CC BY
7
УДК 622.381
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-251-256
ДЕФОРМАЦИОННЫЙ МОНИТОРИНГ ОСЕДАНИЙ ГРУНТОВ В БОРТАХ КАРЬЕРА
Владимир Федорович Юшкин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории горной геофизики, тел. (383)205-30-30, доп. 313, e-mail: L14@ngs.ru
Представлены и обсуждаются результаты мониторинга формирования оползневых смещений эрозионнопасного участка борта карьера твердых полезных ископаемых геодезическими методами. Установлено, что эрозионное разрушение борта активизировалось в период разработки карьера с 2012 г. и представляет собой сложное по морфологии «циркооб-разное» оседание четвертичных отложений в виде оползней покровного типа, образуемых скольжением глинисто-суглинистых грунтов по уступам песчаника и алевролитов. Фактическая толща сезонного промерзания грунтов по метеорологическим данным изменяется от 2 м до 2,5 м в зависимости от величины снежного покрова, что влияет на формирование трещин именно краевой части эрозионно-опасного участка. В период мониторинга с апреля по ноябрь 2017 г. максимальное смещение надоползневого уступа на разных участках «цирка» составило от 1 ,5 до 3 м, а площадь эрозионного формирования трещин и оседания превысила 900 м2. В развитии оползня отмечались непродолжительные периоды активизации эрозии на фоне общего ее снижения. Такие периоды связаны с возрастанием выпадения осадков во время затяжных дождей, сопровождаются ростом трещин по протяженности и ширине вдоль кромки борта. Предполагается, что в результате повышения среднегодовой и среднелетней температуры, накопления поверхностных и подземных вод в грунтовых отложениях на территории карьера происходит более существенная активизация оползневых процессов.
Ключевые слова: геомеханический мониторинг, четвертичные отложения, борт карьера, трещиноватость пород, эрозионный процесс, формирование трещин, оседание грунтов.
DEFORMATION MONITORING OF LAND SUBSIDENCE IN QUARRY SIDES
Vladimir F. Yushkin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Leading Researcher, Mining Geophysics Laboratory, phone: (383) 205-30-30, extension 313, e-mail: L14@ngs.ru
The article presents and discusses monitoring results on the formation of landslide dislocations of the erosion-hazardous section of the quarry side containing solid minerals using geodetic methods. It is established that the erosion destruction of the side has been activated during the development of the quarry since 2012. The erosion destruction is a morphologically complex cirque subsidence of quaternary deposits in the form of landslides of the cover type. The landslides are formed by the slip of clay-loamy soils along the ledges of sandstone and siltstones. According to meteorological data the actual thickness of seasonal earth freezing varies from 2 m to 2,5 m, depending on the amount of snow cover, which affects the formation of cracks namely the marginal part of the erosion-hazardous area. During the monitoring period from April to November 2017, the maximum displacement of the above landslide ledge in different sections of the "cirque" was from 1,5 to 3 m. The area of erosion formation of cracks and subsidence exceeded 900 m2. Short periods of activation of erosion were noted against the background of its general decline in the development of the landslide. Such periods are associated with an increase in precipitation during steady rains,
accompanied by the cracks growth along the length and width of the side edge. It is assumed that as a result of an increase in the average annual and average temperature and the accumulation of surface and groundwater in soil sediments in the quarry a more significant activation of landslide processes occurs.
Key words: geomechanical monitoring, quaternary deposit, quarry side, rock fracturing, erosion process, crack formation, land subsidence.
Введение
В связи с производственной необходимостью усиливается изучение влияния структурного фактора на геомеханические процессы в верхних горизонтах четвертичных отложений и полускальных пород бортов карьеров месторождений твердых полезных ископаемых [1-5]. Множатся данные, свидетельствующие о ключевой роли этого фактора в развитии квазистатической и динамической реакции горных пород при их разрушении под влиянием природно-климатических воздействий, образовании подземных полостей, формировании откосов с учетом способов разработки полезных ископаемых [4-10].
Одной из важнейших задач исследования разрушений в четвертичных отложениях бортов карьеров является инструментальное определение параметров развития эрозионных процессов и оседания слабосвязанных грунтов (скорость формирования отслоений, вариации сцепления грунтов и др.), формирования оседаний грунтов под влиянием сезонно-температурных изменений и промерзания, фильтрации и дренажа поверхностных и подземных вод [4, 8-10].
Здесь особую важность приобретают параметры эрозии бортов, определенные по результатам полевых структурно-деформационных исследований оползнеопасного участка, а также измеренные как непосредственно в период оседаний грунта, так и после его завершения. Получение представлений о соотношении и влиянии на динамику эрозионных процессов геологических и тем-пературно-гидрологических факторов обосновывает необходимость и актуальность натурных исследований оседаний грунтов в условиях карьера.
Эксперимент
Измерительный структурно-деформационный мониторинг разрабатываемых открытым способом залежей полезных ископаемых основан на геодезических методах: наземном лазерном сканировании, тахеометрических и GPS измерениях. Лазерное сканирование позволяет создавать реалистичные объемные цифровые модели конкретных участков рельефа геосреды, определять структурные разрезы, осуществлять их интерпретацию, выполнять литологическую привязку. Тахеометрические и GPS измерения позволяют контролировать изменение положений выделенных геоструктур, устанавливать скоростные параметры смещений и деформирования в отложениях пород на разных масштабных уровнях.
Эрозионные оседания грунтов в карьерах формируются в верхних слоях вертикальных откосов бортов четвертичных отложений. Для натурных исследований был выбран оползнеопасный участок на одном из карьеров. В период с апреля по ноябрь 2017 г. проводились наблюдения развития эрозии и формирования отслоений грунта инструментальными методами, которые включали замеры смещений берегов трещин тахеометром, лазерное сканирование, определение оползневых границ по внешним признакам. В целом площадь эрозионно-
Л
го формирования трещин и оседания грунтов за сезон превысила 900 м .
Твердой составляющей оползня являются суглинки и песчано-глинистые породы, расположенные в верхних горизонтах борта карьера. Оползневый поток сформировался на эрозионно-опасном надоползневом уступе протяженностью по фронту вдоль борта ~300 м по прямой, образуя в плане «цирк» по борту радиусом ~150 м, который постепенно развивается в течение нескольких лет. Длина оползня-потока по уступам карьера достигает 600 м, его ширина не превышает 300 м. В верхней части прослеживается хорошо выраженная в рельефе борта вертикальная стенка срыва оползней протяженностью по «цирку» ~500 м, высотой до 10 м. Крутизна стенки на всем протяжении составляет 85-90°.
Стенка отрыва отдельного фрагмента оползневого отслоения имеет, как правило, сложную форму, состоящую из нескольких дуг, уступы высотой до 6-8 м, в верхней части - вертикальные, в нижней - осыпные, иногда перекрытые грунтом. Сход оползня сопровождается шумом. При ширине зоны аккумуляции оползневых отслоений 2,5-3 м, высоте надоползневого уступа порядка 10 м, протяженность каждого отдельного отслоения по периметру «цирка» не превышает 10 м, дальность начального выброса при отделении достигает 5 м, образуя по кромке борта «цирки» небольшого радиуса. Объем оползневого
-5
фрагмента может составлять до 300 м . Несмотря на небольшой объем, высота осевшего блока достигает 8 м, при этом боковые стенки практически вертикальны.
Как правило, зона аккумуляции оползневых отслоений в краевой части массива в основном согласуется с толщей сезонного промерзания грунтов, которая по метеорологическим данным достигает 2-2,5 м в зависимости от величины снежного покрова. На размеры зоны отслоения могут влиять дождевые осадки.
Развитие оползня происходит в основном при ослаблении сил сцепления в отслаиваемой части грунта по схеме сжатия-выдавливания. Начальные деформации грунта при образовании поверхности скольжения связаны со снижением сцепления его частиц при увлажнении, образованием расслоений под действием как бокового отпора, так и набухания грунтов в краевой части борта с выдавливанием и осадкой отделяющихся фрагментов под действием собственного веса. При этом по длине отслоения формируются трещины разрыва.
Под весом вышележащих пластов по мере снижения сил бокового сцепления сжимающее давление может превысить прочность грунта нижележащих слоев, в результате возникает горизонтальное распорное давление. В нижних сечениях уступа периодически происходит разгрузка напряжений, и неуравно-
вешенное боковое давление, перераспределяясь, вызывает поперечные распорные деформации грунта в виде выдавливания в сторону откоса. При этом над деформирующимся слоем в покрывающей толще формируются площадки сдвига, преобразующиеся в наклонно-криволинейные поверхности скольжения, по которым в бортовой части массива отделяются оползневые блоки.
По механизму формирования оползень образуется как отслоением по трещинам растяжения, разрезающим надоползневый уступ с отжатием и выбросом блоков сцепленных грунтов, так и скольжением рыхлых грунтов с элементами вязко-мокрого течения по кровле более крепких пород. Оползневый поток, представляющий скольжение грунтовых масс, имеет в основном аструктурную поверхность, сглаженную в присклоновой западине и лотке вязкого течения. В валах выдавливания поверхность мелкоглыбовая, бугристая, ступенчатая, наклоненная, местами сильно, в сторону карьера, в средней части потока - грядо-во-западинная, с ложбинами, осложнена уступами, крупными трещинами растяжения. В ложбинах оползневые массы могут находиться в обводненном состоянии, местами с водопроявлениями озерного типа.
Обсуждение
Оползень может формироваться постепенно как при фактически полном отсутствии атмосферных осадков (до 3 мм за сутки), когда происходит высыхание грунтов, так и вследствие длительного увлажнения грунтов потенциально оползнеопасного участка борта в периоды сезонного таяния снегов и затяжных дождей. В результате увлажнения грунты достигают предела текучести, силы сцепления между частицами на межкристаллическом уровне существенно снижаются, что инициирует развитие трещин в поровом пространстве структур скелета грунта, способствует переходу их в динамическую фазу (оползневый поток). Отложения в оползневом потоке - в основном глинисто-песчаные, местами суглинисто-супесчаные, иногда с дресвяным заполнителем.
В составе фракций оползневых отложений преобладают мелкозернистые глинистые песчаники размером до 1,5 мм, иногда встречаются слабо-окатанные включения дресвы размером от нескольких до 30-50 мм. Оползень вызывает слом и вынос в зону аккумуляции древесных стволов зеленых насаждений.
Скорость оползня на разных участках может рассчитываться на основе материалов полевых наблюдений по двум методикам:
- по величине скорости смещений берегов трещин;
- по размерам цельных фрагментов оползневых отслоений.
Результаты расчета скорости эрозии борта карьера на разных участках наблюдаемого надоползневого уступа, полученные по данным линейных измерений, показали относительно стабильный разброс значений для разных по ширине участков отслоений борта. Скорость эрозии борта четвертичных рыхлых отложений по «цирку» оползня в результате выброса отслаиваемых блоков и оседаний грунта за 6 месяцев наблюдений составила в среднем 16 мм/сут. Ширина ступенчатых отслоений по «цирку» борта практически не превышала
2,5-3 м. В целом скорость движения потока такого оползня оценивается как умеренная.
Заключение
Геодезические измерения с использованием лазерного сканирования позволяют определить характерные размеры оползневых отслоений, скоростные параметры эрозии борта. При этом следует учитывать ступенчатый характер формирования отслоений, когда происходит образование блоков выброса или выдавливания. Здесь работают два механизма: сдвиговые и транспортно-сдви-говые отслоения. Отделившиеся блоки на участке наблюдения разрушаются, преобразуясь в оползень-поток, постепенно смещающийся по поверхности скольжения без потери контакта с несмещаемым ложем.
Сдвиговые отслоения связаны с трещинообразованием в грунтах в периоды сезонного промерзания и протаивания, когда по фронту промерзания влажный грунт находится в двух состояниях: промерзшем и талом. В результате теплового градиента на границе двух состояний возникают микронапряжения, которые на структурно-кристаллическом уровне грунта способствуют развитию микропор и пор, их группированию, срастанию, зарождению и формированию микротрещин, перерастанию их в трещины. На всех уровнях процесса происходит снижение сил сцепления. Возникающие ослабления способствуют перераспределению как весовых нагрузок, так и бокового отпора.
Увлажнение грунтов в периоды таяния снегов, затяжных дождей и высыхания в периоды практически полного отсутствия осадков также способствуют аккумуляции оползневых отслоений, когда снижение сил сцепления происходит в значительном по объему грунтовом теле.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. О новой шкале структурно-иерархических представлений как паспортной характеристике объектов геосреды / В. Н. Опарин, В. Ф. Юшкин, А. А. Акинин, Е. Г. Балмашнова // ФТПРПИ. - 1998. - № 5.
2. Особенности разрушения одномерной модели блочных сред при длительном одноосном нагружении / В. Ф. Юшкин, В. Н. Опарин, В. М. Жигалкин, Б. Ф. Симонов, В. В. Ар-шавский, А. П. Тапсиев // ФТПРПИ. - 2002. - № 4.
3. Формирование объемной цифровой модели поверхности борта карьера методом лазерного сканирования / В. Н. Опарин, В. А. Середович, В. Ф. Юшкин, С. А. Прокопьева, А. В. Иванов // ФТПРПИ. - 2007. - № 5.
4. Простов С. М., Смирнов Н. А., Гамаюнова Е. В. Прогноз устойчивости участков борта угольного разреза, расположенных в зоне гидродинамического влияния гидроотвала // Физические процессы горного производства. - 2009. - № 5.
5. Юшкин В. Ф. Методы трехмерного моделирования породных массивов в исследованиях геомеханических свойств при ведении горных работ // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 3. - С. 293-297.
6. Открытие № 400. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок / Е. И. Шемякин, М. В. Курленя, В. Н. Опарин, В. Н. Рева и др. // БИ. -1992. - № 1.
7. Геомеханический мониторинг временной крепи железнодорожного тоннеля, проходимого в сложных горно-геологических условиях юга Западной Сибири / В. Н. Опарин, В. Ф. Юшкин, Г. Н. Полянкин, А. Н. Гришин, А. О. Кузнецов, Д. Е. Рублев // ФТПРПИ. -2015. - № 4.
8. Юшкин В. Ф. Методические аспекты мониторинга нарушенности скального массива // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 4. - С. 104-108.
9. Юшкин В. Ф. К проблеме построения 3D моделей структурного мониторинга блочных геосред // Тр. Всеросс. конф. «Проблемы развития горных наук и горнодобывающей промышленности» (3-6 октября 2016 г.). - Новосибирск : Изд-во ИГД СО РАН, 2016.
10. Юшкин В. Ф. О возможном механизме смещений грунтов борта карьера // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Экономика. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 2. - С. 189-193.
© В. Ф. Юшкин, 2018
