Прогноз устойчивости карьерных откосов глинистых пород с учетом пространственно-временной изменчивости инженерно-геологических характеристик Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

последовательностей. - Изв. АН СССР. Сер. матем., № 1, 1941.

4. Матерон Ж. Основы прикладной геостатистики. - М., «Мир», 1968.

5. Смирнов Б.В. Теоретические основы и методы прогнозирования горно-геологических условий добычи полезных ископаемых по геологоразведочным данным. - М., «Недра», 1976.

6. Четыркин Е.М. Статистические методы прогнозирования. - М., «Статистика», 1977.

7. Яглом А.М. Введение в теорию стационарных случайных функций. - Успехи математических наук, т.УП, вып. 5, 1952.

— Коротко об авторах

Гладышев Владислав Владимирович - аспирант кафедры геологии, Московский государственный горный университет.

-------------------------------------------- © А.Ю. Панфилов, 2006

УДК 624.131.1:624.137.2 А.Ю. Панфилов

ПРОГНОЗ УСТОЙЧИВОСТИ КАРЬЕРНЫХ ОТКОСОВ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД С УЧЕТОМ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Семинар № 1

У'Л братные расчеты выполняются с использованием контуров оползневых призм на момент деформации откосов. Принятая методика определения длительной прочности основывается на учете изменения природного сопротивления сдвигу по поверхности скольжения во времени. Составными частями методики являются, во-первых, определение природной сдвиговой прочности путем обратных расчетов оползней участков уступов, имевших

различные высоту Ну, угол откоса а и время устойчивого их существования, и, во-вторых, нахождение закономерности изменения сдвиговой прочности во времени с = /(1). Для выделенных комплексов глинистых пород, имеющих относительно изотропные механические свойства при отсутствии ярко выраженных структурных поверхностей ослабления, путем лабораторных испытании определяются показатели механической прочности на сдвиг фо и со, которые характе-

ризуют собой условно-мгновенную

(природную) прочность исследуемых пород. Путем решения обратных оползневых задач при ф = const определяется ряд значений с для различных промежутков времени t.

С учетом незначительного изменения величины угла внутреннего трения в процессе сдвига, используется формула в виде:

Ct = со - (со - сш) tp/(Tp+tp) (1)

где со — мгновенная (природная) прочность грунта на сдвиг; ct — прочность грунта на сдвиг в момент времени нарушения устойчивости; С<» — длительная прочность; Тр — параметр длительной прочности.

Данная зависимость позволяет определить параметры длительной прочности глинистых пород.

Построение графиков в координатах (t/(c0-ct); t), изображенных на рис.1, соответствует преобразованию уравнения (1) в линейное уравнение:

tp

1

-t„

(2)

Из формулы (2) и рис.1 следует, что параметры длительной прочности будут равны:

1

°° *да

Т = АО

Р *да

(3)

(4)

Для удобства принимаем с0-сш=1/а. Нахождение коэффициентов линейного уравнения производим способом наименьших квадратов.

При расчете длительной прочности апт-неокомских глин значения сцепле-

ния ct определялись для откосов, продолжительность существования которых с момента их формирования до оползня составляла от 0,5 до 32,5 месяцев. Расчеты выполнялись с использованием геометрии оползневой призмы, смоделированной по данным аэрофотограм-метрической съемки в программе Surfer. При расчетах принято ф = 20о.

Получена зависимость:

с, = 0,43 - 0,33-----tp---, (5)

1 0,545 + tp

которая позволяет прогнозировать величину сопротивления сдвигу на любое время. При расчете длительной прочности келловейских глин сцепление ct рассчитывалось для откосов, простоявших до деформации от одного месяца до двух лет. Принято ф = const = 16°.

Уравнение длительной прочности для келловейских глин, таким образом, запишется в виде:

с, = 0,75 - 0,51-----tp--- (6)

‘ 0,464 + tp

По данной методике рассчитывались параметры длительной прочности для суглинков МГОК. При расчете длительной прочности суглинков сцепление ct рассчитывалось для откосов, простоявших до деформации от одного месяца до двух лет. По данным расчетов, для зон, нарушенных ложбинами стока принимаем ф = const = 120. Уравнение длительной прочности для суглинков (нарушенные зоны), запишется в виде:

с = 0,32 - 0,22------tp--- (7)

‘ 0,128 + tp

b)

Ct

с)

d)

ct

Рис. 1. Зависимости изменения прочности во времени соответственно а,Ь,с,іі - суглинков в ненарушенных зонах, апт-неокомских глин в ненарушенных зонах, келловейских глин в ненарушенных зонах, суглинков в нарушенных зонах: С0, С - соответственно условно-мгновенное и остаточное сцепление на момент времени і

Для ненарушенных зон ф = const = =240. Уравнение длительной прочности для суглинков (ненарушенные зоны), запишется в виде:

С = 0,45 - 0,25

t

p

8,26 + tD

(8)

С использованием результатов обратных расчетов и прессиометрических испытаний построены графики сопротивления сдвигу апт-неокомских и верхнеюрских глин для различных моментов

времени. Период от момента формирования откоса до достижения сцепления апт-неокомских и верхнеюрских (волж-ско-келловейских) глин величины сх с достаточной для инженерных целей точностью может быть принят соответственно равным 5 и 1о лет.

Определены значения Пт и пр из формул:

_L

т

1

Пт

p

т

1

(9)

-S

-S

Рассмотрены результаты инструментальных наблюдений за смещениями реперов, заложенных по двум профильным линиям на площадке уступа северного борта карьера Михайловского ГОКа, сложенного келловей-скими глинами. На графиках смещений реперов во времени четко фиксируются моменты tT и tp, что позволяет определить скорости смещений йр

и йт . Построение кривых скольжения в массиве откоса производилось по методике ВНИМИ.

Результаты натурных исследований пород вскрышной толщи Михайловского месторождения КМА обобщены в сводной инженерно-геологической колонке (рис. 2).

Определение прочности пород на сдвиг в массиве производится на момент достижения предельного равновесия по сформированной поверхности скольжения, а также путем расчета удерживающих и сдвигающих сил в пределах выделенных элементарных блоков и их разности по всей поверхности скольжения.

Оползневое тело разбивается на продольные и поперечные блоки. Сдвигающие и удерживающие силы по блокам рассчитываются в программном пакете «UST», разработанном на кафедре геологии МГГУ, при этом вывод информации производится последовательно по блокам. В выводном файле представлены пять столбцов, в которых обозначаются соответственно: удерживающие и сдвигающие силы для каждого блока, разности этих сил для каждого блока, суммарное значение удерживающих и сдвигающих сил по всем блокам в профиле и разность этих значений. Общая площадь поверхности скольжения определяется по методике [1] в программном пакете Surfer.

Использование объемной задачи позволило уточнить значение Сш для нарушенных зон в суглинках МГОК, которое составило Сш = 0,1 • 10-1 МПа. Уточнено также значение угла внутреннего трения фш и установлено значительное его уменьшение по сравнению с его начальным значением для зон, нарушенных ложбинами стока (24о для ненарушенных зон и 12о для нарушенных).

На основе плана изомощностей оползневого тела определено изменение некомпенсированного оползневого давления по фронту оползня с учетом реальной геометрии ложа и поверхности оползневого тела. Величина некомпенсированной реакции Ei в основании уступа

E = П • P sin а - P cosatgy + E (10)

' cosS,. + sin S • tg% '-1

где Pj - масса пород в пределах блока; aj - угол наклона основания блока; Sj =aj -aj+i - угол наклона реакции к основанию i-го блока.

Результаты ранее выполненных исследований МГИ и ВИОГЕМ уточнены с учетом пространственного положения поверхностей ослабления в бортовом массиве для определения реологических параметров глинистых пород при наличии или отсутствии погребенных ложбин стока, подземных гряд или обводненных литологических контактов. Определение реологических параметров глинистых пород с учетом влияния пет-рогенетических и экзогенно -

гравитационных структурных элементов массива позволило получить исходные данные для дифференцированной оценки устойчивости откосов в пределах карьерного поля.

Полученные предельно-длительные значения характеристик сопротивления сдвигу использованы при определении

Схематический разрез восточного борта карьера МГОК

Поверхностные реперы

1 Глубинные -I радиоактивные реперы

Ж

Скважины прессиометри-ческого зондирования Проектный контур борта карьера

Рекомендуемый контур борта карьера

Статический и динамический уровни подземных вод

Инженерно-геологическая колонка

Возраст

пород

мощность слоя,м краткое описание пород У тн/м3 % А тн/м3 с„ кг/см2 Оо кг/см2 ф град т хр лет Пр кг сут см 2 мм 5

= 15 суглинок буровато-серый, пылеватый, лессовидный 1,93 18 2,68 0,32 0,20 24 0,142 0,267 0,85

6 песок полимиктовый, разнозернистый 2,00 22 2,65 - - 35 - - -

35 глина бурая, песчаная, тугопластичная 2,11 20 2,69 0,43 0,10 20 0,369 0,204 0,94

20 глина буровато-коричневая, тугопластичная 2,08 16 2,72 0,75 0,24 16 0,207 0,162 1,00

5 песок светло-серый, буровато-желтый, м/зернистый 1,90 24 2,76 - - 35 - - -

10 глина черная, плотная, пылеватая тугопластичная 2,00 26 2,71 1,30 0,80 22 0,186 0,115 1,00

5 песок буровато-желтый, разнозернистый 1,90 24 2,76 - - 35 - - -

50 глина пестроцветная, песчаная, тугопластичная 2,21 18 2,77 3,00 0,70 12 0,412 0,062 1,00

к;1

к:

;еп-а1

•2

1

у^-с!

а

ы

J

2

Рис. 2. Разрез восточного борта карьера и сводная инженерно-геологическая колонка вскрышной толщи Михайловского месторождения КМА

параметров пригрузочной призмы для обеспечения долговременной устойчивости откоса при п = 1,2.

Применяемая программа позволяет определять методом многоугольника сил массу пригрузки для отдельных расчетных призматических блоков через некомпенсированную реакцию из соотношения:

По результатам расчетов построены графики зависимости углов откосов от времени P(t) при Н = const для уступов в четвертичных суглинках, апт-неокомских и волжско-келловейс-ких глинах.

Применение предложенного метода расчета устойчивости откосов позволяет благодаря решению квазиобъемной за-

1) Панфилов А.Ю. Компьютерная обработка съемки оползней на карьерах. Маркшейдерский вестник, 2004. №4, с.60-62.

2) Galperin A.M., Panfilov A.Y. Determination from back geomechanical calculations of strength and deformational characteris-

дачи увеличить угол откоса гидровскрышных уступов в четвертичных отложениях на карьере Лебединского ГОКа с 30° (фактич.) до 340, что обеспечивает уменьшение затрат на гидровскрышные работы на стадии погашения (выходе на конечный контур борта) в размере 894 тыс.р. на километр фронта гидровскрышных работ.

Рассмотрен комплекс необходимых мероприятий в составе геомеханическо-го контроля. С использованием результатов экспериментальных исследований процессов ползучести глинистых пород получены зависимости критических скоростей сдвиговых деформаций при-откосного массива от сдвигающих и нормальных напряжений по вероятной поверхности скольжения.

------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

tics of soils in open-pit slopes and hydrofilled massives. //Proceeding of the International Workshop in Geoenvironment and Geotechnics. Milos, Greece, 2005/Ed. Agioutantis Z. Heliotopos Conferences Ltd, Dafni, Athens, Greece, p.131-136.

— Коротко об авторах -------------------------------------

Панфилов А.Ю. - Московский государственный горный университет.