CC BY
30
УДК [622.1:528 + 550.3]:624.131.1
DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.034
Dalatkazin. Timur Sh.
candidate of technical sciences, The Institute of Mining UB RAS 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st. e-mail: [email protected]
Далатказин Тимур Шавкатович
кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории сдвижения горных пород, Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОПОЛЗНЕЙ В КОРШУНОВСКОМ КАРЬЕРЕ
Аннотация:
По мере повышения интенсивности освоения верхней части земной коры наблюдается рост количества аварийных деформаций горного массива на ответственных объектах недропользования, что определяет необходимость пересмотра идеологии проектирования, инженерно-геологических изысканий, внедрения в традиционный комплекс диагностики современных, разработанных на основании новых фундаментальных научных знаний методов исследований. Рассмотрены результаты инженерно-геологических исследований горного массива Северного борта Коршуновского карьера, где десятилетиями происходили оползневые процессы, причины которых оставались неразгаданными. Комплекс диагностики, разработанный на основе синерге-тического подхода к изучаемому вопросу, и исследование геодинамической ситуации с использованием современных научных технологий позволили определить механизм формирования оползней и путь решения проблемы.
Ключевые слова: синергетика, самоорганизация, современная геодинамика, горный массив, оползень, разрывное нарушение, тиксотропия
FORMING LANDSLIDES RESEARCHES IN THEKORSHUNOVSKY OPEN PIT
Abstract:
In the process of increasing the intensity of Crust top of the top layer development the growth of emergency deformations rock mass number on responsible subsurface use objects is observed that defines the need in engineering-geological researches ideology revision, introducing modern methods of researches in terms of new fundamental scientific knowledge into traditional complex diagnostics. The results of engineering-geological researches of rock mass in the Korshunovsky pit Northern board, where the reasons of constant landslide processes remained unknown.
Mechanism of landslides formation and problem solution have been defined owing to studying rock mass in terms of synergetric principles basis appli-cating up-to-date methods of researches.
Keywords: synergetrics, self-organization, modern geo-dynamics, rock mass, landslide, explosive violation, thixotropy
Введение
Опыт исследований неожиданных деформаций горного массива на объектах недропользования, как правило, выявляет синергизм формирования механизма подготовки и реализации аварийного события. Слово синергетика происходит от латинского слова «sinergia», которое означает совместное взаимодействие. Сегодня синергетику понимают как междисциплинарное знание, совокупность знаний о закономерностях самоорганизации, нелинейности, хаосе и порядке при изучении объектов, являющихся открытыми системами, взаимодействующими между собой и окружающей средой путем обмена энергией, информацией, веществом. Синергетика также изучает взаимосвязи различных факторов, определяющих процесс эволюции объекта, называемого самоорганизацией [1]. Использование принципов синергетики и новейших методов исследования в повседневной практике изысканий позволит существенно повысить качество инженерно-геологического прогнозирования.
Показательным примером с точки зрения прикладного использования принципов синергетики в инженерной геологии являются исследования процесса оползнеобразова-
ния в Коршуновском карьере одноименного железорудного месторождения. Здесь, в северо-западном борту карьера, периодически, начиная с 1975 года, происходят крупные оползни при углах наклона борта 22°. По всем расчетным оценкам скальные осадочные породы, слагающие этот борт, должны обеспечивать его устойчивость при углах 28 - 30° с нормативным запасом устойчивости 1,3. Взаимосвязь оползнеобразования с временами года отсутствует. Многочисленные исследования, выполненные по всем правилам традиционными методами, так и не раскрыли причины и механизм оползнеобразования.
В 2007 г. Институтом горного дела УрО РАН под руководством А.Д. Сашурина выполнена комплексная, разработанная на принципах синергетики структурно-геодинамическая диагностика, по результатам которой был наконец определен механизм формирования оползневого процесса и пути борьбы с ним.
Геологические условия оползневого участка Коршуновского карьера
Оползнеопасный участок расположен на Северном борту Коршуновского карьера в зоне широтного разлома мощностью около 500 м.
Северный борт Коршуновского карьера в верхней и средней частях сложен слоистыми породами усть-кутской и верхоленской свит, а в нижней части - туфогенными образованиями.
Породы усть-кутской свиты представлены чередующимися пачками толстослоистых известняков, известняковых песчаников и тонкоплитчатых разновидностей этих пород с прослоями алевролитов, аргиллитов, мергелей, глин. Отмечаются скарнирован-ные жилы. В основании породы усть-кутской свиты имеют более низкие прочностные характеристики, чем вверху. Породы усть-кутской свиты залегают с углом падения 10 - 12° в сторону выработанного пространства карьера. На контуре карьера в нагорной части их мощность составляет 80 - 90 м (рис. 1).
Средняя часть Северного борта сложена породами верхоленской свиты: аргиллитами, алевролитами и мелкозернистыми песчаниками. В нижней части Северного борта залегают в основном туфогенные образования. В тектонических зонах породы разрушены до состояния дресвы, брекчии, глины.
Глины отмечаются по всему разрезу Северного борта. Они заполняют межблочное пространство. Вещественный состав глин определяет их особенности и принципиально важен. По данным В.Г. Зотеева, на Коршуновском месторождении глинистая фракция выветрелых пород представлена монтмориллонитом и гидрослюдами.
Характерным признаком минералов монтмориллонитовой группы (да{Mgз[Si4Olo][OH]2}•p{Al,Fe)2[Si4Olo][OH]2}•и H2O) является переменное содержание в них воды, сильно изменяющееся в зависимости от влажности окружающей среды. Вода легко проникает в кристаллическую решетку монтмориллонита, раздвигает ее и обусловливает сильную его набухаемость.
Гидрослюды являются промежуточным продуктом выветривания слюд. Разрушение кристаллической решетки слюд (на примере мусковита K Al2 2Al Siз Olo) происходит по схеме замещения ионов калия (К+1) на связанные молекулы воды (Н2О). Кристаллическая структура гидрослюды незначительно отличается от структуры слюды и является переходной к структуре монтмориллонита. Имеет место переслаивание пакетов слюд с пакетами монтмориллонита.
Молекулы Н2О располагаются в межпакетных пространствах, т. е. проникают вдоль плоскостей, разграничивающих плоские пакеты кристаллической структуры. Каждый пакет с обеих сторон на внешних плоскостях содержит гидроксильные ионы и, следовательно, пакеты примыкают друг к другу по поверхностям. Поэтому при проникновении воды происходит раздвижение этих пакетов. При этом межплоскостные расстояния кристаллической решетки могут колебаться в значительных пределах - от 9,6 до 28,4 ангстрем в зависимости от количества молекул Н2О, участвующих в кристаллической структуре минерала.
Таким образом, характерным признаком для монтмориллонита и гидрослюд является переменное содержание в них воды, сильно изменяющееся в зависимости от влажности окружающей среды: из-за особенности строения кристаллической решетки монтмориллонит и гидрослюды очень гидрофильны и, как следствие, тиксотропны. Под тиксотропией понимается физико-химическое явление, возникающее в дисперсных породах и выражающееся в их разжижении и практически полной потере прочности под влиянием внешних динамических воздействий и быстром восстановлении прочности при снятии внешних воздействий. Такие обратимые явления характерны для пород, обладающих структурными связями, обусловленными непосредственным взаимодействием частиц и агрегатов между собой. Эти связи отличаются малой прочностью, мобильностью и обратимостью. Степень тиксотропного разупрочнения зависит от внешних и внутренних факторов. К внешним факторам относятся параметры динамического воздействия на горный массив. К внутренним факторам относятся дисперсность породы, ее минеральный состав и влажность. Тиксотропия проявляется под воздействием современных геодинамических процессов, взрывов, движения транспорта и т.д. [2, 3, 4].
В Северном борту карьера находится гидротехнический тоннель, по которому из карьерного поля отведена река Коршуниха. При обследовании тоннеля было установлено, что монолитная железобетонная крепь на участке разломной зоны трещинами разрыва разбита на отдельные секции длиной 7 - 10 м, из которых в тоннельное пространство поступают подземные воды, иногда фонтанируя под давлением. Это свидетельствует о высокой степени геодинамической активности разломной зоны.
По сведениям Н.И. Ермакова, очевидцы, непосредственно наблюдавшие оползни Северного борта карьера Коршуновского месторождения, отмечали, что они, по сути, являлись селями [5]. Для селеобразования определяющее значение имеют тиксотроп-ность и плывунчатость горных пород.
Методы исследований
Лабораторными испытаниями с использованием пенетрометра Разоренова установлено, что глинистые породы горного массива оползневой зоны (гор. 345) и тела оползня при влажности от 20 до 40 % проявляют тиксотропные свойства с коэффициентами чувствительности от 1,05 до 1,97. Результаты испытаний приведены в табл. 1. Порода считается тиксотропной при значении величины тиксотропного упрочнения больше 1. Лабораторные испытания показали, что уже при влажности 0,200 д.е. порода, отобранная из оползня (переотложенный алеврит) обладает тиксотропными свойствами (величина тиксотропного упрочнения 1,96).
Кроме того, проба № 1 при заданной влажности 0,4 д.е. приобрела свойства плывуна. Даже при незначительном встряхивании наблюдалось разжижение породы.
Геофизические исследования структурных особенностей массива северо-западного борта выполнены с использованием методов ССП (спектральное сей-смопрофилирование) геоэлектрическим методом в варианте срединного градиента [6, 7] . С целью выявления подвижных разрывных структур и предварительного геодинамического районирования была выполнена эманационная радоновая съемка.
Радонометрия обладает уникальными для геодинамической диагностики возможностями, поскольку, согласно современным научным представлениям, геодинамическая активность участвует в формировании поля радоновых эманаций. При этом радономет-рия фиксирует весь частотный диапазон современной геодинамической активности. Основными геодинамическими факторами формирования поля радоновых эманаций являются
- разрыхление и разуплотнение пород, образование новых трещин, подновление и расширение уже существующих за счет современной геодинамической активности;
- активизация процесса эманирования радона в результате вибровоздействия на горные породы, вызванного полем напряжений в массиве.
Таким образом, интенсивность выделения радона определяется степенью современной геодинамической активности. Это позволяет использовать поле радоновых эма-наций для обнаружения подвижных разрывных нарушений и районирования горного массива по степени современной геодинамической активности [8, 9, 10].
Таблица 1
Результаты лабораторных испытаний тиксотропных свойств пород
№ проб ы Место отбора пробы Влажность, W, д.е. Плотность породы, p, г/см3 Удельное сопротивление пенетрации, мгновенное, кг/см2 Удельное сопротивление пенетрации через 10 суток, кг/см2 Величина тиксотропного упрочнения
1 Северозападный борт, гор. 345 0,304 1,94 0,20 0,21 1,05
2 Северозападный борт, гор. 345 0,341 1,71 0,30 0,59 1,97
3 Из оползня 0,391 1,69 0,19 0,20 1,05
4 Из оползня 0,360 1,77 0,34 0,64 1,88
5 Из оползня 0,315 1,85 0,14 0,23 1,64
6 Из оползня 0,200 1,85 0,26 0,51 1,96
Примечание. Испытания проводились из отсева фракции менее 2 мм при заданной влажности
Согласно результатам радонометрических исследований в варианте эманацион-ной съемки в оползневой зоне были выявлены две подвижные системы разрывных нарушений:
- с азимутом простирания 355о;
- с азимутом простирания 11о (рис. 1).
Рис. 1 - Результаты радонометрических исследований на Северном борту
Коршуновского карьера
Согласно результатам электроразведки и спектрального сейсмопрофилирования массив горных пород в оползневой зоне имеет блочную структуру. Межблочные шовные зоны заполнены выветрелыми до глинистого состояния породами.
Наблюдения с применением технологий спутниковой геодезии GPS в районе оползневой зоны показали высокий уровень современной геодинамической активности.
Исследованиями последних десятилетий выявлены два вида современных геодинамических движений - трендовые и цикличные, которые придают массиву горных пород земной поверхности постоянную подвижность, выступающую как естественная форма существования геологической среды.
Относительное перемещение блоков происходит по разрывным нарушениям.
Трендовые движения сохраняют на относительно продолжительных промежутках времени направление и скорость смещения. Трендовые движения, укладывающиеся в продолжительные геологические и исторические временные рамки, известны давно [11, 12, 13].
Работами Ю.О. Кузьмина (Институт физики Земли РАН) выявлены цикличные геодинамические движения. Цикличные движения имеют периодические знакопеременные изменения направления движения и характеризуются частотой циклов и амплитудой перемещения в цикле [14].
В районе Северного борта Коршуновского карьера короткопериодные цикличные геодинамические движения вызывают до 20 - 25 цикличных нагружений массива в час с амплитудами 0,2 - 0,3 МПа. Длиннопериодные цикличные геодинамические движения обусловливают здесь изменения напряжений в массиве за годичный цикл до 0,3 - 0,5 МПа. А за 30-летний период изменения напряжений достигают 2 - 3 МПа.
Анализ гидрогеологической ситуации исследуемого массива показал, что на участке Северного борта сформировались условия для переувлажнения глинистых, характеризующихся склонностью к проявлению тиксотропии пород, межблоковых шовных зон горизонтальной и вертикальной ориентировки залегания.
Результаты исследований
По результатам комплексной диагностики была подтверждена гипотеза механизма оползнеобразования, наблюдаемого в пределах Северного борта карьера. Под влиянием современных короткопериодных геодинамических движений переувлажненные, характеризующиеся тиксотропным разупрочнением глинистые породы, заполняющие межблоковые пространства, находятся в неустойчивом, потенциально текучем состоянии. Далее длиннопериодные цикличные нагружения в определенный момент, когда параметры системы приобретают «благоприятные» значения, в так называемой точке бифуркации переводят подготовленный массив в селеобразные оплывины. Понятие бифуркация происходит от латинского «бифуркус» - развилка, двузубый. В точке бифуркации происходит изменение стратегии развития.
Таким образом, оползнеобразование на Северном борту Коршуновского карьера определяют три фактора:
1. Увлажнение глинистых, склонных к тиксотропному разупрочнению глинистых пород.
2. Воздействие на массив короткопериодных цикличных геодинамических нагрузок, поддерживающих глинистые, гидрослюдисто-монтмориллонитовые породы в неустойчивом состоянии.
3. Периодические длиннопериодные цикличные геодинамические движения, как спусковой механизм, вызывают сползание подготовленного массива в виде масштабных оплывин.
Природа перечисленных факторов, формирующих оползневые процессы в Кор-шуновском карьере, позволяет реально воздействовать только на гидрогеологический режим с целью уменьшения увлажнения глинистых пород.
Выводы
В качестве причин оползней и обрушений предыдущими исследователями определялись все возможные факторы, сопровождающие рассматриваемую ситуацию, от структуры и свойств пород, слагающих оползневой участок, до техногенного увлажнения и воздействия массовых взрывов. Безусловно, все они имеют место и на проблемном участке, и на любом другом участке бортов карьера. Но ни один из приведенных факторов сам по себе не является единственно определяющим. Так, рекомендованные меры по стабилизации оползневого участка - приведение углов откоса борта и его уступов в соответствие с конкретными условиями данного участка (структурой, физико-механическими свойствами и др.); сооружение нагорной канавы для предотвращения увлажнения от ливневых и паводковых вод; проведение гидроизоляции трещин в нагорной части борта, препятствующей проникновению воды в массив; применение специальной технологии взрывных работ в приконтурной зоне, снижающей действие взрывов на массив пород законтурной области и др., не решили существа проблемы.
Использование принципов синергетики при анализе реальностей существования изучаемого массива как сложной и открытой системы, находящейся в процессе самоорганизации, основанном на постоянном стремлении к устойчивому состоянию, определило гипотезу механизма оползнеобразования в Коршуновском карьере и конкретный междисциплинарный состав комплекса примененной диагностики. Использование традиционных и современных научных методов исследований, разработанных на основе новейших фундаментальных знаний о процессах, происходящих в горном массиве, позволило подтвердить гипотезу механизма оползнеобразования на объекте исследований и пути борьбы с этой хронической многолетней проблемой.
Литература
1. Андреев А.А. Философские аспекты синергетики / А.А. Андреев // Вестник Южно-Уральского государственного университета. - 2008. - Вып. № 21(121).
2. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология / В.Д. Ломтадзе. - Л.: Недра, 1970. - 528 с.
3. Бетехтин А.Г. Курс минералогии / А.Г. Бетехтин // ГНТИ литературы по геологии и охране недр. - М., 1956. - 558 с.
4. Далатказин Т.Ш. Литологические особенности горного массива г. Березовский в прогнозе активизации процесса сдвижения горных пород в случае затопления подземного рудника / Т.Ш. Далатказин // Проблемы недропользования [Электронный ресурс]: рецензируемое сетевое периодическое научное издание / ИГД УрО РАН. - 2016. -№ 3(10). - С. 5 - 8. Режим доступа: //trud.igduran.ru
5. Роль тектонических деформаций породного массива в формировании оползневых явлений на Коршуновском карьере / А.Д. Сашурин, А.В. Яковлев, Н.И. Ермаков, А.А. Панжин, А.В. Наумов // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2003.- № 2.- С. 193 - 196.
6. Сашурин А.Д. Решение задачи устойчивости бортов в целях защиты потенциально опасных участков транспортных берм карьеров / А.Д. Сашурин, В.В. Мельник, А.А. Панжин // Инженерная защита. - 2015. - № 2 (7). - С. 80 - 86.
7. Мельник В.В. Исследование причин деформирования инженерных сооружений / В.В. Мельник // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2014. - № 2. -С. 161 - 167.
8. Далатказин Т.Ш. Взаимосвязь уровня радоновой эмиссии с современной геодинамикой и тектоническими зонами / Т.Ш. Далатказин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - № 2. - С. 212 - 215.
9. Далатказин Т.Ш. Диагностика современной геодинамической активности горного массива при строительстве и эксплуатации ответственных объектов / Т.Ш. Далатказин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005. - № 11.- С. 120 - 123.
10. Далатказин Т.Ш. Экспериментальные исследования возможности использования радонометрии для геодинамического районирования / Т.Ш. Далатказин, Ю.П. Коновалова, В.И. Ручкин // Литосфера. - 2013. - № 3. - С. 146 - 150.
11. Панжин А.А. Мониторинг геодинамических процессов на предприятиях и урбанизированных территориях / А.А. Панжин, Н.А. Панжина // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - № 3. - С. 171 - 182.
12. Панжин А.А. Диагностика геодинамической активности массива горных пород геодезическим методом / А.А. Панжин // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: сборник науч. трудов междунар. конф. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2004.
13. Сашурин А.Д. Исследование геодинамических процессов с применением GPS-технологий / А.Д. Сашурин, А.А. Панжин, Ю.П. Коновалова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. - № 7.
14. Усанов С.В. Геодинамические движения горного массива при техногенном воздействии крупного горно-обогатительного комбината / С.В. Усанов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - № 11. - С. 248 - 255.
15. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании / Ю.О. Кузьмин. - М.: Агентство экологических новостей, 1999. - 220 с.
