книги / Сдвижение горных пород на рудных месторождениях

тощих факторов. Они оказывают существенное влияние на характер и параметры процесса сдвижения, но распространены не повсеместно, а составляют особенности отдельных месторождений. К ним отно­ сятся крупные тектонические нарушения, несогласие залегания рудных тел и вмещающих пород, обводненность и др. Такие факторы не могут быть положены в основу классификации.

Системы разработки в некоторых нормативных документах, например во Временных указаниях по охране сооружений, соста­ вленных ВИИИЦветметом [47], положены в основу классификации месторождений по характеру сдвижения горных пород.

Известно, что выбор систем разработки месторождений суще­ ственно зависит от основных геологических факторов. Но эти же факторы определяют характер и параметры процесса сдвижения горных пород. Поэтому, если известны геологические условия и проч­ ностные свойства вмещающих пород какого-либо месторождения, то можно более или менее определенно сказать, какими системами оно будет разрабатываться и какой характер будет иметь процесс сдвижения. Так как в обоих случаях определяющими являются одни и те же факторы, то правильнее будет устанавливать характер и параметры процесса сдвижения в зависимости от этих факторов, а не посредством систем разработок. Это положение особенно важно для проектирования мер охраны сооружений на новых, неизучен­ ных месторождениях, когда недостаточно ясно, какие системы раз­ работок получат наибольшее распространение в данных условиях.

Внастоящее время более или менее определенно можно говорить

овлиянии на процесс сдвижения систем разработки с полной заклад­ кой выработанного пространства и камерно-столбовых с оставлением постоянных регулярных целиков. В первом случае процесс сдвиже­ ния приобретает более плавный характер, деформации земной по­ верхности уменьшаются, а углы сдвижения могут несколько увели­ чиваться. Во втором случае — процесс сдвижения горных пород обычно проявляется на земной поверхности через продолжительное

время после отработки залежей. Величины же углов сдвижения и в этом: случае зависят от строения и прочности пород.

Системы разработки являются весьма неустойчивым признаком. На одном и том же участке могут применяться различные варианты систем с обрушением пород и комбинированных. Характер влияния таких систем на параметры процесса сдвшкенпя не установлен. Поэтому влияние систем разработки следует учитывать в отдельных рекомендациях и специальных параграфах Правил охраны сооруже­ ний, но не в классификации месторождений и не в таблицах углов сдвижения, помещаемых в Правилах.

Форма, размеры и другие геометрические параметры рудных тел являются важными факторами, так как ими в конечном счете опре­ деляются форма и размер выработанного пространства. В зависи­ мости от соотношения размеров выработанного пространства и глу­ бины' разработок процесс сдвижения горных пород может происхо­ дить в условиях полной и л и неполной подработки [49].

Ш

При полной подработке процесс сдвижения горных пород по­ лучает наибольшее развитие, а углы сдвижения в главных сечениях мульды сдвижения — имеют минимальные значения. При неболь­ ших размерах выработанного пространства или наличии в вырабо­ танном пространстве целиков значительных размеров происходит неполная подработка земной поверхности и процесс сдвижения гор­ ных пород не получает полного развития, а иногда вообще не про­ является на земной поверхности. В таких случаях углы сдвижения становятся больше минимальных и могут принимать максимальные значения, т. е. становятся больше 90°.

Таким образом, в зависимости от соотношения размеров вырабо­ танного пространства и глубины разработок углы сдвижения мо­ гут изменяться от минимальных до максимальных значений. По­ этому этот фактор можно положить в основу классификации место­ рождений, как, например, это сделано в Правилах охраны сооруже­ ний для Криворожского бассейна. Но подобные классификации возможны на хорошо изученных месторождениях, когда другие факторы на них не претерпевают значительных изменений, контуры рудных тел известны, а углы сдвижения при различной степени подработанности установлены по результатам инструментальных наблюдений.

Величины углов сдвижения при неполной подработке зависят как от геологических факторов, так и от формы и размеров вырабо­ танного пространства. Последние же в процессе отработки место­ рождения непрерывно изменяются и окончательно устанавливаются лишь после отработки месторождения. На многих месторождениях точные контуры рудных тел обычно бывают неизвестны. Способы учета влияния размеров выработанного пространства на величину углов сдвижения в настоящее время разработаны слабо. Они исхо­ дят из того, что минимальные углы сдвижения (углы при полной подработке) на месторождении уже известны. Поэтому непосред­ ственно в общей классификации месторождений геометрические па­ раметры рудных тел учитывать не следует. Их влияние должно учи­ тываться после того, как на месторождении инструментальными наблюдениями или другими способами будут определены минималь­ ные углы сдвижения. Тогда, при необходимости, в минимальные углы сдвижения могут быть введены поправки за неполноту подра­ ботки.

Строение и механические характеристики (крепость) пород опре­ деляют основные свойства массива вмещающих пород. Вследствие этого они являются также основными факторами, определяющими характер, углы и другие параметры процесса сдвижения. В отличие от системы разработки или размеров выработанного пространства эти факторы в период отработки месторождения претерпевают не­ значительные изменения.

Между строением, механическими характеристиками вмещающих пород и углами сдвижения имеется определенная зависимость. Место­ рождения со слабыми и средней крепости породами сложены преиму-

щественно породами экзогенного (осадочного) или метаморфогенного происхождения, имеющими слоистое или сланцеватое строе­ ние. Углы сдвижения на месторождениях этого типа получаются относительно пологими. Месторождения с крепкими породами сло­ жены преимущественно породами эндогенного (магматического) и реже метаморфогенного происхождения, имеющими неслоистое строение. Углы сдвижения на месторождениях этого типа получаются более крутыми. Углы падения и крепость вмещающих пород на место­ рождениях первого типа заметно влияют на величину углов сдви­ жения (3 и PJ. На месторождениях второго типа влияние этих факто­ ров менее заметно.

Из сопоставления различных групп факторов, определяющих характер и параметры процесса сдвижения, намечается в общих

Все месторождения по структурным особенностям вмещающих пород целесообразно разделить на два типа: со слоистым (сланцева­ тым) строением пород и с неслоистым строением пород. В намеченных типах месторождении следует выделить группы месторождении с раз­ личной крепостью пород. Для учета влияния углов падения пород на углы сдвижения (3 и намеченные группы месторождений нужно разделить на подгруппы по углу падения пород.

В дополнение к классификации должны быть разработаны спо­ собы и рекомендации по учету факторов и особых условий разрабо­ ток, не получивших отражения в классификации (неполная под­ работка, системы разработок, тектоника и др.).

§21. Структурные особенности, механические свойства

иуглы падения вмещающих пород

Структурные особенности, механические свойства и углы па­ дения вмещающих пород составляют основу намеченной схемы классификации месторождений по характеру сдвижения горных пород, поэтому на них следует остановиться подробнее.

Структурные особенности толщи вмещающих пород характери­ зуются строением, слоистостью, сланцеватостью и трещиноватостью пород. Согласно известным определениям [50, 57] с л о и с т о с т ь является первичным признаком осадочной породы, выраженным в последовательном чередовании в пределах пластов тонких слоев различного цвета, состава, структуры и текстуры. Слоистость обу­ словлена неравномерностью осаждения осадков в водной и л и воз­ душной среде. В осадочных или пирокластических породах (вулка­ нические туфы), испытавших окаменение с изменением объема, сло­ истость обусловливает механическую делимость пластов на слон по поверхности осаждения или размыва (контактам слоев).

С л а н ц е в а т о с т ь является свойством метаморфических по­ род, выражающимся в образовании многочисленных более пли менее параллельных текстурных плоскостей пониженного сцепления по­ род, по которым порода, часто совершенно однородная, распадается

на плоские плитки или пластинки. Сланцеватость обусловлена тем, что пластинчатые, чешуйчатые и л и выветрелые минералы своими плоскими или длинными поверхностями располагаются параллельно друг другу, или наличием в породах линзовидных минеральных агрегатов, расположенных параллельно друг другу.

Под т р е щ и н о в а т о с т ь ю понимается совокупность си­ стем трещин различного происхождения, размеров и направлений. Некоторые авторы слоистость и сланцеватость пород относят к раз­ новидностям микротрещиповатости пород.

Структурные особенности пород обусловливаются историей фор­ мирования месторождений и вмещающих пород, их происхождением, или генезисом. По происхождению горные породы делятся на маг­ матические, осадочные и метаморфические. Соответственно этому в генетических классификациях месторождений выделяются три основные группы месторождений: 1) глубинные, или эндогенные; 2) поверхностные, или экзогенные и 3) измененные, или метаморфогенные.

При решении вопросов сдвижения горных пород прежде всего нужно знать не происхождение месторождений, а строение и механи­ ческие свойства слагающих их пород: являются ли они крепкими,

о метаморфизацпи пород помогают ориентироваться в этих вопросах, поэтому-то они и важны для нас.

В строении массивов магматических и осадочных пород имеются существенные различия: первые, как правило, слагаются крепкими, массивными неслоистыми породами, вторые — слоистыми, относи­ тельно более слабыми породами. Метаморфические породы занимают между ними промежуточное положение. В зависимости от характера и степени метаморфизацпи они становятся более прочными и моно­ литными или превращаются в слабые рассланцованные породы. Поэтому они по строению с некоторым приближением могут быть отнесены или к слоистым или к неслоистым породам.

Общей важной особенностью слоистости и сланцеватости яв­ ляется то, что они создают в массиве горных пород параллельно ориентированные поверхности ослабления, делая массив анизо­ тропным.

Слоистые осадочные и рассланцованные метаморфические по­ роды по своим механическим свойствам и характеру протекания процесса сдвижения в них имеют много общего и значительно от­ личаются от пород неслоистых. Это и явилось основанием для раз­ деления месторождений на два основных типа: 1) со слоистым строе­ нием пород и 2) с неслоистым строением пород.

Кслоистым следует относить породы осадочного происхождения

сявно выраженной слоистостью и контактами слоев, а также рас­ сланцованные метаморфические породы с хорошо видимой сланце­ ватостью. К неслоистым породам относятся малометаморфизованные изверженные породы и породы осадочного происхождения, утра­

тившие в результате метаморфизма первоначальную слоистость или не имевшие ее вообще (мраморизованные известняки, кристал­ лические сланцы, конгломераты и т. п.).

По генетическим признакам к п е р в о м у т и п у м е с т о ­ р о ж д е н и й относится большинство экзогенных осадочных место­ рождений, имеющих слоистое строение, а по строению пород — метаморфизованные месторождения типа уральских медных, сло­ женных сильно рассланцованными и трещиноватыми породами.

кристаллизации и дифференциации глубинных магматических распла­ вов и залегающие среди материнских изверженных пород. Они обычно представлены месторождениями вкрапленных и полосчатых руд, но могут иметь также жилообразные и пластообразные формы. Судить о строении вмещающих пород на месторождениях других генетических групп следует по генезису и характеру метаморфизации самих вмещающих пород, а не по генезису месторождений. На­ пример, весьма распространенные гидротермальные месторождения, представленные обычно рудными жилами, могут залегать как среди неслоистых изверженных, так и среди слоистых осадочных или рассланцованных метаморфических пород.

При чрезвычайном разнообразии пород в отдельных случаях бывает затруднительно решить, к какому типу следует относить то или иное месторождение. Однако в целом такое разделение место­ рождений по строению пород на два типа целесообразно. Типы ме­ сторождений существенно отличаются характером процесса сдви­ жения пород и величинами углов сдвижения.

На месторождениях со слоистыми и рассланцованными породами в массиве имеются упорядоченно расположенные поверхности осла­ бления в виде слоистости, сланцеватости, контактов слоев и трещин отдельности. Слоистость и сланцеватость, обычно ориентированные параллельно рудным телам, делят массив на слои. Трещины отдель­ ности, во многих случаях нормальные к напластованию, разбивают слои на блоки. Такая структура массива предопределяет характер сдвижения подработанной толщи пород. Вне зоны беспорядочного обрушения сдвижение пород висячего бока происходит преимуще­ ственно в форме последовательного расслоения массива на слои и прогиба их в сторону выработанного пространства. Сдвижение пород лежачего бока при наклонном и крутом залегании слоев происходит в форме сползания их по контактам, поверхностям на­ слоения и сланцеватости.

На месторождениях второго типа, сложенных крепкими не­ слоистыми породами, поверхности ослабления представлены тре­ щиноватостью. Трещины разбивают массив на структурные блоки. В отличие от слоистости, ориентировка трещин относительно руд­ ного тела может быть различной, вследствие этого размеры и ориен­ тировка структурных блоков могут быть разнообразными. В таких

условиях сдвижение пород начинается в форме отрыва от массива крупных блоков пород по наиболее слабым поверхностям и смеще­ ния блоков в сторону выработанного пространства. При этом про­ исходит разрушение крупных блоков на более мелкие. Образование поверхностей отрыва, а также разрушение первоначальных круп­ ных блоков пород происходит по уже имеющимся в массиве трещи­ нам. В образовании поверхностей отрыва обычно участвуют несколько систем трещин, преимущественно крутопадающих.

При прочих равных условиях процесс сдвижения слоистых пород протекает более плавно и характеризуется более пологими углами сдвижения, чем при сдвижении неслоистых пород (см. табл. 17 и 18). При слоистых породах с увеличением глубины раз­ работок, как правило, происходит значительное увеличение зоны плавных сдвижений в краевых частях мульды сдвижения. Как будет показано ниже, углы сдвижения в слоистых породах зависят от крепости и углов падения пород.

При неслоистых породах граница мульды сдвижения более резкая. Она обычно совпадает с крайней трещиной на земной по­ верхности. В этом случае углы сдвижения часто по величине равны углам разрывов. Углы сдвижения более крутые, чем при слоистых породах, и практически не зависят от крепости пород и углов па­ дения рудных тел.

Важной структурной особенностью пород является их трещи­ новатость. Говоря о влиянии трещиноватости на характер и пара­ метры процесса сдвижения, нужно различать крупные тектонические трещины, прослеживаемые на десятки и сотни метров, и мелкую трещиноватость тектонического происхождения, трещины отдель­ ности и т. п. Крупные трещины, попадая в область сдвижения горных пород, особенно будучи подрезанными горными работами, создают благоприятные условия для развития процесса сдвижения в форме сдвига или сползания пород по трещине. Поэтому они ока­ зывают непосредственное влияние на углы сдвижения и разрывов, делая их более пологими или крутыми в зависимости от элементов залегания трещин и расположения их относительно выработанного пространства. Мелкая трещиноватость снижает прочностные свой­ ства горных пород в массиве. Практика показывает, что, чем силь­ нее нарушен массив трещиноватостью, тем ниже будут его прочност­

Это положение достаточно обосновано для условий открытых разработок и количественно учитывается при расчетах углов наклона бортов карьеров [40]. Для условий подземных разработок таких рекомендаций еще не имеется. В настоящее время нет даже общепризнанного количественного определения степени трещино­ ватости пород. Оценки ее в действующих Правилах охраны соору­ жений не дается, а на практике она нередко имеет субъективный характер.

На основании имеющихся данных об уменьшении углов сдвиже­ ния в сильно трещиноватых или рассланцованных породах (рудники Таштагольский, Кадамджай, ряд уральских медноколчеданных ме­ сторождений) рекомендуется уменьшать углы сдвижения в таких условиях примерно на 5° по сравнению с углами сдвижения в по­ родах средней и слабой трещиноватости. Чтобы избежать субъек­ тивности в оценке трещиноватости ее следует характеризовать средними размерами структурных блоков, на которые порода раз­ бивается трещинами, как это сделано ниже.

К сильно рассланцованным следует относить породы тонко­ пластинчатого, листового или чечевицеобразного строения с толщи­ ной слоев или пластин от долей миллиметра до нескольких санти­ метров.

При сопоставлении результатов изучения трещиноватости по­ род с данными натурных наблюдений неоднократно отмечалось близкое совпадение углов разрывов с углами падения одной из си­ стем трещин. На этом основании, полагая, что мелкая упорядо­ ченная трещиноватость создает анизотропность свойств массива пород, А. Г. Акимов и А. Ф. Смирнов предложили способ определе­ ния углов разрывов (см. § 27), основанный на предпосылке, что сдвижение происходит в форме сдвига пород по активным системам трещин. Причем угол падения наиболее пологой активной трещины равен углу разрывов. Но это, согласно общим схемам сдвижения, описанным выше, может иметь место в действительности главным образом в неслоистых трещиноватых породах. Для применения спо­ соба необходимо детально изучить трещиноватость пород, опреде­ лить элементы залегания систем трещин и установить, что сдвиже­ ние пород на месторождении действительно происходит в форме сдвига по трещинам. На новых малоизученных месторождениях получить такие данные затруднительно, что ограничивает примене­ ние этого способа на практике.

Важнейшими механическими свойствами горных пород являются их прочностные свойства. Под прочностью горной породы пони­ мается ее способность в определенных условиях и пределах, не раз­ рушаясь, воспринимать те или иные силовые воздействия. В гор­ ном массиве силовые воздействия возникают главным образом от веса налегающих пород. В элементарном блоке пород массива действию внешних сил противостоят внутренние силы. Эти силы, отнесенные к единице площади, называются напряжениями. В условиях рав­ новесия внутренние и внешние силы равны по величине н обратны по направлению. Относительно площадок, задаваемых в блоке пород, внешние силы и противостоящие им напряжения могут за­ нимать различное положение. Напряжения, направленные под

углом к заданнои площадке, можно разложить на составляющие: нормальные оп — перпендикулярные площадке и касательные т — параллельные площадке.

Прочность массива горных пород существенно зависит от его структурных особенностей и характера силового воздействия. Раз­ личают прочность пород в образце и в массиве, прочность по наслое­ нию и под углом к наслоению, прочность по различного рода поверх­ ностям ослабления. По характеру приложенных сил различают прочность при растяжении, сжатии, срезе, изгибе. Основными показателями прочностных свойств пород являются пределы проч­ ности при сжатии, растяжении, изгибе, а также угол внутреннего трения п сцепление пород. Пределы прочности численно равны наибольшим напряжениям, воспринимаемым породой без разруше­

мальных напряжений. Она ограничивает область прочных напря­ женных состояний породы, заключенную между этой линией п осью мормальных напряжений. На некотором отрезке ВС линию АВС ножно принять за прямую. Отрезок ОЕ, отсекаемый этой прямой на оси касательных напряжений, дает важный параметр прочности породы, называемый сцеплением К. Его можно понимать как со­ противление пород срезу при отсутствии нормальных напряжений.

Угол наклона прямой ВС к оси нормальных напряжений дает другой параметр прочности — угол внутреннего трения р. Тангенс угла р численно равен коэффициенту внутреннего трения. Послед­ ний является коэффициентом пропорциональности между прираще­ ниями нормальных и касательных напряжений при срезе. Сцепле­ ние горных пород в монолитных образцах изменяется в широких пределах. Для крепких изверженных пород оно составляет в сред­ нем 300—400 кГ/см2, у осадочных пород средней прочности — 20—200 кГ/сж2, у слабых, сильно выветрелых пород — 0,5— 20 кГ/см2. Коэффициент внутреннего трения пород изменяется в пре­ делах 0,16—0,75 (р = 9-Т-370). Для большинства прочных и сред­ ней прочности пород р колеблется в пределах 32—37°. У филлитов, аргиллитов, выветрелых сланцев он уменьшается до 26—29°, а у глин до 9 -1 8 ° .

Сцепление п угол внутреннего трения являются важнейшими параметрами прочности пород, используемыми при расчетах устой­ чивости бортов карьеров и отвалов [40]. Сущность расчетов заклю­ чается в отыскании в массиве пород, слагающих борт карьера, наиболее слабой поверхности и сравнении сил, удерживающих и сдвигающих призму возможного обрушения пород по этой поверх­ ности. Силы сдвигающие обусловливаются весом пород призмы об­ рушения, а удерживающие — трением и сцеплением пород. Проч­ ностные характеристики пород в массиве, используемые при расче­ тах, устанавливаются натурными и лабораторными испытаниями пород, а также с помощью эмпирических зависимостей, полученных путем обобщения большого фактического материала. Например, ве­ личина сцепления пород в массиве определяется с помощью следу­ ющей зависимости:

где /£м, К — сцепление в массиве и в образце;

а— коэффициент, зависящий от прочности породы в мо­ нолитном образце и характера трещиноватости. Он изменяется от 0,5 для слабоуплотненных и слабо­ трещиноватых песчано-глинистых отложений до 10 для крепких изверженных пород с развитой косо­ секущей трещиноватостью;

-j------отношение высоты борта карьера к среднему размеру

элементарных блоков пород, на которые массив раз­ бит трещиноватостью.

меньше сцепления в массиве, поэтому они сохраняют свойства ани­ зотропных поверхностей при любых размерах деформирующегося массива.

Анизотропность поверхностей, параллельных несплошным мелким трещинам, проявляется при ограниченных размерах деформирую­ щегося массива. При II 80/ сцепление пород в массиве становится меньше, чем по этим трещинам при плоском скольжении и при сдви­ жении пород происходит не плоское скольжение, а вращательное перемещение элементарных блоков пород в определенной зоне, прилегающей к поверхности скольжения. Поэтому ориентировка мелкой упорядоченной трещиноватости в пространстве при расче­ тах углов наклона бортов карьеров не учитывается, а принимаются во внимание только размеры блоков и характер трещиноватости (нормальносекущая или кососекущая трещиноватость).

Выше были приведены некоторые общие положения о влиянии прочностных свойств и структурных особенностей пород на устой­ чивость бортов карьеров. Многие из них будут, очевидно, справед­ ливы также для условий подземных разработок. Но количественные зависимости параметров процесса сдвижения от прочностных ха­ рактеристик пород для этих условий в настоящее время разработаны плабо, и оценка механических свойств пород в этом случае произ­ водится преимущественно одним показателем — крепостью пород по классификации М. М. Протодьяконов а, в которой коэффициент крепости пород / устанавливается посредством деления предела проч­ ности пород при одноосном сжатии на 100 с последующим округле­ нием до целого числа.

Данные инструментальных наблюдений показывают, что углы сдвижения определенным образом связаны с крепостью пород. С уве-

личением крепости пород происходит увеличение углов б, у и Углы р существенно зависят от угла падения пород, поэтому их взаимосвязь с крепостью пород более сложная.

Зависимость углов сдвижения б от крепости пород для угольных месторождений установлена Д. А. Казаковским [22, 61] на основа­ нии обобщения большого фактического материала и не вызывает ■сомнения. Для более сложных и разнообразных условий разработки рудных месторождений данных имеется меньше и оценка этого фак­ тора в различных Правилах охраны сооружений дается разная. Это можно проследить по величине углов сдвижения б, которые принято считать независящими от углов падения вмещающих пород (табл. 15, рис. 57).

Дадим некоторые пояснения к табл. 15 и рис. 57. Железоруд­ ные месторождения Урала имеют различную крепость пород, и влия­ ние крепости на величину углов сдвижения весьма заметно. Ураль­ ские медноколчеданные месторождения по крепости пород довольно однообразны. Для них характерна частая перемежаемость слоев различных пород, сильная трещиноватость и рассланцованность крепких пород. Крепость пород в массиве в этом случае на всех месторождениях примерно одинакова, поэтому влияние ее на углы •б незначительно, в Правилах она практически не учитывается.