4.4. Горно-геологические явления на месторождениях твердых полезных ископаемых
В зависимости от характера энергии и места проявления выделяют эндогенные (глубинные) и экзогенные (поверхностные) процессы, которые тесно между собой связаны. Первые вызываются внутренними силами Земли (энергией, выделяемой при развитии вещества Земли, действием силы тяжести и сил, возникающих при вращении Земли), а вторые — энергией солнечной радиации, гравитационными силами и жизнедеятельностью растений и животных. Эндогенные и экзогенные геологические процессы в совокупности определяют геодинамическую обстановку производства горных работ.
Из числа эндогенных геологических процессов, определяющих в значительной степени геодинамическую обстановку месторождения, наибольший интерес представляют сейсмические процессы, неотектонические движения земной коры, явления геотермии. Экзогенные геологические процессы, возникающие на месторождениях в результате геологической работы поверхностных вод (явления смыва, размыва, оврагообразования и т.д.), подземных вод (карст-образование, фильтрационное разрушение горных пород) и атмосферы (ветровая коррозия горных пород, процессы развевания и навевания – движущиеся пески), позволяют выделить особенности геодинамической обстановки, состояние и свойства горных пород покровной толщи изучаемой территории.
В инженерной геодинамике, изучающей геологические процессы и явления, принято выделять инженерно-геологические процессы и явления, вызванные деятельностью человека горно-геологические и явления, возникающие под воздействием горных пород.
Горно-геологическими явлениями П.Н.Панюков назвал совокупность разнообразных видов деформаций пород в горных выработках. Такое название имеет важную особенность, так как определяет возникновение явлений в связи с проведением горных работ.
Практика показывает, что при освоении месторождений полезных ископаемых большой интерес представляют такие процессы и явления как сейсмические явления, оползни, плывуны, пучение, горные удары, выбросы пород, угля и газа и др., эти процессы и явления кратко рассмотрены ниже.
Оползни
Экзогенные процессы, связанные с перемещением горных пород на естественных склонах и искусственных откосах под влиянием силы тяжести, называют гравитационными движениями. К ним относятся оползни - скользящее смещение масс горных пород вниз по склону под влиянием силы тяжести.Они широко распространены на склонах балок и оврагов, на откосах карьеров, отвалов, терриконов и существенно влияют на устойчивость территорий и инженерных сооружений. Эти процессы являются многофакторными, поэтому их изучение (несмотря на длительную его историю), а также оценка устойчивости склонов и откосов связаны со значительными трудностями. Для горной практики гравитационные движения представляют интерес при ведении не только открытых разработок (борта карьеров, откосы отвалов, дамб и др.), но и подземных, так как часто горные выработки и наземные сооружения закладываются на склонах, а иногда они подрабатывают естественные склоны, карьеры, насыпные сооружения и т.д.
Деформирование горных пород на склонах и откосах давно привлекает внимание исследователей, поэтому в настоящее время существует большое количество классификаций и типизаций, построенных на разных принципах. Изучение механизма склоновых процессов позволило различать три их типа: 1) оползни, представляющие собой скольжение горных пород по поверхностям различной морфологии; 2) обвалы - скатывание, опрокидывание, вываливание блоков скальных или полускальных пород на крутых склонах: 3) осыпи- перемещение обломочного материала небольшой мощности по склону или откосу. Изучая закономерности процесса перемещения горных пород на склонах и откосах или оценивая их устойчивость, необходимо четко характеризовать природную обстановку оползневой территории: рельеф, геологическое строение, подземные и поверхностные воды, климатические условия, тектонические особенности, свойства горных пород. Все это в целом определяет обстановку или условия возникновения (развития) оползневого процесса.
Факторами (причинами) оползневого процесса могут быть сейсмические толчки, абразия и эрозия склона или откоса, избыточное увлажнение за счет атмосферных, поверхностных или подземных вод, изменение напряженного состояния в связи с изменением режима подземных и поверхностных вод (создание гидростатического и гидродинамического давления), выветривание пород, изменение обстановки, вызываемое деятельностью человека (подрезка склонов или откосов, дополнительное загружение их сооружениями, вырубка леса, изменение режима природных вод, взрывание и т.д.).
Оценка условий устойчивости оползневых склонов или откосов, в конечном итоге, сводится к определению или прогнозу соотношения между удерживающими RУД и сдвигающими RСД силами по характерной, наиболее вероятной, или существующей поверхности скольжения:
Это соотношение принято называть коэффициентом устойчивости или коэффициентом запаса, а иногда коэффициентом запаса устойчивости.
Рис.2. Схема к расчету устойчивости откоса в однородной изотропной среде
Степень устойчивости квазиоднородной среды (рис.2) можно определить по выражению
где N и Т - нормальная и касательная составляющие веса расчетных блоков пород; с и f - сцепление и коэффициент трения пород по плоскости скольжения длиной L; Q - неучтенные в N и Т силы.
Многообразие форм расчетных поверхностей скольжения, связанное с характером геологических условий определят метод сложения сил по этой поверхности и соответственно схему расчета устойчивости откоса. Наиболее типичные формы поверхности скольжения и соответствующие им методы сложения сил приведены в опубликованной литературе [6].
Динамика оползневого процесса определяется геологическими условиями и ходом процессов-факторов, изменяющих эти условия. Поэтому изменение устойчивости есть процесс продолжительный, во время которого меняется рельеф местности, степень выветрелости и трещиноватости пород, их влажность (и, следовательно, прочность), режим подземных и поверхностных вод, климатические и сейсмические условия и т.д. Среди горнотехнических факторов, оказывающие на устойчивость откосов наибольшее значение имеют: система разработки, производство буровзрывных работ, ширина термоочистки и транспортных берм, профили площадок, уступов и т.д. Все это в конечном итоге приводит к изменению степени устойчивости склона или откоса, которое может иметь циклический или однонаправленный характер. Выделяется три основных этапа оползневого процесса:
1) подготовка оползня (накопление изменений природных условий, коэффициент устойчивости стремится к единице); 2) потеря устойчивости и проявление оползня (быстрое деформирование горных пород, коэффициент устойчивости равен единице); 3) стабилизация оползневого процесса (коэффициент устойчивости становится больше единицы за счет изменения конфигурации склона и постепенного восстановления сцепления в глинистых породах и переупаковки в обломочных).
Такой анализ позволяет восстановить историю оползневого процесса, его эволюцию, состоящую из этапов, выявить тенденцию его дальнейшего развития, указывающую на степень угрожаемости оползневых явлений (прогрессирует, затухает и т.д.) Наконец, зная закономерности развития оползневых процессов и явлений, можно предвидеть (прогнозировать) их образование и тем самым предупреждать деформации горных пород, аварии и катастрофы.