Горно-геологические явления

При проведении горных выработок первичное состояние массива горных пород нарушается. Явления, возникающие в массивах горных пород под влиянием горных работ, называются горно-геологическими.

Различают три категории горно-геологических явлений.

1. В существенной мере подготовленные геологическими процессами. Инженерные работы лишь ускоряют их появление и течение (гравитационные деформации откосов карьеров, подготовленные процессами выветривания горных пород).

2. Развивающиеся только в искусственно созданной горно-технической обстановке (горные удары, выбросы угольной пыли и др.).

3. Используемые в технологическом процессе управляемые явления (оползни в рабочих бортах карьеров, используемые для ускорения вскрышных работ).

Palabora mine open pit, averages 1750M across the rim and has reached its economic working depth of 822M in 38 years. Beneath the open pit underground mass mining by block caving methods is now producing 30 000 tonnes per day of copper ore from the core of this very productive carbonatite pipe. Photograph courtesy of Rio Tinto plc.

Основная задача инженерно-геологических исследований в горном деле состоит в прогнозировании горно-геологических явлений и процессов и в разработке рекомендаций по их предупреждению или использованию.

Горно-геологические явления, характерные для карьеров.

К горно-геологическим явлениям, возникающим при открытой разработке месторождений, относятся оползни, обрушения и обвалы, осыпи и оплывины, просадки.

Оползни - наиболее распространенный вид нарушения устойчивости откосов, связанный с наличием в толще пород пластичных прослойков, слоев и слабых контактов; они происходят при углах наклона бортов и откосов уступов положе 25-35°; активная стадия оползней протекает в течение значительного времени (от нескольких часов до месяцев). Оползни вовлекают в движение значительные массы горных пород - от сотен до нескольких млн. м ; в ряде случаев оползни приводят к полному прекращению работ в карьере. Различают мелкие (сотни и тысячи м³), средние (десятки тысяч м³), крупные (сотни тысяч м³) и очень крупные (миллионы м³) оползни. 

Главное свойство оползней – смещение породных масс по т. н. поверхности скольжения (оползания). Скольжению оползня нередко предшествуют оплывание и пластичное выжимание пород.

Различают простые и сложные оползни.

Типы оползней бортов карьеров и уступов

Тип оползня	Краткая характеристика типа	Основные условия возникновения
Простые оползни
Оскользни	Смещение подработанных блоков и пачек горных пород массива откоса по поверхности ослабления, падающей к в сторону откоса	Подрезка откосов с поверхностями ослабления, падающими в сторону выработки
Собственно оползни	Поверхность скольжения криволинейная: верхняя часть субвертикальная, средняя и нижняя – наклонная с обратным падением на нижнем отрезке	Массив несцементированных пород
Оползни-оскользни	В верхней части поверхность скольжения субпараллельна напластованию пород, в средней и нижней – пересекает напластование под различными углами	Падение поверхности ослабления в сторону выработки под углом, большим угла заоткоски борта
Сложные оползни
Оползни выдавливания	Оползневому процессу предшествует и сопутствует пластическое выжимание слабых глинистых пород. Сползание происходит по пластически деформируемому основанию	Наличие в массиве или в основании откоса слабых глинистых легковыжимаемых пород
Оползни оплывания	Оползневому процессу предшествует и сопутствует оплывание пород основания или нижней части откоса. Сползание происходит по оплывшей породе.	Наличие в основании откоса пород, оплывающих под действием фильтрации воды и вибрации
Оползни проседания	Оползневому процессу предшествует и сопутствует уплотнение (проседание) пород откоса, происходящее под влиянием вибрации и/или увлажнения	Наличие в разрезе откоса рыхлосложенных или просадочных пород

Простые оползни

а – оскользень; б – оползень-оскользень; в – собственно оползень;

Сложные оползни

г – оползни выдавливания; д – оползни оплывания; е – оползни проседания

Схематический разрез оползня

Верхняя часть оползня. Крым, Украина.

http://i.telegraph.co.uk/telegraph/multimedia/archive/01623/landslide_1623557i.jpg

Оползень; северный Тайвань

Подошва оползня. Кипр, Петра.

http://www.sandatlas.org/2012/04/petra-tou-romiou/

Обрушения и обвалы характеризуются быстрым смещением и падением крупных блоков и пачек пород, которые при падении опрокидываются и дробятся на более мелкие куски.

Обрушения захватывают значительные части массивов горных пород и возникают при углах откосов, превышающих 25-35°; активная стадия обрушений протекает практически мгновенно. Обрушения представляют наибольшую опасность для людей и механизмов, работающих на нижележащих уступах.

     

the collapse of the pit wall at Freeport's Grasberg Mine (copper & gold) in Irian Jaya (Indonesian part of New Guinea)

Обвал, Прибайкалье (окрестности Мраморного Дна)

Free hanging mesh drape-cable and double twist drape. It is high flexible and well fixed to various slope morphology to restrain rock fall hazard (High angle technology- RocNews, 2004)

Falling rock hazard index: a case study from the Marun Dam and power plant, south-western Iran Bull Eng Geol Environ

Осыпи характерны для всех видов горных пород, затрагивают, как правило, приповерхностную часть крутых откосов и формируются в течение значительного периода времени (несколько лет). Способствуют выполаживанию общего угла наклона борта карьера за счет уменьшения (сработки) площадок (берм) уступов. Иногда осыпи являются источником образования более крупных нарушений устойчивости (оплывин, оползней).

Просадки – вертикальное опускание прибортовых участков высокопористых рыхлых пород без образования сплошной поверхности скольжения. Просадки связаны с уплотнением высокопористых рыхлых отложений и отвальных пород под влиянием внешних пригрузок, увлажнения атмосферными осадками и консолидации. Обычно это наименее опасный вид нарушения устойчивости, однако в определенных условиях может служить причиной серьезных нарушений режима работы, аварий и травм.

Фильтрационные деформации, вызываемые подземными водами, разделяются на оплывание, выпор, механическую суффозию и фильтрационный вынос вдоль трещин.  

Оплывание связано с переносом и переотложением грунтовых частиц подземными водами, вытекающими на откос в пределах промежутка высачивания; наибольшее развитие процесс получает в песчаных грунтах. Оплывины, наряду с явлениями суффозии, фильтрационного выпора, относятся к числу наиболее распространённых видов фильтрационного разрушения откосов несцементированных и обводнённых пород бортов карьеров. Оплывины характеризуются перемещением в виде потока насыщенных водой до текучего состояния некоторых разновидностей песчано-глинистых пород нарушенной структуры - пылеватых песков и глин, а также лессовидных суглинков и лессов. Оплывины захватывают значительные объемы пород, развиваются интенсивно, часто приобретая катастрофический характер. Оплывание может явиться причиной деформаций вышележащих пород

Фильтрационный выпор - нарушение устойчивости частично подтопленных песчаных откосов, при котором приходит в движение некоторый его объем; выпор происходит под влиянием сил тяжести и гидродинамического давления, которое играет в этом процессе основную роль.

Механическая суффозия - вынос мелких частиц из массива горных пород под влиянием гидродинамических сил. Суффозионные явления наблюдаются главным образом в песчаных и лёссовых грунтах

(A) A sinkhole developed as a result of groundwater lowering at a miner’s recreation centre at Venterspoort, South Africa. (B) Mechanisms of ravelling.

Фильтрационный вынос вдоль трещин носит эрозионный характер и может развиваться в слабосцементированных породах с характерной естественной трещиноватостью. В отдельных случаях фильтрационный вынос может привести к образованию подземных пустот и провальных воронок. Этот вид деформаций встречается редко и имеет существенное развитие лишь в слабосцементированных рыхлых песчаниках.

Из других видов деформаций откосов уступов и бортов карьеров, связанных с влиянием поверхностных и подземных вод, следует отметить поверхностную эрозию, выщелачивание и растворение пород.

Поверхностной эрозии подвержены песчано-глинистые рыхлые породы, слагающие борта карьеров. Эрозия развивается под воздействием на породы поверхностных потоков атмосферных или технических вод, а также подземных вод, вытекающих в карьер.       Выщелачаванию подземными водами чаще всего подвергаются карбонатные трещиноватые породы. Процесс выщелачивания развивается медленно, поэтому при отработке месторождений он не оказывает существенного влияния на устойчивость бортов карьеров. Однако наличие естественных карстов осложняет ведение горных работ и ухудшает устойчивость откосов, т.к. при вскрытии их возможны значительные водопритоки и вынос рыхлого заполнителя.        Наиболее существенное влияние на устойчивость бортов оказывает соляной карст, связанный с быстрым растворением солей (галита, ангидрита и др.), который может явиться причиной обрушения борта карьера.

     Деформации в лессовидных породах (просадки) связаны с растворением цементирующих соединений; деформации носят локальный характер и, как правило, не оказывают существенного влияния на устойчивость бортов карьеров.

           На карьерах наблюдаются также провальные явления под влиянием подземных разработок и карстовых процессов.

Основными факторами, способствующими развитию деформаций откосов на карьерах, являются:

          а) наличие поверхностей ослабления - тектонических нарушений, поверхностей скольжения древних оползней, слабых контактов между слоями;

     б) обводненность пород и слабая их дренируемость;

     в) интенсивная трещиноватость отдельных участков;

     г) наличие прослоев слабых глинистых пород.

    

 Основными причинами развития деформаций откосов являются      а) несоответствие углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов или несоответствие их высот геологическим условиям;

     б) отсутствие дренажа или недостаточная его эффективность;      в) неправильное ведение горных работ (буро-взрывных, экскаваторных и др.) и очередности отработки участков;

     г) неправильная оценка устойчивости откоса или принятие углов откосов без достаточного обоснования.

     Указанные геологические факторы, снижающие прочность и устойчивость в откосах массива горных пород, невозможно с необходимой детальностью выявить при определении параметров откосов в период проектирования карьера они не могут быть учтены с необходимой полнотой. Детальное изучение неблагоприятных для устойчивости откосов геологических факторов производится в период строительства и эксплуатации карьеров.

Гидрогеологические факторы обусловливают развитие следующих процессов:

набухание, снижение прочности и местные деформации откосов песчано-глинистых пород под влиянием подземных, дождевых и талых вод;

оплывание откосов раздельно-зернистых и песчано-глинистых пород, вызываемое действием гидростатического взвешивания и гидродинамического давления;

суффозия;

выщелачивание засолённых песчано-глинистых и карбонатных пород и солей;

внезапные прорывы подземных вод при вскрытии карстовых полостей или нарушении режима дренажа.

К числу горнотехнических факторов относятся способ вскрытия, система разработки и отдельные производственные процессы.

Среди горнотехнических факторов, оказывающих влияние на устойчивость откосов твёрдых горных пород и величину углов наклона бортов, наибольшее значение имеет способ производства буровзрывных работ.

     

          

                .      

     

ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТАХ

TBM used to excavated the headrace tunnels of Jinping II

Jinping hydropower project: main technical issues on engineering geology and rock mechanics Bull Eng Geol Environ

Сбойка тоннеля, Альпы

Классификация горно-геологических явлений

Деформации вследствие нарушения естественного напряженного состояния массива при проведении горных выработок могут появиться сразу же после проведения выработки (в массивах слабых пород) или же по истечении некоторого времени, необходимого для образования значительного пролета выработки, развития необратимых деформаций (явления ползучести и релаксации) горных пород и изменения состояния и свойств самих горных пород в результате изменений механических условий деформирования, происходящих по мере развития горных работ, а также гидрогеологической обстановки, степени выветрелости пород и т. д.

Деформации горных пород под влиянием горных выработок вызываются массой вышележащих пород. В обводненных массивах пород к ним добавляются силы фильтрационного давления потоков подземных вод, устремляющихся в выработку. Под действием этих сил наблюдаются различные формы фильтрационного деформирования и разрушения горных пород.

Развитию деформаций препятствуют внутренние силы сопротивления (внутреннее трение и сцепление) горных пород и касательные напряжения, развивающиеся в подработанных массивах и стремящиеся удержать подработанную толщу пород в равновесии. Как силы внутреннего сопротивления горных пород массива, так и реактивные касательные напряжения не остаются постоянными в пространстве и во времени. Возникает очень сложный процесс развития напряжений и деформаций горных пород около горных выработок, в настоящее время исследованный только в простейших случаях.

В таблице (см. ниже) приведена схематическая классификация основных разновидностей горно-геологических явлений при подземной разработке месторождений полезных ископаемых.

Классификация горно-геологических явлений при подземной разработке

Группы явлений	Причины возникновения	Примеры
I. Гравитаци­онные и тектонические	Проявления горного давления	1. Сдвижение горных пород 2. Деформации подземных сооружений (выработок, целиков и пр.) 3. Пучение литифицированных глинистых пород 4. Отжим пород в зоне опорного давления 5. Горные удары 6. Внезапные выбросы угольной пыли и газов 7. Деформации породных отвалов
II. Гидродина-мические	Нарушения гидрогеологического режима	1. Фильтрационный выпор 2. Прорывы подземных вод и плывунов 3. Суффозионный размыв пород 4. Депрессионные деформации пород в поле водопонижения
III. Гидро-химические	Нарушения влажност­ного режима, химического состава поровой влаги и особенности минерального состава пород	1. Выщелачивание легкорастворимых пород 2. Пучение глинистых пород при их набухании 3. Проявления тиксотропных свойств истинных плывунов
IV. Гео­термические	Нарушения температурного режима горных пород	Деформации мерзлых пород при их замораживании или оттаивании

Возникновение горно-геологических явлений обусловлено одновременным действием естественной геологической обстановки и горнотехнологического процесса. В силу такой двойственной природы горно-геологического явления возникает возможность направленного воздействия (управления) с целью корректировки или изменения его параметров. В качестве примеров можно привести такие мероприятия, как управление кровлей в угольных лавах, уменьшение толщины крепи проходческих выработок за счет придания ей искусственной податливости, перераспределение напряжений в подработанном массиве пород путем изменения размеров и местоположения опорных целиков и пр.

Рассмотрим подробнее некоторые горно-геологические явления, наиболее распространенные при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений.