2. Оползни бортов карьеров, вызыванные напорными водами

Многие крупные оползни на карьерах вызваны силовым воздей­ствием подземных вод: на каждый единичный объем горной породы влияют сила гидростатического взвешивания, направленная верти­кально вверх (см. раздел 1.3), и гидродинамические силы, направ­ленные вдоль линий тока фильтрационного потока и имеющие рав­нодействующую Ф₀ = у₀/ (см. раздел 1.5, формулу (1.71)).

Рассмотрим наклонный борт карьера, на котором располагаются внутренние отвалы (рис. 8.1). В основании борта под толщей аргил­литов лежит напорный пласт известняков с напором на кровлю Н₀. Под влиянием перепада напоров через аргиллиты идет восходящая фильтрация воды, приводящая к уменьшению эффективных напря­жений на скелет глинистых пород. Учитывая, что сила гидродинами­ческого давления направлена по нормали к пласту, причем /» Ш₀ — HJ/m, эффективное нормальное напряжение по площадке АА не­трудно определить по формуле

(8.1)

где у₀ — объемный вес пород с учетом взвешивания (см. раздел 1.3).

Отсюда видно, что при больших напорах гидродинамические силы Ф, выражаемые формулой

(8.2)

могут существенно снижать эффективные напряжения на скелет глинистых пород, вплоть до нулевых или отрицательных значений, что приводит к резкому уменьшению сил трения и интенсивному набуханию пород. В результате падает сопротивление массива сдви­говым деформациям и происходит оползень борта и внутренних от­валов, поверхность скольжения которого в нижней части обычно приурочена к контакту аргиллитов с водоносным пластом.

Уже из этого примера видно, что решающее влияние на устой­чивость откоса оказывает соотношение проницаемостей отдельных слоев, определяющее и направление гидродинамических сил, и их величину (градиент фильтрации). Отсюда следует, что для правиль­ного прогноза устойчивости и разработки защитных мероприятий необходимо иметь ясное представление о профильной структуре фильтрационного потока в прибортовом массиве. В простейших слу­чаях для этого можно использовать аналитические зависимости, а в

более сложных — ориентироваться на математические профильные модели. Для учета в этих моделях плановой структуры фильтраци­онного потока вблизи карьера предварительно следует построить сетку планового потока и полученные на ней ленты тока привести к плоским (см. раздел 8.3.3).

Рис. 8.1. Схема расчета эффективных напряжений вблизи откоса

3. Фильтрационные деформации пород вблизи горных выработок

Гидродинамическое давление является причиной механическо­го выноса отдельных фракций раздельнозернистых грунтов или на­рушения их структуры в целом. Соответствующие деформации мас­сива горных пород принято называть фильтрационными [22 ]. Не­редко они приводят к нарушению устойчивости горных выработок.

Рассмотрим простейшую задачу о равновесии элементарного объема несвязного грунта на поверхности затопленного фильтрую­щего откоса (рис. 8.2). Составим уравнение действующих сил — веса G, силы взвешивания Р_в, силы трения F_mp и гидродинамического давления Ф; учитывая, что последнее направлено в дан­ном случае перпендикуляр­но откосу (кстати, почему?) и стремится, таким образом, к выпору грунта, получаем следующее условие предель­ного равновесия:

(Рп-\-Я)йР=Ъ

(8.3)

ще р — угол трения;

знаками п и Т обозначены состав­ляющиеся!, нормаль- Рис. 8.2. Схема оценки подводного вы- ные и касательные

пора грунта к откосу.

Помня, что для единичного объема грунта \G— т_в\ =у_в, а IФI =у₀/, приходим к равенству

(у_в cos а_п-у₀1)tgp=Y_e sin а_п, <8.4)

где а_п — предельный угол откоса, устойчивого на выпор.

Таким образом, для определения предельного угла (Х_п необходи­мо знать градиент фильтрации вблизи откоса, который можно пред­варительно получить на профильной бумажной модели.

Более сложный характер приобретают фильтрационные дефор­мации на незатопленном откосе (рис. 8.3). Здесь, наряду с выпором, развивается процесс сноса частиц грунта с поверхности откоса под­земными водами, вытекающими на эту поверхность. Процесс этот называемый оплываникем откоса, в конечном счете и определяет его устойчивый профиль, в частности, предельную длину языка оплыва­ния 1_опл. Теорией доказано [22 ], что величина 1_опл для данного грунта однозначно определяется удельным притоком к откосу д_а, который и является, таким образом, основным исходным параметром для про­гноза деформаций.

Для подземных горных выработок одну из наиболее опасных фильтрационных деформаций представляет собой прорыв подзем­ных вод через водоупорный защитный слой. Например, для горизон­тального штрека (рис. 8.4) предельное условие равновесия для приз­мы ABCD имеет вид

^ ^{+ 7}'тр⁼^» (8.5)

масса призмы ABCD;

где G -

F -

_mp

Г ■

силы трения по боковым граням АС и BD;

равнодействующая сил гидростатического давле­ния по грани CD.

Рис. 8.3. Схема оплывающего откоса:

I - первоначальное положение откоса; 2 - оплывающий песок

Рис. 8.4. Схема оценки возможности прорыва подземных вод в штрек

Отсюда получаем предельное значение напора, отвечающее ус­ловию начала прорыва:

(8.6)

где Х_с — удельное сопротивление породы сдвигу;

у_п — объемный вес водоупорных пород, имеющих мощность т_в.

Итак, для оценки возможности прорыва необходимо знать ожи­даемый напоры по трассе штрека.