Surface mines composite slope deformation mechanisms and stress distribution

Abstract

Methods. Description and interpretations of the mechanical and stress computational model for a waste dump loading in the formation of a composite slope on the basis of the theory of plasticity and elasticity. Numerical and analytical simulations for composite slope stress distribution. Findings. From the numerical and analytical simulations, it is found that the increase in slope height and angle results in an increase in stress within the geo stress field of a composite slope. The numerical simulation also shows that as the dump is moved away from the point of application the settlement induced by the dump is larger beneath the dump and decreases away from the dump, hence the stress reduces. This highlights the sensitivity in simulating the effect of the waste dump at different position within the computation analysis of a composite slope stability problem. Furthermore, it is obtained that the stress induced by a trapezoidal loading is lesser than that of a rectangular loading, which is obvious. Finally, this paper provides the stress influence rule due to excavation in a surface mining operation. The stresses due to the dump loading were obtained and compared to stresses obtained from finite element analysis and both results are well in agreement. Originality. The paper provides novel approach for the mechanisms of composite slope stress distribution and deformation mechanisms. Practical implications. The results effectively describe the stress distribution mechanisms and stability analysis of composite slopes and provides basis for the preliminary design and stability of composite slopes.

Мета. Дослідження механізмів деформацій і розподілу напружень в композитних укосах кар’єрів за допомогою чисельного моделювання методом скінчених елементів для прогнозу їх стійкості. Методика. Опис та інтерпретація механічної розрахункової моделі напружень для відвалу порожньої породи в процесі формування композитного укосу виконано на основі теорії пластичності та пружності. Проведено чисельне й аналітичне моделювання розподілу напружень в композитному схилі за допомогою використання потужного програмного забезпечення Sigma/W, який функціонує на основі методу скінченних елементів. Результати. Чисельне та аналітичне моделювання дозволило встановити, що збільшення висоти і кута укосу призводить до збільшення напружень в геонапруженному полі композитного укосу. Чисельне моделювання також показало, що в міру відсунення відвалу від точки прикладання навантаження, викликане ним осідання породи в більшій мірі проявляється під відвалом і зменшується при віддаленні від нього, що призводить до зменшення напружень. Дана тенденція показує чутливість моделі, яка описує вплив відвалу в різних точках при чисельному аналізі стійкості композитного укосу. Встановлено, що напруження, викликане трапецевидним навантаженням, менше, ніж напруження, що виникає під дією прямокутного навантаження. Сформульовано принципи впливу напружень, що виникають при відкритій розробці родовищ. Напруження, викликані навантаженням відвалу, були проаналізовані у порівнянні з напруженнями, одержаними за допомогою аналізу скінчених елементів, при цьому результати в обох випадках добре узгоджувалися між собою. Наукова новизна. Запропоновано новий підхід до аналізу механізмів розподілу напружень в композитному укосі та механізмів деформації. Зв’язок між умовами навантаження і параметрами укосу аналізується за допомогою теорії пластичності та пружності. Практична значимість. Результати дослідження ефективно описують механізми розподілу напружень і дозволяють проаналізувати стійкість композитних укосів, що є основою для попереднього проектування стійкого композитного укосу.

Цель. Исследование механизмов деформаций и распределения напряжений в композитных откосах карьеров при помощи численного моделирования методом конечных элементов для прогноза их устойчивости. Методика. Описание и интерпретация механической расчетной модели напряжений для отвала пустой породы в процессе формирования композитного откоса выполнено на основе теории пластичности и упругости. Проведено численное и аналитическое моделирование распределения напряжений в композитном откосе посредством использования мощного программного обеспечения Sigma/W, функционирующего на основе метода конечных элементов. Результаты. Численное и аналитическое моделирование позволило установить, что увеличение высоты и угла откоса приводит к увеличению напряжений в геонапряженном поле композитного откоса. Численное моделирование также показало, что по мере отодвигания отвала от точки приложения нагрузки, вызванная им осадка породы в большей степени проявляется под отвалом и уменьшается при удалении от него, что приводит к уменьшению напряжений. Данная тенденция показывает чувствительность модели, описывающей влияние отвала в разных точках при численном анализе устойчивости композитного откоса. Установлено, что напряжение, вызванное трапецеидальной нагрузкой, меньше, чем напряжение, возникающее под действием прямоугольной нагрузки. Сформулированы принципы влияния напряжений, возникающих при открытой разработке месторождений. Напряжения, вызванные нагрузкой отвала, были проанализированы в сравнении с напряжениями, полученными с помощью анализа конечных элементов, при этом результаты в обоих случаях хорошо согласовывались друг с другом. Научная новизна. В статье предложен новый подход к анализу механизмов распределения напряжений в композитном откосе и механизмов деформации. Связь между условиями нагружения и параметрами откоса анализируется с помощью теории пластичности и упругости. Практическая значимость. Результаты исследования эффективно описывают механизмы распределения напряжений и позволяют проанализировать устойчивость композитных откосов, что является основой для предварительного проектирования устойчивого композитного откоса.