельничук М.О.

Київ 2016

Зміст

Вступ

1. Загальні відомості про досліджуваний об'єкт

2. Використання методу кругло циліндричної поверхні для розрахунку стійкості укосів по критерію одиниці прискорення

3. Дослідження рекомендацій сейсмобезпеки багатоблокових масових вибухів в умовах кар'єру ВАТ «Полтавський ГЗК»

4. Розрахунок стійких кутів уступів з врахуванням перерахунків

Висновки



Вступ

У період з 11.04.2016 р. до 1.05.2016 р. я проходила переддипломну практику в Інституті гідромеханіки НАН України.

Сучасні тенденції розвитку мінерально-сировинної бази свідчать про подальше розширення відкритого способу розробки родовищ корисних копалин. При цьому, в стратегічних планах гірничих робіт повинні одночасно враховуватися як поліпшення техніко-економічних показників, так і дотримання безпеки праці з екологічної складової.

В даний час і на прогнозовану перспективу відкритий спосіб розробки родовищ є основним в Україні, їм видобувається близько 80% всіх корисних копалин.

У даній роботі розглядається сейсмічний вплив масових вибухів, проведених на кар'єрі, на стійкість бортів кар'єра. Зокрема, розглядається і аналізується критерій оцінки стійкості борту кар'єру з урахуванням його фізичних і технологічних особливостей. Сейсмічна стійкість уступів оцінюється через параметри сейсмічних коливань - прискорення, швидкість, деформації та енергію. Серед критеріїв оцінки стійкості найчастіше використовують критерій з урахуванням прискорення та масової швидкості.

сейсмобезпека вибух кар'єр укіс



1. Загальні відомості про досліджуваний об'єкт

ВАТ "Полтавський ГЗК" - одне з найбільших підприємств гірничодобувної промисловості України та СНД. Більше 85% своєї продукції експортує в Австрію, Румунію, Польщу, Болгарію, Чехію, Словаччину, Сербію і Чорногорію, Італію та інші країни.

Комбінат здійснює повний технологічний цикл: від видобутку сирої руди - до виробництва залізорудних окатишів, підготовленої сировини для металургійних заводів.

Переробляє залізні руди Горишнє-Плавнинського та Лавриківського родовищ, які представлені магнетитовими та кумінгтоніто-магнетитовими кварцитами з загальним вмістом заліза відповідно 34% та 27% та вмістом заліза, пов'язаного з магнетитом -- 26,6% і 17,03%.

Руди відрізняються тонкою вкрапленістю, складним характером проростання рудних та нерудних матеріалів і є складним об'єктом для збагачення з одержанням якісних залізорудних концентратів. Згідно з аналізом дисперсності компонентів концентрату середня крупність зерен магнетиту -- близько 30 мкм, а його зростків з кварцем -- 37 мкм. Балансові запаси руд на 01.01.99. складають за категоріями А+В+С1 1,761 млрд т. Забезпеченість ГЗК запасами при проектній продуктивності -- 51,7 роки. На балансі ГЗК також розвідані Єристовське і Беланівське родовища залізистих кварцитів, які аналогічні родовищам, що розробляються. В схемах збагачення застосовується традиційна для України технологія тристадійного подрібнення, пряма та зворотна магнітно-флокуляційна сепарація (магнітна дешламація), мокра магнітна сепарація. В результаті при різних схемах збагачення одержують концентрат з вмістом заліза від 60…61% до 62…65,9%.

Фабрика грудкування побудована на комплексному американському обладнанні з використанням технології «решітка-трубчата пічка-кільцевий охолоджувач» з повною автоматизацією технологічного процесу, що забезпечує високу якість котунів.

На комбінаті практично без ремонту працюють десятки років біля півтисячі гідроциклонів з карбіду кремнію, виготовлених Броварським заводом порошкової металургії за технологією, розробленою В. В. Іващенком.

Понад 85% продукції (2000 р.) експортується в Австрію, Румунію, Польщу, Болгарію, Чехію, Словаччину, країни колишньої Югославії, Італію, Угорщину.

Генеральним директором Полтавського гірничо-збагачувального комбінату з квітня 2007 року є Лотоус Віктор Вікторович. На Полтавському ГЗК працює 8 тисяч працівників.

2. Використання методу кругло циліндричної поверхні для розрахунку стійкості укосів по критерію одиниці прискорення

Для розрахунку стійкості укосів та бортів кар'єру по критерію одиниці прискорення скористаємось методом кругло циліндричної поверхні ковзання. Враховуюче те, що даний метод розроблений для однорідних порід, спочатку проведемо розрахунки в межах уступів з однорідними породами з подальшим врахування всіх типів порід, що складають борт кар'єру.

При розрахунках стійкості уступу кар'єру чи вектора сили, призма ковзання ділиться вертикальними лініями на ряд відсіків. Зазвичай відсіки приймаються такими, щоб без втрати точності можна було в їх межах приймати поверхню за площину, а контур укосу, дію зовнішніх сил і т.п. практично однорідними (рис. 2.1).



Рис. 2.1 Схема рівнодіючих сил на і-тий відсік уступу борту кар'єру.

Розглянемо умови рівноваги і-того відсіку. Усі зовнішні активні сили (вага ґрунту в відсіці, зовнішнє навантаження і т.д.), що діють на і-тий відсік, приводяться до рівнодіючої Р_і. Оcтанню розкладаємо у точці її прикладення на складові: нормальну P_Ni і дотичну P_Qi до площини зсуву відсіку:

(2.1)

Припускаємо, що центр О і радіус кривизни R поверхні ковзання нам відомі. У цьому методі сили взаємодії між сусідніми відсіками не враховуються, спираючись на те, що сума цих сил повинна дорівнювати нулю, а сумарний момент від них відносно точки О невеликий. Дотична сила від усіх навантажень є рушійною силою, яка може викликати зсуви в уступах кар'єру.

Сила опору зсуву сипучого тіла, яка знаходиться за поверхнею ковзання (реакція), може бути представлена у вигляді суми сил тертя і зчеплення:

, (2.2)

де N_i - нормальна реакція опори;

s_i - довжина дуги поверхні ковзання;

ц_i - кут внутрішнього тертя в межах дуги s_i;

с_і - питоме зчеплення в межах дуги s_i.

Із рівняння проекції усіх сил на нормаль до площадки відсіку отримаємо:

. (2.3)

Друге рівняння проекції залишається незадовільним, так як сили взаємодії між відсіками не розглядаються. Умова рівноваги укосів зводиться до рівняння моментів усіх сил, що діють на сповзаючу призму, відносно центру О поверхні ковзання.

Але такий підхід не враховує зміну характеристик порід по міцності (сил зчеплення), які відбуваються при динамічному (імпульсному) режимі навантаження.

Врахування сейсмічної дії при розрахунку протизсувних утримуючих конструкцій відбувається додаванням до розрахункових зусиль так званої інерційної сейсмічної сили S_сі . Сейсмічна сила S_сі наближено визначається як частка від маси ґрунту, яка перетерплює сейсмічний вплив, і має вигляд:

, (2.4)

де а_с - сейсмічне прискорення;

g - прискорення вільного падіння.

Маючи на увазі, що коефіцієнт динамічної сейсмічності м=a_с/g, отримаємо:

. (2.5)



Направлення сили S_сі рекомендується рахувати найбільш несприятливим. У зв'язку з цим будемо приймати, що сейсмічні сили у кожному відсіку зсувного блоку направлені паралельно основі відсіку. Умова рівноваги відкосів зводиться до рівняння моментів усіх сил, які діють на сповзаючу призму, відносно центру О поверхні ковзання.

(2.6)

де R - радіус, що описує поверхню призми обвалення.

При цьому сила опору зсуву зменшиться у k раз з врахуванням необхідності забезпечити певний запас стійкості відкосу проти руйнування:

. (2.7)

Тоді коефіцієнт виражається:

. (2.8)

Враховуючи, що , та те що сейсмічні хвилі від масових вибухів діють на систему укосів, які складені різними породами, остаточно отримаємо значення коефіцієнту запасу стійкості:

. (2.9)

Значення коефіцієнту динамічної сейсмічності м для розрахунку природних схилів рекомендують приймати по таблиці 2.1. При розрахунку штучних відкосів (насипи доріг, греблі т.д.) значення коефіцієнту із таблиці 2.1 слід (приблизно) збільшувати у 1,5 рази.

Таблиця 2.1

Коефіцієнт динамічної сейсмічності

Сейсмічна бальність району	1-6	7	8	9	10	11	12
М	0,00	0,025	0,05	0,1	0,25	0,50	>0,75

Для розрахунку коефіцієнту динамічної сейсмічності м для уступів та бортів кар'єру більш правильно буде виразити його, використовуючи рівняння методу кругло циліндричної поверхні ковзання. Для цього розкладемо інерційну сейсмічну силу на вертикальні і горизонтальні складові (рис. 2.2) відповідно

(2.10)

де о - кут виходу сейсмічного імпульсу до горизонту.



Рис. 2.2. Схема дії сейсмічної сили на окремі уступи та борт кар'єру в цілому.

Вплив вертикальної та горизонтальної складових сейсмічного прискорення на ступінь стійкості різний. Складова S_С.В.і у певні моменти коливання здатна розвантажити вагу призми обвалення. Складова S_С.Г.і може збільшувати зсувні сили. Зазвичай S_С.В.і і S_С.Г.і приймають як такі, що діють у напрямку зниження ступеню стійкості уступу та борту кар'єру.

Визначимо плечі сил S_С.В.і і S_С.Г.і відносно центру обертання призми обвалення відповідно n і m. Використовуючи метод кругло циліндричної поверхні ковзання, можна записати:

. (2.11)

Вплив сил інерції на зміну стійкості уступу (борту) може бути представлено як збільшення його крутизни на кут:

. (2.12)

З формули (2.12) випливає, що при прискоренні а земна поверхня випробовує нахил на кут д_с, а ступінь стійкості укосу знижується. Прискорення може бути знайдено через інтенсивність сейсмічних коливань.

Таблиця 2.2

Сейсмічне прискорення

ДБ, бали	6	7	8	9
а, мм/с2	300-600	610-1200	1200-2400	2410-4800

Одиниця прискорення, як показують дослідження, є ефективним критерієм стійкості укосів при веденні вибухових робіт у кар'єрі.

У таблиці 2.3 представлена допустима величина одиниці прискорення для гірничих об'єктів, складених неоднорідними гірничими породами.

Таблиця 2.3

Значення допустимих одиниць прискорення для укосів

Гірнича порода	Допустиме значення одиниці прискорення, g
М'які породи, наноси	0,15
Скельні породи:
- сильно тріщинуваті з глиною і високою пористістю	0,50
- значно тріщинуваті	0,90
- середньо тріщинуваті	1,30
- слабо тріщинуваті	1,90
- дуже міцні і монолітні, практично без тріщин	2,25

Приведені вище аналітичні розрахунки будуть використанні для рекомендацій, щодо стійкості бортів кар'єру по критерію одиниці прискорення, після експериментальних даних, одержаних з осцилограм в реальних умовах взаємодії СВХ з уступами.

У зв'язку з вище викладеним, програмою було передбачено проведення необхідної кількості інструментальних вимірів параметрів СВХ при масових вибухах у кар'єрі Дніпровського рудника, що відповідає обробці отриманих даних до рівня залежностей швидкості зсуву частинок ґрунту від приведеної до маси зарядів відстані із заданою надійністю.

3. Дослідження рекомендацій сейсмобезпеки багатоблокових масових вибухів в умовах кар'єру ВАТ «Полтавський ГЗК»

Приведені дослідження дозволяють визначити критерії оцінки сейсмічної стійкості бортів кар'єру, як по прискоренню, так і по допустимій швидкості коливань частинок ґрунту. Тому для виготовлення рекомендацій, які будуть викладені нижче, ці критерії будуть використані при проведені розрахунків стійкості бортів кар'єру з урахуванням дії домінантної сейсмічної хвилі, що виникає внаслідок багатоблокових масових вибухів, тим самим обмежуючи їх масштаби. Також буде побудована карта сейсморайонування кожного горизонту кар'єрного поля ВАТ "Полтавський ГЗК" по ізолініям допустимих масштабів вибухів з корегуванням їх параметрів зі зміною глибини розробки кожного горизонту кар'єру.

На підставі результатів досліджень, з метою утворення умов стійкості бортів кар'єру від дії ББМВ на кар'єрах ВАТ "Полтавський ГЗК", розроблено рекомендації, при яких необхідне дотримання таких заходів :

1. Визначення допустимих значень інтенсивності впливу СВХ на укоси (в одиницях прискорення) від відстані, приведеної до допустимої маси групи зарядів, що одночасно підриваються (м/кг^1/3) проводиться відповідно графіку (рис. 3.1), або по одержаній емпіричній залежності, яка в аналітичному вигляді записується наступним чином:

, м/кг^1/3, (3.1)

Рис. 3. 1 Залежність допустимих значень інтенсивності впливу СВХ на укоси (в одиницях прискорення) від відстані, приведеної до допустимої маси групи зарядів, що одночасно підриваються (м/кг^1/3)

Таблиця 3.1

Дані для побудови рисунку 3.1

g	lg g
0,15	-0,82	16,2	1,21
0,50	-0,30	7,24	0,86
0,90	-0,05	5,00	0,70
1,30	0,11	3,89	0,59
1,90	0,28	3,00	0,48
2,25	0,35	2,70	0,43

2. Розрахунок сейсмобезпечних мас заряду ВР ББМВ для різних типів порід , на основі встановлених допустимих значень інтенсивності впливу СВХ на укоси (в одиницях прискорення), здійснюється по графіку, приведеному на рис. 3.2. Для скельних порід, допустимі значеня одиниці прискорення яких більші 1.3, графік не будували, так як такі породи практично не зустрічаються.

Рис. 3.2 Графік визначення сейсмобезпечних параметрів підривних робіт для укосу кар`єру, утвореного породами різних типів: 1 - скельні середньотріщинуваті породи; 2 - скельні сильнотріщинуваті породи; 3 - м'які породи.

Використовуючи графік, сейсмобезпечні параметри підривних робіт приймають за найслабшою породою. При виконанні таких умов можна забезпечити стійкість усього борту кар'єру. Дані, використані для побудови графіку 3.2, зведеніі до таблиці 3.2.

Таблиця 3.2

Сейсмобезпечні параметри вибухових робіт для різних типів порід

r	Q (g=0.15)	Q (g=0.50)	Q (g=0.9)	Q (g=1.3)	Q (g=1.9)	Q (g=2.25)
10	0.2312	2.5684	8,3217	17.3625	37,0880	52.0106
20	1.8496	20.5472	66,5736	138.9000	296,7040	416.0848
30	6.2424	69.3468	224,6859	468.7875	1001,3760	1404.2860
40	14.7968	164.3776	532,5888	1111.2000	2373,6320	3328.6780
50	28.9000	321.0500	1040,2130	2170.3130	4636,0000	6501.3250
60	49.9392	554.7744	1797,4870	3750.3000	8011,0080	11234.2900
70	79.3016	880.9612	2854,3430	5955.3380	12721,1800	17839.6400
80	118.3744	1315.0210	4260,7100	8889.6000	18989,0600	26629.4300
90	168.5448	1872.3640	6066,5190	12657.2600	27037,1500	37915.7300
100	231.2000	2568.4000	8321,7000	17362.5000	37088,0000	52010.6000

3. Допустимі маси зарядів, які підриваються миттєво в групі, залежно від відстані наближеного до борту кар'єру блока, щодо забезпечення сейсмічної стійкості найслабшого розкривного уступу, проводити згідно з графіком, наведеним на рис. 3.3., або в табл. 3.3.

Рис. 3.3 Графік визначення допустимої маси зарядів, яку миттєво підривають в групі, залежно від відстані наближеного до борту кар'єру блока, що підривають.

Таблиця 3.3

Сейсмобезпечні маси заряду

Qдоп, кг	83	166	322	498	664	830	996	1162	1328	1494	1660
r, м	25	50	100	150	200	250	300	350	400	450	500

4. Проектуючи схеми КСВ сейсмобезпечні масштаби кожного окремого блока ББМВ визначають за розробленою картою сейсморайонування кар'єрного поля кар'єру ВАТ «Полтавський ГЗК», в границях якого з кроком 50 м, інтерполюючи в бік зменшення, вибирають допустимі маси зарядів, що підривають миттєво за одне сповільнення, наближеного до борту кар'єру кожного блока, враховуючи критерій оцінювання стійкості укосів. Фрагмент блока зображено на рис. 3.4. На рис.3.5 зображено карту сейсморайонування кар'єрного поля по ізолініям допустимих масштабів вибухів.

Напрям до уступів борту кар'єру.
	- ізолінії допустимих мас вибухової речовини, що вибухають з одним інтервалом сповільнення.

Рис. 3.4 Фрагмент блока з нанесеними свердловинами та лініями рівних (ізосейсми) допустимих зарядів, який підривають багатоблоковим масовим вибухом



Рис. 3.5 Карта сейсморайонування кар'єрного поля ВАТ «Полтавський ГЗК» по ізолініям допустимих масштабів вибухів

4. Розрахунок стійких кутів уступів з врахуванням перерахунків

Розрахуємо стійкі кути уступів з врахуванням перерахунку, що враховує сейсмічну дію. Маючи задані сталі кути закладання уступів, та додавши до них величину, що враховує силу інерції, отримаємо сейсмічно стійкі максимальні кути уступів (табл. 4.1).

Таблиця 4.1

Значення кутів уступів з врахуванням інерційної сейсмічної сили

Порода	Кут уступу у статиці, град.	Величина перерахунку крутизни кута уступу, град.	Кут уступу при проведенні підривних робіт, град.
Суглинки	35	1	36
Напівскельні породи з глиною і високою пористістю	39	3	42
Скельні середньотріщинуваті породи	46	8	54

Рис. 4.1 Графік залежності перерахунку крутизни укосу залежно від прискорення вільного падіння для різних типів порід.

На рис. 4.2 показано схему по корегуванню кутів уступів західного борту кар'єру ВАТ «Полтавський ГЗК» та об'єм породи, на який може бути зменшено загальний обсяг розкривних порід в результаті впровадження рекомендацій.

Розрахунковий очікуваний разовий економічний ефект від впровадження рекомендацій на кар'єр ВАТ "Полтавський ГЗК" буде отримано у разі збільшення кутів нахилу розкривних уступів робочих і неробочих бортів кар'єру до 3^о, що приведе до зменшення у загальному обсязі об'ємів розкривних ґрунтів на 10 млн. м³ і становитиме 1,0 млн. грн.

Рис. 4.2 Схема по коректуванню кутів уступів за рахунок рекомендацій щодо обмеження масштабу вибухів в блоках найблище розташованих до північного борту кар'єру ВАТ «Полтавський ГЗК» .



Висновки

Переддипломну практику у період з 11.04.2016 р. до 1.05.2016 р. я проходила в Інституті гідромеханіки НАН України. При проходженні практики я займалася дослідженням впливу сейсмічних хвиль на стійкість уступів і бортів кар'єру по критерію прискорення. Було відвідано лабораторію з заміру величини сейсмохвиль та ознайомилася з обладнанням, яке використовують для даних замірів.

Для досягнення поставленої задачі був проведений розрахунок коефіцієнту динамічної сейсмічності м для уступів та бортів кар'єру, використовуючи рівняння методу круглоциліндричної поверхні ковзання.

Шляхом проведених розрахунків визначила допустимі значення інтенсивності впливу сейсмовибухових хвиль на укоси (в одиницях прискорення) від відстані, приведеної до допустимої маси групи зарядів, що одночасно підриваються.

Размещено на Allbest.ru

...