CC BY
82
УДК 622.271.333: 624.131.32
Н. А. Смирнов, С. М. Простов
ПРОГНОЗ ПАРАМЕТРОВ ОТКОСОВ БОРТОВ КАРЬЕРОВ ПО ДАННЫМ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
Оценка устойчивости действующих и проектируемых откосных сооружений является неотъемлемой частью открытой геотехнологии. На этапе проектирования обычно требуется определить оптимальные параметры откосов, которые будут обеспечивать устойчивость
откосного сооружения при минимальных объемах вскрышных пород. Расчет проектных параметров откоса ведется в рамках определенной
геомеханической модели приоткосного массива. В соответствии с концепцией, изложенной в работе [1], эта модель представляет собой систему, включающую три основных элемента:
- структурную модель;
- гипотезу о возможном характере
деформирования приоткосного массива;
- физико-механические свойства инженерногеологических элементов (ИГЭ).
Схематичное изображение геомеханической модели приоткосного массива, характерного для угольных разрезов Кузбасса, показано на рис. 1. Структурная модель характеризует
геометрические параметры и условия залегания ИГЭ, конструктивные особенности откоса, положение депрессионных кривых и т.д. В структурную модель приоткосного массива входит угол откоса уступа а, высота уступа Н, мощности Иь И2 и углы падения р1 и р2 основных слоев горных пород, слагающих массив.
Анализ горно-геологических условий и ранее произошедших нарушений устойчивости позволит принять гипотезу о возможном характере деформирования прибортового массива и выбрать соответствующую расчетную схему [1, 2].
Физико-механические свойства пород устанавливаются на основе лабораторных
испытаний и обратных расчетов. Основными физико-механическими параметрами,
используемыми при расчете устойчивости откосных сооружений, являются сцепление С, угол внутреннего трения ф и плотность у.
Основным критерием безопасности откосных сооружений является коэффициент запаса устойчивости (КЗУ) - отношение суммы моментов всех сил, удерживающих откос в равновесии, к сумме моментов всех сдвигающих сил, стремящихся вывести его из равновесия. В инженерных методах расчета устойчивости действие этих сил переносится на наиболее слабую поверхность скольжения [1, 3]. Расчет устойчивости откосного сооружения или параметров откоса с заданным КЗУ ведется по определенной расчетной схеме, выбор которой определяется горно-геологическими условиями изучаемого прибортового массива. Для расчета устойчивости по выбранной схеме требуется знание физико-механических свойств пород, слагающих массив. Таким образом, правильность выбора расчетной схемы и точность расчета устойчивости определяются степенью
изученности элементов геомеханической модели прибортового массива. При этом прямые (скважинные) методы, обеспечивающие основной объем информации о строении, состоянии и свойствах грунтов, трудоемки и недостаточно информативны. В связи с этим практический интерес представляет использование результатов электрофизического мониторинга для уточнения параметров инженерно-геологических элементов, слагающих прибортовой массив, и определения физико-механических свойств грунтов.
Рис. 1. Геомеханическая модель приоткосного массива:
1 - суглинки и глины четвертичного возраста; 2 - глинистые породы третичного возраста; 3 -коренные породы; 4 - график изменения влажности с глубиной И; 5 - график изменения кажущегося электросопротивления в зависимости от эффективной глубины И
Удельное электрическое сопротивление (УЭС) большинства горных пород определяется их пористостью и водонасыщенностью [4]. При этом многие физико-механические свойства глинистых грунтов в значительной мере определяется их влажностью. Например, в работе [1] приведен пример установления статистической связи сцепления и угла внутреннего трения глинистых пород с влажностью. Зависимости, полученные в результате обработки большого числа испытаний образцов, оказались близки к линейным. Перечисленные факты позволяют сделать предположение о высоком потенциале применения метода УЭС для уточнения структуры и свойств массива при расчете устойчивости глинистых откосов. Примеры успешного применения геофизических методов для изучения оползневых процессов приведены в работе [5].
Методика определения элементов геомеханической модели с учетом данных геофизических измерений показана на рис. 2.
Определение первых двух элементов геомеханической модели начинается с анализа данных инженерно-геологических изысканий и предварительного определения схемы
деформирования откосов на данном участке.
Далее на основе выбранной расчетной схемы необходимо определить априорную физикогеологическую модель (ФГМ) оползневого массива и оценить потенциальную проявленность элементов ФГМ на геоэлектрическом разрезе. После этого проводятся измерения методом ВЭЗ и
ЭП на участках между скважинами с требуемой плотностью. По результатам интерпретации данных ВЭЗ и ЭП в рамках заданных ФГМ возможно определить геометрические параметры исследуемых ИГЭ по всему объему исследуемого массива.
Уточнение механических свойств ИГЭ, слагающих исследуемый массив производится на основе обратных расчетов для участков с ранее произошедшими оползнями. Обратные расчеты позволяют более надежно определять сцепление и угол внутреннего трения пород по фактическим поверхностям скольжения с учетом природных и технологических факторов, определяющих развитие оползневых процессов [1]. Элементы геомеханических моделей взаимосвязаны друг с другом. Определенные методом обратных расчетов физико-механические свойства пород прибортового массива в наибольшей степени соответствуют механической модели массива, если в прямых и обратных расчетах применяется одна и та же расчетная схема.
Использование для расчета проектных параметров откоса механической и структурной моделей, соответствующих обратным расчетам может компенсировать погрешности,
возникающие из-за принятия упрощенной модели деформирования откосов. Методика обратных расчетов приведена на рис. 3.
Обобщенные значения угла внутреннего трения ф и сцепления С определяются по формулам
Рис. 2. Методика определения элементов геомеханической модели
(
Ф = ат^
с =
Е М' ,
ЕТ - tgфЕN ь
(1)
(2)
где Т', N - соответственно касательные и нормальные силы в оползневом теле; Ті, Ші -соответственно касательные и нормальные силы по поверхности скольжения в массиве до оползня; Ь - длина поверхности скольжения.
Результатом обратных расчетов являются коэффициенты приведения
Оф =
А С ьс = —
(3)
tgф' с
где С' и ф' - средневзвешенные значения параметров по поверхности скольжения, определенные путем лабораторных испытаний. Оценка изменения механических свойств исследуемых ИГЭ проводится по результатам прогноза распределения влажности в исследуемом грунтовом массиве на основе данных геофизических измерений. Методика прогноза изменения влажности, основанная на сочетании прямых и бесскважинных электрофизических методов исследования массива, была изложена в работе [6].
Если принять, что зависимости физикомеханических свойств от влажности описываются линейными уравнениями регрессии, то, зная изменение влажности в пределах геологически
Построение контуров борта до и после оползня по результатам маркшейдерской съемки
[
однородного слоя, возможно прогнозировать изменение механических свойств:
С = а^ + Ь; Ф = а2^ + Ь, (4)
где Ж - влажность, а1, а2, Ь1, Ь2 - постоянные.
При исследовании приоткосного массива скважинными методами нормативное значение прочностного параметра конкретного ИГЭ принимается равным среднему от параметров, полученных в разных точках ИГЭ. Водонасыщение прибортового массива, сложенного слабопроницаемыми породами, поверхностными и подземными водами приводит к изменению в пределах ИГЭ физических свойств, так как изменчивость параметров С, ф и УЭС в данном случае определяется изменением влажности. Результатом интерпретации данных ВЭЗ являются значения мощности и УЭС слоев, слагающих массив [4, 5], при этом водонасыщение описанного массива приводит, как правило, к плавному изменению УЭС в пределах водонасыщенных слоев (см. рис. 1). Следовательно, в результате интерпретации (особенно в рамках заданной опорной модели) определяются эквивалентные значения УЭС слоев, проявляющиеся на кривой ВЭЗ так же, как и реальное изменение УЭС в пределах каждого ИГЭ. В практике электроразведки определение эквивалентных параметров слоев проводится по эмпирическим формулам, известным лишь для некоторых типов геоэлектрических разрезов [4].
Определение обобщенных параметров
эквивалентного однородного массива
Построение поверхности скольжения
I
Определение поправочных коэффициентов
1
Рис. 3. Методика обратных расчетов механических свойств ИГЭ
Однако в первом приближении эквивалентное УЭС слоя возможно определить как среднее от УЭС прослойков, входящих в слой. Таким образом, точность определения нормативных значений механических свойств методом УЭС в большей степени зависит от точности подбора регрессионных зависимостей между влажностью и механическими свойствами.
При расчете проектных параметров откосов из глинистых горных пород определяют углы откоса при заданных элементах геомеханической модели и высоте уступов. Алгоритм расчета проектных параметров откоса показан на рис. 4.
Для откосов высотой до 100 ми при углах внутреннего трения пород до 20° КЗУ рассчитывают методом алгебраического сложения сил, предполагающим разделение выделенной призмы обрушения на отдельные фрагменты
Ц =
£ (рі cos«і tg Фі )+ £ (Cili) i=1 i=1 ’
(5)
X(p sm a)
i=1
где P, - вес блока пород; a, - угол наклона поверхности скольжения в середине блока; l, -длина поверхности скольжения в пределах блока.
Таким образом, конечным результатом определения проектных параметров откоса глинистых грунтов является график зависимости угла откоса от коэффициента запаса устойчивости. При этом угол откоса следует выбирать с учетом назначения проектируемого откосного
сооружения, а также стадии освоения месторождения (степени изученности элементов
Рис. 4. Алгоритм расчета проектных параметров откоса
n
(блоки) и определение сдвигающих и геомеханической модели).
удерживающих сил отдельно по каждому блоку в зависимости от напряженного состояния и свойств пород в пределах блока [1-3].
Коэффициент запаса устойчивости определяется в этом случае соотношением суммы всех удерживающих сил к сумме сдвигающих сил:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Попов, В. Н. Управление устойчивостью карьерных откосов: учеб. для вузов / В. Н. Попов, П. С. Шпаков, Ю. Л. Юнаков - М.: Изд-ва МГГУ, «Горная книга», 2008. - 683 с.
2. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. - СПб. : ВНИМИ, 1998. - 114 с.
3. Фисенко, Г. Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. - М.: Недра. - М.: Недра, 1965. - 378 с.
4. Хмелевской, В. К. Основной курс электроразведки. Часть 1. - М.: Изд-во МГУ, 1970. - 300 с.
5. Огильви, А. А. Основы инженерной геофизики: учеб. для вузов / Под редакцией В. А. Богословского. -М.: Недра, 1990. - 501 с.
6. Смирнов, Н. А. Геолого-геофизический мониторинг при отработке намывных массивов гидроотвалов / Н. А. Смирнов, С. М. Простов // Вестник КузГТУ. - 2011. - №4. - С. 3-7.
□ Авторы статьи:
Смирнов Простов
Николай Александрович, Сергей Михайлович,
аспирант КузГТУ. докт.техн. наук; проф. каф.
Email: SmimovNick@vandex.ru: теоретической и геотехнической
механики КузГТУ. Тел. 89050757924
