CC BY
119
----------------------------------- © В.И. Пушкарев, О.С. Колесатова,
2004
УДК 622.271.333
В.И. Пушкарев, О. С. Колесатова
ОЦЕНКА И КОНТРОЛЬ ДЕФОРМИРУЮЩИХСЯ БОРТОВ КАРЬЕРА «ЮБИЛЕЙНЫЙ»
Семинар № 13
1ТЛ онтроль состояния массива горных
XV пород в откосах предусматривает систематические инструментальные наблюдения за деформациями уступов и земной поверхности, прилегающей к борту. Наиболее сложным вопросом этой комплексной задачи является интерпретация результатов наблюдений, т.е. оценка степени опасности наблюдаемых деформаций для фактического состояния борта и прогноз его устойчивости.
На основе обобщения результатов многолетних наблюдений за деформациями бортов установлены следующие признаки деформирования прибортовых массивов в зависимости от степени их устойчивости: при коэффициенте запаса устойчивости борта п>1,30 прибортовой массив испытывает преимущественно упругие деформации, при этом величины горизонтальных относительных деформаций растяжения е не превышают 1 • 10-3 (1 мм/м). При п = 1,20 -1,25 наблюдаются затухающие во времени деформации с величинами е = (2 - 5) • 10-3 , а общие смещения прибортовой поверхности достигают 50 - 100 мм и более; преобладающей вектора смещения является его горизонтальная составляющая. При п = 1,10 - 1,15 прибортовая полоса земной поверхности испытывает значительные деформации с усредненной величиной е = (10 - 30) 10-3 и появлением на ней видимых трещин и заколов; общие смещения, преимущественно вертикальные, могут достигать 1 - 2 м; деформации во времени также затухают. При снижении коэффициента запаса устойчивости до 1,05 и менее борт со временем разрушается (оползает).
В развитии оползневого процесса, как и при испытании образцов горных пород на ползучесть, выделяют три основных стадии деформирования прибортового массива: начальная с неустановившейся и затухающей скоростью; равновесная с установившейся скоро-
стью и активная с прогрессирующей скоростью.
Очевидно, что степень опасности наблюдаемых деформаций для состояния борта может быть надежно оценена с учетом двух критериев: наблюдаемых скоростей развития процесса деформирования и предельных деформаций конкретного массива. При этом исходят из принципиального положения: если наблюдаемые скорости затухают во времени, а их величины не превышают 1 - 2 мм/сут., то угрозы разрушения борта не существует; при постоянной скорости смещения возникает реальная возможность разрушения борта; при постоянно возрастающей скорости смещения борт неизбежно оползет. Здесь наиболее ответственным является прогнозирование и описание стадии прогрессирующего разрушения.
При ведении горных работ на деформирующихся бортах величина предельной скорости смещения прибортового массива установлена в [1,2] равной 3 - 4, иногда до 10 мм/сут. без достаточной дифференциации инженерногеологических условий, поэтому ее среднее значение 4 мм/сут. не всегда является критическим. И если не известна величина предельной деформации борта, то можно прийти к ошибочным выводам в определении времени до его обрушения. Действительно, параметры и условия устойчивости борта не остаются постоянными - горные работы понижаются, зона максимальных касательных напряжений в массиве смещается в область других инженерногеологических условий, изменяется гидрогеологическая обстановка и т.д. Следовательно, изменение во времени наблюдаемых скоростей деформирования будет иметь скачкообразный характер и, не зная предельных деформаций конкретного массива, результатами наблюдений воспользоваться трудно. Кроме этого, в определенных горно-геологических условиях существенные «мгновенные» скачки в дефор-
мациях бортов отнеся эти деформации к более длительному промежутку времени, получим резкое увеличение скорости смещения. Поэтому такой характер увеличения скорости в [3] назван ложным признаком прогрессирующей ползучести.
Относительно предельных скоростей смещения прибортового массива (3 - 6 мм/сут.) характерны следующие примеры из практики. Так, многолетними инструментальными
наблюдениями деформирующегося борта при горизонтальном залегании слоев на разрезе «Кумертауский» (Башкортостан) скорость
установившейся ползучести была определена равной 9 мм/сут. (критическая скорость в
соответствии с [1] должна быть в 3 - 4 раза выше). Скорость установившегося смещения современных оползней склонов Киргизии достигает 15 - 20 мм/сут. [3]. При отработке зарождающегося оползня объемом около 40 млн. м3 рабочего борта разреза «Ангренский» (Узбекистан) допускались скорости смещения его средней части до 20 мм/сут. Критическая скорость смещения прибортового массива в условиях угольного разреза «Марица-Восток» (Болгария) при горизонтальном залегании слоев составляла 2 мм/сут. [2]. Таким образом, к оценке степени опасности наблюдаемых скоростей деформаций для устойчивости бортов должен быть индивидуальный подход, причем только в сочетании с величиной предельной деформации конкретного массива.
Предельную величину деформации и, соответственно, время до обрушения борта в [2,3] рекомендуется определять по предельным деформациям образцов горных пород, полученным стандартными или длительными испытаниями в соответствующих приборах. Понятно, что эти деформации будут отличаться от предельных деформаций трещиноватого массива, при этом неучтенными окажутся предельные деформации по контактам слоев, условия устойчивости деформирующегося борта на флангах и другие факторы. Следовательно, определяющим критерием состояния деформирующегося участка борта должна быть наблюдаемая скорость смещения массива (без учета скачков в деформациях), а общая величина смещений должна сравниваться с ранее наблюдаемых в аналогичных условиях.
На рудных месторождениях Урала зона выветривания горных пород нередко распространяется на глубину до 100 - 150 м. На границе с размытой поверхностью коренных пород она
часто ослаблена контактом, представленном маломощными водонасыщенными глинами с низким коэффициентом трения. Понятно, что в коренных в скальных и полускальных породах угол наклона борту задается технически максимально возможный, в слабых породах - рассчитывается и предопределяется их прочностью. Такие геологические условия характерны для месторождения Юбилейное.
Для Юбилейного месторождения характерны скальные и полускальные вулканогенные породы, перекрытые мощной (до 70 - 80 м) толщей песчано-глинистых и гравийно-галечно-валунных отложений.
По крепости и устойчивости выделяются четыре группы пород: рыхлые (сыпучие), связанные (глинистые), полускальные и скальные.
К первой группе (весьма неустойчивые несвязные породы) относятся песчаные и песчано-гравийно-галечные отложения средней
юры, ко второй группе (неустойчивые породы), четвертичные суглинки, неогеновые пестро цветные и среднеюрские глины, глинистая кора выветривания, к третьей_группе (ограниченно устойчивые порода) - полускальные рудовмещающие породы и руды. Породы изменены выветриванием и гидротермальными процессами. Прочность пород на одноосное сжатие до 300 кг/см2.
К четвертой группе (устойчивые породы) -скальные рудовмещающие затронутые или незначительно затронутые процессами метаморфизма вулканогенные породы (предел прочности на сжатие более 300 кг/см2) крепкие руды.
Наибольший интерес представляет верхняя часть борта высотой до 90 м, которая находится в неблагоприятных условиях слабых и обводненных песчано-глинистых пород.
В 1995 году Юго-Восточной экспедицией был выполнен значительный объем по изучению физико-механических свойств комплекса слабых пород. Были получены следующие физикомеханические характеристики горных пород: в образце - сцепление - К^, угол внутреннего трения - рк, коэффициент длительной прочности - [X, предельные деформации сдвига - є, в массиве -коэффициент структурного ослабления - А; сцепление - Кш, угол трения - рш, угол трения и сцепление по наиболее слабому контакту соответственно - р и К, а также плотность пород -у [4]. Результаты были проанализированы, обобщены и усреднены.
К расчету деформирующегося борта двумя методами
Из этих результатов можно заключить следующее:
1. Средневзвешенные значения характеристик сопротивления сдвигу комплекса слабых пород в образце Кк= 3.37 кгс/см2, рк=22°,
/и = 0.70 [5].
2. Коэффициент структурного ослабления глин изучался натурными испытаниями и способом по наблюдениям за микродеформациями 10-метровых уступов, среднее значение, которого получилось равным 0.45. Этот коэффициент можно рассчитать и косвенным способом по известной формуле проф. Г.Л. Фисенко:
1
Л = -
І
і я’
a in—
l
(І)
где Н - общая высота откоса, м; I - линейный размер структурного блока, м; а - коэффициент, зависящий от прочности пород в образце и характера трещиноватости. Трещиноватость вскрытых глинистых пород на карьере «Юбилейный» - от неупорядоченной до нормально секущей и поэтому коэффициент а = 0.5. Средний линейный размер структурных блоков - до 30 см. Тогда коэффициент структурного ослабления для 10-метрового откоса Л1’0 = 0.36.
Кроме этого отметим, что для слабых песчано-глинистых пород величины их углов трения в образце и в массиве совпадают, что не всегда выполняется для крепких пород.
3. От наличия в массиве поверхностей ослабления с низкими характеристиками сопротивления сдвигу зависят характер деформирования откосов и их предельные параметры.
Если учесть достаточно высокое трение в гравелитах и в выветренных серецито-хлоритах, незначительную высоту борта в слабых породах, то вероятность деформирования прибортового массива по контактам должна быть ниже вероятности его деформирования вкрест наслоения, но полностью не исключается.
Таким образом, оценку степени устойчивости бортов необходимо вести по двум схемам расчета ВНИМИ - по пятой (квазиизотропный массив) и по девятой (когда в верхней части
борта потенциальная поверхность скольжения проходит вкрест наслоения пород, в нижней -совпадает с наслоением) (см. рис. 1) [1]
В этих условиях в верхней части борта потенциальная поверхность скольжения пойдет вкрест наслоения пород, а в нижней, претерпевшая излом под углом в , будет совпадать с слабым контактом. Угол в определяется по формуле:
. п І. І . fsin
"7 + 7(Р~РЇ“Тarcsinl ------I-
4 2 2 I sin pi
(2)
При таком положении поверхности скольжения ограниченный ею массив делится на два участка - нижний, называемый призмой упора, и верхний, называемый призмой активного давления. Верхняя призма давит на нижнюю с силой Е, направленной параллельно поверхности скольжения призмы в ее нижней части. Реакция Е рассчитывается по формуле:
Е =XTg - tgpZ Ng -К X lg •
(3)
где Tg, Ng, lg - соответственно касательные,
нормальные силы и площадь (длина) поверхности скольжения выделенного блока пород в призме давления.
Откос будет в равновесии, если
(E ■ sin в + XNy )tgp' + Kly + Y,Ty = E cos в, (4) Ty, Ny, ly - соответственно касательные, нормальные силы и площадь поверхности скольжения выделенного блока в призме упора.
Коэффициент запаса устойчивости, при горизонтальном и обратном пологом залегании слоев, можно рассчитать по следующей приближенной формуле:
п = 1.00 +
[Е8ш# + ^NУ§р'+ -Е+ Следовательно, величина Ап =0.07 для кон-
1т;
(5)
При определении нормальных составляющих веса «элементарных» блоков с учетом гидростатического давления плотность пород в пределах между их основаниями и пьезометрической кривой уменьшается на единицу.
Следует отметить, что призму активного давления со стороны откоса более правильно следует ограничивать не вертикальной, а наклонной плоскостью под углом 90 - р к плоскости скольжения вкрест наслоения пород в точке ее излома. Расчет по формуле (4), естественно, не учитывает реакции между смежными блоками, но они легко учитываются расчетом методом многоугольника сил.
Так как для этого месторождения характерны сложные гидрогеологические условия, оценим устойчивость «сухого» и обводненного борта. Степень устойчивости однородного «сухого» борта может быть оценена двумя методами - алгебраического сложения сил по криволинейной поверхности скольжения и более точным методом многоугольника сил. Устойчивость обводненных бортов последним методом рассчитывается весьма сложно. Чтобы повысить точность расчетов обводненных бортов наиболее простым первым методом, необходимо сравнить их по точности для конкретных горно-геологических условий.
Высота борта Н = 85 м при а = 20 . По формуле (2) угол потенциальной поверхности скольжения в = 33°.
«Сухой» борт. По формуле (3) Е = 2821 т. По формуле (5) п'сух = 1.30. Фактический коэффициент запаса устойчивости борта
псух = +Ап = 137 .
Фильтрующий борт, с учетом подтопленной нижней части борта (под депрессионной кривой, построенной для случая открытого дренажа прибортового массива) по формуле (3) Е = 3000 т. По формуле (5) п'откр = 1.13. Фактический коэффициент запаса устойчивости фильтрующего борта при открытом дренаже
пошкр = Кмхр +Ап = 120
Для контроля вычисленного значения величины Ап на рис.1 построен многоугольник сил при псух = 1.37. Многоугольник замкнулся.
кретных условии установлена, верно.
Таким образом, устойчивость рабочего борта с углом наклона до 20 в любом случае обеспечивается.
В заключении необходимо подчеркнуть, что расчеты выполнялись для худших условий устойчивости борта. Это касается, прежде всего, состава отложений коры выветривания. Эти отложения содержат свободную капиллярную воду, которая не дренируется обычным способом, но передает на горную породу гидростатическое давление, уменьшающее устойчивость откосов.
Следует заметить, что ни в одном из нормативных документов не рассмотрено влияние на характер и предельную величину деформирования условий устойчивости откосов на флангах, т.е. во всех случаях решается плоская задача. Н0 в практике отрытых горных работ чаще всего деформируются (оползают) участки бортов ограниченного простирания в плане в связи с неоднородностью строения массива по площади месторождения. Степень устойчивости таких участков бортов отличается от рассчитанной из условия плоской задачи [6]. При этом, величины «мгновенных» и предельных деформаций поверхности борта зависят не только от его высоты, но и от длины. Характерным параметром зависимости является отношение длины борта £ к его наклонной высоте #н. При £ /Дн - 3 деформации «зажатого» борта и «бесконечного» простирания в плане примерно равны.
Поскольку предельные (критические) деформации прибортового массива предрассчи-тать практически невозможно, то на основании результатов изучения характера деформирования откосов на моделях из эквивалентных материалов [3], систематизации результатов многолетних натурных наблюдений ВНИМИ, а также обобщения данных [7,8,9] представляется возможным установить внешние характерные признаки и общие критерии оценки состояния бортов в зависимости от прочности прибортового массива (угла наклона борта) и
отношения £ /Дн.
Под оптимальным углом наклона борта понимается такой, при котором деформации земной поверхности не влекут за собой заметных деформаций наклонной поверхности борта, и в пределах призмы возможного обрушения нет охраняемых сооружений.
Рабочий борт с этим же углом наклона нельзя считать устойчивым, поскольку при развитии горных работ незначительное изменение в неблагоприятную сторону инженерногеологических условий приведет к его оползанию. Критерии оценки позволяют также установить на какой стадии развития деформаций борта достаточно визуального контроля его состояния и когда обязательна постановка инструментальных наблюдений, результаты которых могут быть оценены известными методами.
В заключение отметим, что различий в характере накопления деформаций верхней площадки квазиизотропных (однородных) откосов «бесконечного» простирания, ограниченных прямолинейных и вогнутых в плане не наблюдается - деформации растут монотонно, их составляющие примерно равны, а после образования незначительных трещин откос обрушается практически мгновенно. Следовательно, измерения деформаций таких откосов должны отли-
1. Методические указания по определению углов наклонов бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров // Фисенко Г.Л., Сапожников В.Г., ПушкаревВ.И и др. //. - Л.: ВНИМИ, 1972.
2. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. - С.-Петербург: ВНИМИ, 1998. - 208 с.
3. Пушкарев В. И. Расчет оптимальных параметров бортов глубоких. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1983. - 34 с.
4. Зобнин В.И., Свистунова С.К. Отчет по НИР «Обоснование углов погашения бортов карьера «Юбилейный». - Унипромедь, Екатеринбург, 1993.
5. Инструкция по расчету устойчивости бортов разрезов при их ликвидации и обеспечению сохранности прилегающих к разрезам территорий // Фисенко ГЛ., Сапожников В.Г., Пушкарев В.И. и др. //. - Л.: ВНИМИ, 1997.
6. Пушкарев В. И., Сапожников В. Т., Абрамов Б. К. Устойчивость «зажатых» прямолинейных участков бортов
чатся высокой точностью. Время до обрушения откоса рассчитывается по [1,2].
Мгновенный срыв оползней происходит и при крутом падении контактов в сторону выемки. Чем меньше отличие угла падения контакта от угла трения контактирующих пород, тем больше вероятность мгновенного срыва тела оползня.
Отметим также, что при проходке карьерной выемки, особенно в породах с наличием тектонического поля напряжений, происходит нарушение естественного напряженного состояния прибортовой части массива с образованием так называемых трещин бокового отпора (разгрузки) в зоне мощностью до 50 - 100 м. Однако такие зоны формируются, в основном, в скальных породах и визуально практически не наблюдаются в песчано-глинистых [10]. Поэтому появление трещин на поверхности борта, сложенного слабыми породами, в определенных условиях будет свидетельствовать о его предоползневом состоянии.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
карьеров // Сб. науч. тр. ВНИМИ № 77. - Л.: ВНИМИД970. - С. 134 - 141.
7. Мочалов А. М., Козлов Ю. С. Изучение динамики оползней и обрушений на карьерах // Исследование проявлений горного давления на глубоких горизонтах шахт. Сб. науч. тр. - Л.: ВНИМИД971. - С. 381 - 386.
8. Мочалов А. М., Веселков В. И. Исследование деформаций откосов на моделях для оценки их устойчивости // Сб. науч. тр. ВНИМИ № 86. - Л.: ВНИМИ, 1972. -С. 109 - 113.
9. Козлов Ю. С. Моделирование слоистых откосов // Сб. науч. тр. ВНИМИ № 86. - Л.: ВНИМИ, 1972. - С. 103 - 108.
10. Зотеев В. Г., Крушатин Р. Ф., Ножин А. Ф. Проблемы устойчивости бортов глубоких карьеров // Методы исследования и предупреждения деформаций бортов карьеров на предприятиях цветной металлургии. Сб. науч. тр. - М., 1973. - С. 33 -35.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------------
Пушкарев Василий Иванович — профессор, доктор технических наук, кафедра геологии и геодезии, Магнитогорский государственный технический университет
Колесатова Оксана Сергеевна - аспирант кафедры ПРМПИ, Магнитогорский государственный технический университет
