CC BY
54
© Е.И. Кольцова, 2003
"АК 622.271
Е.И. Кольцова
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОБВОАНЕННОСТИ НА YСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ YCTYHOB НА КАРЬЕРАХ МЕСТОРОЖАЕНИЯ АЛМАЗОВ ИМ. ЛОМОНОСОВА
1
Расчетные характеристики физико-механических і свойств инженерно-геологических комплексов пород.
Физико-механические свойства горных пород являются одним из основных факторов, определяющих устойчивость открытых горных выработок. При определении расчетным путем параметров устойчивых бортов, уступов карьеров и отвалов используются следующие характеристики физико-механических свойств пород: объемная масса, сцепление массива, угол внутреннего трения массива, сцепление и угол внутреннего трения по естественным поверхностям ослабления прочностных свойств.
Для вмещающих и перекрывающих отложений месторождения имени Ломоносова характерно субгоризонтальное залегание пород при тонком переслаивании отдельных литологических разновидностей. Раздельный учет всех слоев при расчетах устойчивости существенно увеличивает время вычислений, а в связи с погрешностями исходных данных не позволяет повысить точность результатов.
Анализ инженерно-геологической информации, полученной в результате детальной разведки, позволяет применительно к расчетам устойчивости бортов карьера разграничить разрез пород по вертикали на ряд следующих инженерногеологических комплексов, каждый из которых характеризуется сходством генезиса пород, условий их залегания и
показателей физико-механических свойств: 1) перекрывающие отложения; 2) падунская свита венда; 3) мезенская свита венда; 4) усть-пинежская свита венда. В мезенской свите дополнительно выделяются подкомплексы мельских и ергинских слоев.
Физико-механические свойства пород выделенных инженерно -геологических комплексов приведены в табл. 1. Комплекс перекрывающих пород имеет мощность 35-50 м в районе месторождений кимберлитовых трубок “Карпинского-1”, “Кар-пинского-2”и “Архангельская”.
Породы комплекса представлены, главным образом, песчаноглинистыми четвертичными отложениями и слабосцементиро-ванными песчаниками урзугской свиты среднекаменноугольного возраста. Терригенно-карбонат-ные перекрывающие породы имеют незначительную мощность и островное распространение, поэтому значимого влияния на физико-механические свойства в составе комплекса не оказывают.
Залегая с поверхности и имея сравнительно небольшую по отношению к глубине карьеров
мощность, составляющую 1-2 уступа предельного контура, перекрывающие породы кимберлитовых трубок “Карпинского-1”, “Карпинского-2”и “Архангельская” не оказывают влияния на устойчивость бортов карьеров.
Комплекс пород падунской свиты имеет мощность 185 м в центральной и южной частях месторождения. В составе пород комплекса преобладают слабо-сцементированные песчаники. Слагая в зависимости от глубины карьеров от 0,4 до 0,6 высоты бортов, породы падунского комплекса во многом определяют конструкцию и устойчивость карьеров.
Комплекс пород мезенской свиты обладает мощностью от 200 до 260 м. Породы комплекса, представленные в основном алевролитами, значительно прочнее песчаников падунской свиты.
Породы мезенского комплекса определяют устойчивость нижней половины карьерных уступов и всего борта в целом.
Важной отличительной особенностью комплексов пород мезенской и усть-пинежской свит является присутствие в их составе прослоев слаболитифициро-ванных аргиллитов с низким сопротивлением сдвигу.
Комплекс пород усть-пинежской свиты в районе месторождений кимберлитовых трубок “Карпинского-1”, “Кар-пинского-2”и “Архангельская” залегает ниже глубины открытой разработки.
2. Расчетные характеристики прочности пород в массиве и по прослоям слаболитифицирован-ных аргиллитов.
Таблица 1
ФИЗИKO-МEXAHИЧECKИE CBOЙCTBA KOМПЛEKCOB ПOPOA KИМБEPЛИTOBЫX TPYБOK "KAPПИHCKOГO-1"/ "KAPПИHCKOГO-2" И "APXAHГEЛЬCKAЯ"
Наименование комплекса Объемная масса, кг/м3 Прочность на сжатие, МПа Прочность на растяж., МПа Сцепление МПа Угол внутр. трен.град.
Перекрывающие породы 19GG - - - 3G
Падунская свита 212G 8,8 G,75 2,19 37
Мезенская свита (мель-ские слои) 229G 13,9 1,5 3,54 36
Мезенская свита (ергин-ские слои) 235G 14,9 1,8 4,G4 33
Таблица 2
РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПОРОА, ТРУБКИ “КАРПИНСКОГО-1", “КАРПИНСКОГО-2"И “АРХАНГЕЛЬСКАЯ"
Наименование комплекса Абс. отметка кровли Объемная масса, кг/м3 Сцепление, МПа Угол внутр. трения град
Перекрывающие породы + 110 1900 - 30
Падунская свита +65 2120 0,219 37
Мезенская -120” 2290 0,354 36
свита -240** 2350 0,404 33
Примечание: * мельские слои, ** ергинские слои.
При расчетах устойчивости обнажений горных пород используются, как правило, две основные характеристики их сопротивления сдвигу: сцепление и угол внутреннего трения. Вслед-ствии трещиноватости горного массива они отличаются от значений, получаемых по результатам испытаний образцов.
Многочисленными исследованиями установлено, что угол внутреннего трения горных пород в массиве может, с некоторой погрешностью, приниматься равным углу внутреннего трения образцов, а сцепление в массиве СМ определяется по формуле:
См = X С,
где X - коэффициент структурного ослабления, характеризующий снижение прочности массива за счет трещиноватости пород.
Значение коэффициента
структурного ослабления достаточно точно могут быть получены в результате натурных испытаний на сдвиг. Так как крупномасштабные испытания вмещающих пород месторождения на стадии разведки не проводились и являются предметом дальнейших исследований, то для расчета коэффициента структурного ослабления использовано выражение:
X = 1/[1+а 1п(И/1ср)], где И - высота борта; а - коэффициент, зависящий от прочности породы в образце и характера трещиноватости; 1ср - средний размер структурного блока.
Вмещающие породы месторождения отличаются невысокой и средней степенью трещиноватости. Трещины нормально секущие, средний размер элементарного блока, ограниченного со-
седними трещинами, 0,5-1,0 м. В соответствии с изложенной выше методикой коэффициент структурного ослабления вмещающих пород месторождений кимберли-товых трубок “Карпинского-1”, “Карпинского-2” и “Архангель-
ская” получается равным 0,1.
Расчетные характеристики физико-механических свойств инженерно-геологических комплексов пород с учетом коэффициента структурного ослабления приведены в табл. 2.
Наименее прочными разностями вмещающих пород являются прослои слаболитифициро-ванных алевролитов и аргиллитов, которые можно классифицировать как плоскости ослабления прочностных свойств массива, по которым будет проходить потенциальная поверхность
скольжения.
Анализ результатов определения физико-механических свойств алевролитов и аргиллитов позволяет сделать следующие выводы:
1. Минимальную несущую способность имеют аргиллиты.
2. Угол внутреннего трения аргиллитов с достаточно высокой надежностью составляет не менее 12°.
Результаты испытаний в ста-билометре дают верхний предел значений прочностных свойств пород. У поверхности борта одно из главных напряжений в массиве в направлении, перпендикулярном борту, близко к нулю.
Условия для объемного напряженного состояния создаются только на некотором
удалении от выработанного пространства, поэтому при назначении расчетного значения сопротивления сдвигу по субгоризон-тальной поверхности ослабления целесообразно пользоваться данными испытаний на сдвиг.
Поэтому, в качестве расчетных показателей сопротивления сдвигу слаболитифицированных аргиллитов приняты следующие значения: сцепление 0,057 МПа, угол внутреннего трения 12°.
3. Устойчивость бортов карьера при защите горных работ от подземных вод при помощи системы осушения.
В зависимости от условий распространения, литологического состава отложений, гидрогеологических параметров, особенностей питания и разгрузки в районе месторождения выделяются:
• комплекс четвертичных отложений;
• горизонт среднекаменноугольных отложений (С2 иг);
• комплекс пород кратерной фации (п03-С2);
• комплекс пород жерловой фации (103-С2);
• комплекс вмещающих пород падунской свиты венда (УрС);
• комплекс вмещающих пород мезенской и усть-пинежской свит венда (Утг-ир).
Невыдержанность водоносных горизонтов и комплексов по площади и глубине, отсутствие в их толще надежных водоупоров, позволяет рассматривать их, как единую гидравлическую систему. Это доказано тем, что при длительной откачке из падунского водоносного комплекса фиксируется снижение уровня как в покровных четвертичном и ур-зугском комплексах, так и в породах мезенской свиты.
Водопроводимость сущест-
Таблица 3
УГЛЫ НАКЛОНА УСТОЙЧИВЫХ БОРТОВ КАРЬЕРА ТР. “АРХАНГЕЛЬСКАЯ" В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПОЛОЖЕНИЯ АЕПРЕССИОННОЙ КРИВОЙ
Угол наклона депрессион-ной кривой Угол наклона борта, град (при а.о. дна карьера, м).
-170 -260 -350
0 48 45 41
5 47 44 40
8 47 43 39
12 46 40 35
15 41 34 31
венно различна не только для каждого водоносного комплекса, но и внутри его. Характерна неоднородность по вертикали. Наиболее обводнены падунские песчаники, которые являются основным коллектором пресных подземных вод района месторождения.
Как и для карьеров остальных месторождений, определяющее влияние на устойчивость бортов и уступов оказывает обводненность горных пород прибортовой части в результате гидростатического и гидродинамического давления подземных вод. Наиболее благоприятным для устойчивости бортов карьера вариантом является полное осушение разреза на всю глубину карьера в пределах призмы возможного обрушения.
В этом случае при отработке месторождения до а.о. -350 м угол наклона устойчивого борта может достигать 41°. Уменьшение высоты борта до 370 м (а.о. дна карьера -260 м) позволяет повысить генеральный угол бор-
та до 45°, а снижение глубины отработки до а.о. -170 м (высота борта 280 м) - до 48°.
Полное осушение приборто-вого массива требует значительных затрат на строительство водопонижающих скважин. Поэтому с целью оценки влияния степени обводненности пород призмы обрушения на устойчивость бортов карьеров приведена серия расчетов устойчивости при различных вариантах положения депрессионной поверхности, которая апроксимировалась в разрезе прямой линией.
Поверхность скольжения при наличии слабого прослоя в основании борта имеет горизонтальный участок, на котором она совпадает с поверхностью ослабления. Поэтому при расчетах по методу многоугольника сил обводненность призмы обрушения в значительной степени сказывается на устойчивость бортов карьеров.
При наличии уровня подземных вод 5-8° уменьшение углов устойчивых бортов карьеров
сравнительно небольшое по отношению к варианту полного осушения и составляет 1° (а.о. дна -170 м) или 2° (а.о. дна -260 или 350 м). При более крутой поверхности депрессии разница в углах наклона устойчивых бортов возрастает и при 15° достигает 7-10°.
Следует отметить, что влияние обводненности борта на его устойчивость обратно пропорционально прочности по поверхности ослабления. Если для полностью осушенного откоса разность между углами устойчивых бортов в вариантах средней и минимальной прочности пластичных аргиллитов составляет 7°, то при угле наклона депрессионной кривой 10-12,5° она составляет уже 20°. Причем, при сцеплении по ослаблению 0,05 МПа, угле трения 11° и наклоне депрессионной кривой 15° выпо-лаживание борта не обеспечивает его устойчивость с КЗУ = 1,3.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Кольцова Е.ҐІ. - АГТУ.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
КОЛЬЦОВА
G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB9_03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.dotm Оценка влияния обводненности на устойчивость откосов уступов на карь-
ерах месторождения алмазов им Содержание:
Автор:
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания:
Число сохранений:
Дата сохранения:
Сохранил:
Полное время правки:
Дата печати:
При последней печати страниц: слов:
Кафедра
10.07.2003 15:50:00 2
10.07.2003 15:50:00 Гитис Л.Х.
1 мин.
09.11.2008 1:19:00
3
знаков:
1 666 (прибл.) 9 502 (прибл.)
