Оценка и прогноз устойчивости оползневых склонов при решении объемной задачи Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

1993

ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОГО ГОРНОГО ИНСТИТУТА

СЕРИЯ: горное дело

вып. 3

МЕХАНИКА ГОРНЫХ ПОРОД, МАРКШЕЙДЕРИЯ, ГЕОДЕЗИЯ

УДК 622.271.33 : 526.9 : 624.131

Ю. И. Туринцев, В. А. Киселев

оценка и прогноз устойчивости оползневых склонов при решении объемной задачи

В условиях значительного объема горных работ и необходимости обеспечения безопасного и эффективного горного производства остро стоит вопрос контроля за состоянием и управлением массива горных пород. В этой связи одной из важнейших проблем является надежная оценка, прогнозирование и обеспечение устойчивости карьерных откосов и естественных склонов.

Открытые горные работы обусловливают развитие в бортовых массивах геомеханических процессов, характеризующихся широким кругом вопросов, связанных с оценкой во времени состояния массива горных пород. При этом одним из основных факторов, влияющих на устойчивость, является снижение прочности пород во времени.

Для получения объективных данных о характере снижения прочности пород в уступах бортов карьеров большинством исследователей отдается ¡предпочтение методу обратных расчетов оползней откосов с длительными сроками службы [5].

Определение прочностных показателей пород методом обратных расчетов для любого горно-технического объекта основывается на геометризации оползневого тела и результатах наблюдений за деформированием откоса. В этом случае для достоверного и оперативного анализа и обобщения прочности пород в массиве необходимо решать пространственную задачу методами геометрии недр с использованием модификации способа алгебраического суммирования сил по поверхности скольжения [2]. Исходным материалом служат план ¡поверхности оползня, план изогипс поверхности скольжения и результаты наблюдений за деформациями.

Изображение поверхности скольжения, являющейся составной частью геометризации оползневой зоны, представляет определенную трудность. В настоящее время в ряду таких способов, как: аналитические, графоаналитические расчеты; моделирование; натурные наблюдения, наиболее перспективными являются методы, применяющиеся при геофизических исследованиях (электрозондирование, звуколокация и т. п.).

При рассмотрении вопросов устойчивости значительных по размерам объектов деформирования с нестандартными поверхностями скольжения необходимо решать пространственную задачу. Отличитель-

ной особенностью объемной задачи является то, что при нахождении показателей прочности пород в массиве учитываются касательные н нормальные составляющие массы оползневой призмы не по какому-то вертикальному профилю, но по всей оползневой зоне, что позволяет учесть сдвигающие и удерживающие усилия в пределах всей ¡поверхности скольжения.

Указанная зона разбивается на элементарные блоки (призмы) с равными площадями в основании, и для каждого из них определяются касательные — Тц, Тц, нормальные—Ыц, Ыц и равнодействующие— Г'/, усилия (рис. 1), являющиеся результатом действия силы веса пород, заключенных

в элементарной призме. ^

Рассмотрим решение / / ^ 71^/

пространственной задачи на примере результатов нследований оползневого склона рудника «Тарор» в Таджикистане.

Изучаемый склон представляет собой сложную оползневую систему, расположенную на горном склоне с углом падения 18—23°, длиной 600 м, шириной 120—200 м. Породы оползня представлены з основном выветрелыми скальными и полускальными породами мощностью от 5 до 20 м.

В результате воздействия природных и техногенных факторов (при-грузка отвалами пустых пород верхней части оползня, многократная подрезка тела оползня технологическими дорогами) произошло нарушение устойчивого состояния склона с образованием значительной по размерам оползневой системы, включающей в себя множество оползней различного порядка. Ориентировочный объем оползневых масс составляет 2 млн. м3.

По результатам графомеханической обработки стереопар и аналитической обработки данных ВЭЗ (вертикального электрозондирования) получены топографический план поверхности (рис. 2, а) оползневой системы и план изогипс поверхности скольжения (рис. 2,6).

Вычитая план поверхности скольжения из плана земной поверхности и интерполируя получающиеся разности, вычерчивают план изо-мощностей оползневой зоны (рис. 2,в).

Исходя из известного выражения предельного состояния т = =^<ро„+С (ф — угол внутреннего трения, С — сцепление пород), общее сцепление пород всего склона, как интегральный показатель прочности на сдвиг, можно рассматривать как величину разности касательных:

Рис. 1. Оползневое тело:

I — поверхность оползня; 2 — поверхность скольжения: О —вес пород элементарной прнзмы; Т — сдвигающие усилия; N — удерживающие усилия; 5 — площадь основания элементарной призмы

т' = 2 2 7?А/ !=\ /=1

(1)

н нормальных, умноженных на коэффициент трения:

«г;=2 ^

(2)

гГ б

Рис. 2. Геометрические параметры участка оползневой системы:

планы поверхности участка оползневого тела (а). поверхности скольжения (б). изогнпс мощности оползневого тела (в). Условные обозначения:

/ — границы оползневой системы; 2 — изолинии, м

-апряжений, вычисленных по всей поверхности скольжения:

Ср = т' - о;. (3)

Рассчитав тц и в каждом выделенном блоке и проинтерполи-ровав полученные значения, вычерчиваются планы т' и ап в пределах всей оползневой зоны (рис. 3, а, б).

Вычитанием поверхностей топографического порядка получаем план изогипс результирующих напряжений СР (рис. 3,в).

Планы' изолиний касательных %' и нормальных ал напряжений позволяют оценить степень напряженности оползневого массива в каждой точке поверхности скольжения. Наглядную картину дает план изогипс результирующих напряжений, по которому выявляются «устойчивые» зоны с отрицательными значениями СР и «неустойчивые» — с положительными. Кроме того, по концентрации изогипс Ср выделяются изолированные участки с повышенной концентрацией сдвигающих напряжений, где возможно ожидать повышенные значения деформаций.

Общая устойчивость всего оползневого склона определяется по известной формуле

" = 2/^/2 ^д, (4)

где 2Лд = т\ 2^дополученные величины Ср и п являются интегральными оценками прочности пород и устойчивости откоса в определенный момент времени, которые в полной мере учитывают форму поверхности скольжения, что тем более важно ввиду отсутствия единого критерия возможности решения плоской задачи (по Г. Л. Фисенко ¿/Яу^2...3; по А. И. Ильину Ь/Н1,5; по А. Е. Шейдеггеру ¿>/¿ = 0,1, где Ь — ширина оползневого участка; Яу — высота оползня; £ — длина оползневого участка по падению) [1, 5, 6].

Выявленные на плане результирующих напряжений (рис. 3, в) области их концентраций характеризуются повышенными значениями скоростей смещения реперов (см. рис. 3, в), что обусловлено снижением прочностных параметров пород и коэффициента запаса устойчивости.

В этой связи, кроме интегральной оценки по изложенному методу в совокупности с инструментальными наблюдениями и достоверно установленными положениями, отражающими механизм деформирования [4], целесообразно осуществить выборочную оценку прочностных показателей и устойчивости отдельных зон оползневой системы, представляющих собой оползни высших порядков.

Возникновение оползней в этом случае вызывается нарушением статической устойчивости склона и управляется в дальнейшем законами гравитации и трения.

Для глинистых откосов механические свойства описываются сопротивлением сдвигу горных пород.

Энергетический баланс смещающегося по поверхности скольжения оползня можно выразить равенством [6]:

0,5т^2 = тдАН — С8АН1$1п^, (5)

где т — масса оползня; Дг> — приращение скорости смещения оползня за промежуток времени £ —ускорение свободного падения; Д/г — вертикальная составляющая вектора смещения; С — прочность породы на сдвиг по поверхности скольжения; 5 — площадь- поверхности скольжения; (5— угол наклона поверхности скольжения.

Рис. 3. Графики напряжений в теле оползня: планы удерживающих напряжений (а), сдвигающих напряжений (б), результирующих напряжений (о). Условные обозначения:

/ — границы оползневой системы: 2—изогнпсы напряжений, тс/м'; 3 — грунтовые реперы и векторы смешений

Принимая

т — pSó, Д/г = Дgsin{5, (6,

1 где р — плотность пород тела оползня; 6 — мощность оползня; Д£ — величина вектора смещения оползня, получим-

0,5p6SAc2 = gópSA£ sin p — CS Al

отсюда

= 2 (gsin p — C/pó) Д£

или

C = (gsinp-Дс/а/2Д£) pfi.

Принимая во внимание, что

Дс/2/Д£ = 2а.

получаем:

C = (gsinp-a)p&, (Ю)

где а — ускорение смещения оползня за промежуток времени.

При потере устойчивости, т. е. когда С = С30 (С«, — остаточная прочность породы на сдвиг), ускорение смещений с достигнет критического значения;

a„p = gsinp — См/рб. (11)

Величина остаточной прочности для пластичных пород и грунтов в данном случае может быть принята равной величине длительной прочности. По данным А. И. Ильина [1], значение С», определенное для разных пород, составляет 8,5-Ю-3... 3,7-Ю-2 МПа. Для условий оползневого склона на руднике «Тарор» по аналогии примем 3,7-10~2 МПа. В этом случае величина акр, рассчитанная по выражению (11), составила 2,8... 3,6 м/с2.

На основании выражений (9, 11) появляется возможность прогноза скорости деформирования по результатам инструментальных наблюдений. В результате теоретических и экспериментальных исследований и наблюдений за деформированием карьерных откосов получено выражение [3]:

v = v0-\-aKPC"/mT^-¡, (12)

где v0 — начальная (постоянная) скорость деформирования; акр — критическое ускорение; t — текущее время; Ткр — продолжительность критической стадии деформирования.

Определение параметров Ткр и гп в (12) возможно осуществить путем проведения ряда серий наблюдений при t¡...íi, лолучая значения У].,. v¡. В результате решения системы из двух уравнений получаем искомые величины Ткр и т.

Предложенный подход в решении пространственной задачи оценки прочностных свойств горных пород позволяет в полной мере учесть геометрические и геомеханические особенности поверхности скольжения, дать интегральную оценку устойчивости откоса, выявить опасные участки оползневого массива и оценить их устойчивость, дать прогноз развития скоростей деформирования, определить время достижения критической стадии ололзнеобразования и разработать эффективные мероприятия по стабилизации оползней.

(7) (8) (9)

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИП СПИСОК

1. Ильин А. И., Гальперин А. М., Стрельцов В. И. Управление долговременной устойчивостью откосов на карьерах.— М.: Недра. 1985.— 248 с.

2. Панюков П. Н. Инженерная геология —М.: Госгортехиздат, 1962.— 343 с.

3. Разработать и внедрить систему наблюдений за деформациями площадки очистных сооружений п. г. т. Симеиз: Отчет НИР (заключительный) / Свердл. горный нн-т; Науч. руководитель Ю. И. Турннцев: № ГР 01900045716; Инв. № 02920000250 — Свердловск. 1984,— 148 с.

4. Туринцев Ю. И. Геомеханические основы прогноза устойчивости карьерных откосов //Изв. вузов. Горный журнал,— 1992 — № 9,— С. 84—87.

5. Фисенко Г. Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов,— М.: Недра, 19Б5.— 378 с.

6. Шейдеггер А. Е. Физические аспекты природных катастроф.— М.: Недра, 1981.— 232 с.

УДК 622.271.3.622.833.3

Б. Д. Половое, В. Л. Лядский

МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ГОРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ СИСТЕМАМИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Интенсификация добычи ископаемых открытым способом сопровождается вовлечением в эксплуатацию объектов со сложными инже-нерно-геологическими условиями, поэтому для обеспечения режимной, безаварийной работы предприятий, полного использования недр, решения экологических проблем необходимы системы автоматической диагностики состояния горно-технических объектов.

В настоящее время в горном деле, гидротехническом, гражданском, транспортном строительстве предложено около ста систем классификации массивов горных пород, опасных по фактору проявления оползневых явлений. Для конкретных горно-технических объектов — карьеров (разрезов) и отвалов — ВНИМИ разработана упрощенная классификация, которая подразделяет объекты следующим образом: нерабочие борта, сложенные глинами или трещиноватыми породами; нерабочие борта с преобладанием песчаных и гравелистых пород; рабочие борта; откосы рабочих уступов и отвалов; откосы уступов нерабочих бортов, сложенные глинистыми и трещиноватыми породами; откосы уступов нерабочих бортов, сложенные песчаными и гравели-стыми породами.

Другим классификационным признаком является срок службы объекта: до 5 лет, более 5 лет.

Дополнительными классификационными признаками, обеспечивающими объективность типизации объектов диагностики, могут служить размеры деформирующихся массивов и принадлежность пород, слагающих массивы, к группам пород коры выветривания или скальным и полускальным породам.

Для классификации горно-технических объектов по размерам целесообразно ввести относительный показатель: отношение длины оползневого массива к его высоте. Целесообразность такого классификационного признака подтверждается статистическими данными, приведенными в табл. I. По этим данным среднее значение длины деформирующихся участков бортов к высоте составляет 2,93, среднее ква-дратическое отклонение этого отношения — 2,46, корреляционная связь между объемами деформации и соотношением ¿д/#д, где ¿д и Ня — соответственно длина и высота деформирующегося участка, отсутствует.

Вероятность Я(—< 1) для бортовых оползней составляет 0,2. нл