книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

в а н и е и г и д р о д и н а м и ч е с к о е д а в л е н и е ; совместное их. влияние учитывается как гидростатическое давление, распределен­ ное по потенциальной поверхности скольжения и направленное по нормали к ней.

Из других гидрогеологических факторов на устойчивость откосов оказывают влияние оплывание, суффозия, выщелачивание пород, фильтрационный вынос вдоль трещин.

Из к л и м а т и ч е с к и х факторов важнейшим являются темпера­ турный режим района и количество атмосферных осадков. Рельеф поверхности также играет важную роль в устойчивости бортов карь­ еров и, в особенности, отвалов. -

К группе г о р н о т е х н и ч е с к и х факторов, влияющих на устой­ чивость бортов карьеров и определяющих их параметры и парамет­ ры откосов уступов следует отнести: режим и скорость проведения горных работ в карьере; способ производства буровзрывных работ; способ заоткоски уступов и оформление площадок уступов; подра­ ботка бортов карьеров подземными горными выработками.

К настоящему времени предложен ряд м е т о д о в р а с ч е т а устойчивости естественных откосов и бортов карьеров. Среди них, прежде всего, следует выделить м е т о д п р е д е л ь н о г о н а п р я ­ ж е н н о г о с о с т о я н и я , отличающийся строгой математической обоснованностью. Разработка этого метода завершена советскими учеными: В. В. Соколовским и С. С. Голушкевичем. Метод предель­ ного напряженного состояния исходит из условия, что предельное равновесие удовлетворяется в каждой точке некоторой области мас­ сива; метод применим к откосам равноустойчивого (вогнутого) профиля. Откосы с профилем, отличающимся от равноустойчивого, рассчитываются инженерными методами предельного равновесия. Из инженерных методов следует выделить метод монолитного от­ сека обрушения, основанный на допущении круглоцилиндрической поверхности обрушения, алгебраического сложения сил по кругло­ цилиндрической и монотонной криволинейной поверхности сколь­ жения и многоугольника сил при монотонной криволинейной и ло­ маной поверхностях скольжения.

Благодаря работам В. В. Соколовского, С. С. Голушкевича, В. Г. Березанцева, Г. М. Шахунянца, Р. Р. Чугаева и др. [18] раз­ работаны надежные инженерные методы расчета устойчивости бортов карьеров.

При оценке устойчивости откосов все расчетные методы исходят из предположения, что смещение оползневого клина происходит в результате одновременного преодоления сопротивления сдвигу по­ род в пределах всей потенциальной поверхности скольжения, т. е. в момент предельного равновесия на любом участке поверхности скольжения соблюдается условие Кулона

(9.1)

280

где <С — действующее, по площадке скольжения, касательное на­ пряжение;

(jn — нормальное к площадке сколькжения напряжение, кг/см2; JD — угол внутреннего трения, град.;

К. — сцепление, кг/см2.

Однако некоторые исследователи (М. Н. Гольдштейн, Г. И. ТерСтепанян и др.) считают, что зарождение потенциальной поверхно­ сти скольжения происходит в виде проявления очагов ползучести

развитии оползней и обрушений, вследствие концентрации напряже­ ний в основании откоса, начинается с основания и распространяется вверх по поверхности скольжения; ряд исследователей (А. П. Пав­ лов, Н. Я. Денисов и др.) считает, что в зависимости от условий разрушение пород в откосе и формирование поверхности скольже­ ния может начаться либо в основании откоса, либо с поверхности.

Исследованиями ВНИМИ установлено, что массив горных пород

воткосе испытывает деформации сдвига. Поверхность скольжения формируется в области максимальных касательных напряжений в результате развития деформаций скашивания с приближением от­ коса к предельному напряженному состоянию. Наблюдениями в од­ нородном откосе не установлено существенного изменения величины сдвига вдоль поверхности скольжения.

Вслоистом массиве горных пород, обладающих различными де­ формационными характеристиками, предельное состояние более жестких слоев наступает при деформациях, при которых в более мягких и пластичных слоях напряжения еще не достигают предель­ ных величин; поэтому можно считать, что вдоль поверхности сколь­ жения предельные величины сопротивления сдвигу слоистого масси­ ва горных пород несколько меньше алгебраической суммы сопротив­ лений сдвигу отдельных слоев.

Результаты исследований устойчивости бортов карьеров исполь­ зуются при определении оптимальных параметров устойчивых бор­ тов карьеров и закладываются в проекты новых и проекты рекон­ струкций старых карьеров. Поскольку удельный вес открытых работ

вобщем объеме горных работ с каждым годом увеличивается (на­ пример, добыча железных руд открытым способом к 1970 году со­ ставляет 78% всего объема добычи) важность проблемы со вре­ менем возрастает.

Внастоящее время решением проблемы устойчивости бортов занимается ряд научно-исследовательских институтов, в том числе ВНИМИ, УкрНИИпроект, ВИОГЕМ, ИГД МЧМ и др.

281

§35. Методы и средства комплексных исследований устойчивости бортов карьеров и откосов отвалов

Методика комплексных исследований устойчивости бортов карь­ еров и откосов отвалов, также, как и методика исследований по дру­ гим проблемам механики горных пород, включает натурные, лабо­ раторные и аналитические исследования (см. гл. I—V).

Аналитические исследования вопросов устойчивости откосов на

чивости откосов для конкретных геологических условий изучаемого месторождения или для определенных типовых условий. Практиче­ ская полезность и надежность предлагаемых аналитических методов расчета устойчивости откосов зависит от того, в какой степени ими могут учитываться важнейшие природные факторы, влияющие на устойчивость откосов. Поэтому, натурные исследования геологиче­ ских, гидрогеологических и физико-географических факторов, влияю­ щих на устойчивость откосов, и изучение характера их влияния на деформирование и устойчивость откосов являются первоочередными и важнейшими этапами комплексных исследований.

Наряду с детальным изучением геологических и гидрогеологиче­ ских условий месторождений (т. е. среды, в которой проходятся горные выработки), неотъемлемой частью натурных исследований являются инструментальные наблюдения за деформациями и сме­ щениями горных пород в окрестности горных выработок.

Общие сведения о деформациях откосов на карьерах

Методика изучения устойчивости бортов карьеров и откосов от­ валов находится в прямой зависимости от характера деформирова­ ния откосов в процессе проходки открытых горных выработок.

Как известно, в естественных условиях горные породы находятся в условиях всестороннего сжатия (см. § 23).

На параметры тензора напряжений естественного массива гор­ ных пород оказывают влияние гравитационные и тектонические силы, а также гидрогеологические условия. Первичная неравномерность всестороннего сжатия, обусловленная тектоническими силами или постепенным накоплением (наслоением) осадочных пород, сгла­ живается с течением времени под влиянием реологических процес­ сов, в том числе — релаксации касательных напряжений.

Проведение открытых горных выработок приводит к перераспре­ делению напряжений в массиве и к росту касательных напряжений в прибортовой зоне массива, часто достигающих предельных вели­ чин, следствием чего и является появление оползней и обрушений бортов карьеров. При работе касательных напряжений деформиро­ вание проявляется в форме сдвига. Относительная величина сдвига S' в упругой стадии зависит от модуля сдвига данной горной поро­ ды и величины касательных напряжений:

(9-2)

282

Изменение касательных напряжений в массиве горных пород, прилегающем к открытой горной выработке, захватывает довольно широкую зону и, конечно, не одинаково в различных ее точках. Схема деформирования массива вблизи открытой горной выработки

через некоторое время после углубления карьера; стрелками изоб­ ражены векторы смещения отдельных точек массива, а кривая АВ' отображает сдвижения земной поверхности вблизи открытой горной выработки.

Для уяснения характера деформирования и сдвижения массива вблизи открытой горной выработки необходимо исходить из основ­ ных деформационных свойств горных пород (см. гл. II).

Рассмотрим характер деформирования и сдвижения горных по­ род в бортах открытой горной выработки.

Если на нормалях к линии, проведенной в массиве перпендику­ лярно борту, отложить отрезки, равные касательным напряжением, то в результате получим кривую IV с максимумом в некотором уда­ лении от поверхности борта (рис. 33).

На участке MN этой кривой напряжения превышают предел упругости гГу (для горных пород более характерен предел ползу­ чести, который условно можно считать близким к пределу упругости). Возникающие под влиянием этих напряжений пластические дефор­ мации сдвига изобразятся кривой V, а интегрирование этой кривой даст кривую смещений VI.

Точки с максимумом касательных напряжений и соответствую­ щим им максимумом деформаций сдвига имеются и по другим сечениям (1; 2; 4), и если соединить их плавной кривой, то полу­ чим поверхность наибольших напряжений, которая при предельных напряжениях становится поверхностью скольжения.

283

Изучение деформирования откосов на моделях из эквивалентных материалов показывает, что векторы сдвижения прибортового мас­ сива вблизи потенциальной поверхности скольжения параллельны ей, а величина их вдоль поверхности лишь на немного уменьшается сверху вниз. Такова картина распределения касательных напряже­ ний и деформаций сдвига, предшествующих обрушениям или опол­ зням в откосе однородных пород.

Если откос сложен слоями пород различного литологического состава, различной прочности и деформируемости и при этом поверх­ ность наибольших напряжений пересекает все слои, то общий вид деформирования борта остается примерно таким же, как и при его сложении однородными породами, однако предельные деформации в слоях более хрупких пород достигаются раньше, чем в слоях бо­ лее пластичных пород.

Тектонические нарушения и контакты между слоями при их опре­ деленной ориентировке относительно откоса и относительно наибо­ лее напряженной поверхности являются поверхностями разрыва не­ прерывности деформаций. В этих условиях поверхности разрыва сплошности массива проявляются в виде экрана, за который дефор­ мации или совсем не распространяются или существенно сокраща-

Рис. 34. Примеры деформирования откосов при крутопадающих поверхностях ослабления (а) и при горизонтальной поверх­

ности в основании откоса (б).

i . — график см ещ ений; 2 — график сдвигов.

284

Кроме оползней И обрушений, динамика развития которых опи­ сана выше, на карьерах наблюдаются и другие, более простые виды нарушений откосов: осыпй, оплывины и просадки, описываемые ниже.

Изучение факторов, влияющих на деформирование и на устойчивость откосов

Полное предотвращение деформаций откосов на карьерах прак­ тически осуществить невозможно и задачей исследований устойчи­ вости бортов карьеров и откосов является определение пределов допустимых деформаций откосов, при которых не нарушается нор­ мальный режим горных работ, а также — разработка методов оп­ ределения этих деформаций.

Из рассмотрения характера деформирования горных пород вид­ но, что для предотвращения опасного проявления деформаций от­ косов, т. ё. для предотвращения возникновения оползней и обруше­ ний, необходимо откосам придавать такие углы (при заданной вы­ соте), при которых напряжения вдоль наиболее слабой поверхно­ сти не вызывают прогрессирующую ползучесть или пластические течения за время существования данного откоса.

Напряжения, вызывающие прогрессирующую ползучесть каж­ дой литологической разности горных пород с течением определенного времени, составляет некоторую часть ,от напряжений, вызывающих ее разрушение при стандартных испытаниях (при исследованиях ус­ тойчивости бортов карьеров и откосов отвалов, стандартными на­ зываются испытания на срез или трехосное сжатие без оттока поровой воды, при которых нагружение производится равномерно сту­ пенями или непрерывно с такой скоростью, чтобы разрушение об­ разца наступало через 10—15 мин после начала нагружения).

Стандартные испытания каждой литологической разности пород при определенной ее плотности и прочности (для которой строится единый осредненный график сопротивления сдвигу) сопровождается определением предела ползучести, являющегося наибольшей вели­ чиной напряжений, при которой за время стандартного испытания ползучесть пород практически незаметна. Для прочных пород пре­ дел ползучести почти совпадает с пределом пропорциональности нагрузок и деформаций, а для углистых пород предел ползучести условно равен таким напряжениям, при которых пластические де­ формации за одну минуту не превышают величины упругой дефор­ мации от одной ступени нагрузки, приблизительно равной 8—10% от предельной нагрузки. Подробно методика лабораторных испыта­ ний изложена в работах [9, 18].

В части методики лабораторных испытаний применительно к за­ дачам устойчивости бортов карьеров наименее изученными, подле­ жащими дальнейшей разработке и определению, являются следую­ щие вопросы, величины или зависимости:

1) предельные деформации сдвига, при которых начинается течение (прогрессирующая ползучесть), для пород различного

285

ерах важно лишь детально устанавливать гидрогеологический ре­ жим на все стадии строительства и эксплуатации карьеров.

К фильтрационным деформациям относятся: оплывание, выпор, механическая суффозия, фильтрационный вынос вдоль трещин.

С целью выявления роли подземных и поверхностных вод в формировании оползней и обрушений бортов карьеров и отдельных уступов должны проводиться систематические наблюдения за филь­ трационными деформациями. Для этого на участках развития де­ формаций выясняется, из какого водоносного горизонта идет поступ­ ление воды; по наблюдательным скважиным определяется положе­ ние депрессионной кривой в теле потенциального оползня и вблизи него; бурением неглубоких скважин выявляется величина напора; фиксируются источники дополнительного увлажнения пород на участ­ ке оползня. Все эти наблюдения сопровождаются изучением процес­ сов набухания и изменения влажности глинистых пород для оценки влияния их на прочность пород.

При исследовании устойчивости отвалов рыхлых пород основное внимание должно быть сосредоточено на изучении процессов уплот­ нения отвалов, возникновения и рассеивания порового давления в них, а также на определении физико-механических свойств отваль­ ной массы и пород основания. Устойчивость отвалов скальных пород определяется физико-механическими свойствами пород основания отвалов, либо сопротивляемостью сдвигу контакта между отвальной массой и породами основания.

Маркшейдерские наблюдения за деформацией бортов карьеров

Маркшейдерские наблюдения за деформацией бортов карьеров и откосов отвалов, в свете изложенных в § 34 представлений о де­ формировании откосов в процессе проходки открытых горных выра­ боток, являются основным этапом исследований устойчивости отко­ сов на карьерах.

Методика проведения маркшейдерских наблюдений за деформа­ цией бортов карьеров подробно изложена в инструкции [5]. Поэто­ му здесь излагается лишь вопрос об интерпретации результатов наблюдений.

Основной целью инструментальнь’х маркшейдерских наблюде­ ний является установление количественных показателей развития

деформаций отдельных участков бортов с течением времени, в за­ висимости от геологических условий и развития горных работ.

В задачу инструментальных маркшейдерских наблюдений вхо­ дит также определение предельных деформаций сдвига для различ­ ных инженерно-геологических комплексов.

''Наиболее полные данные о характере деформаций откосов полу­ чают путем наблюдений за смещениями реперов, заложенных по профильным линиям, которые располагаются в направлении наиболь­ шего наклона борта.

287

Профильные линии в первую очередь закладываются на менее устойчивых участках, где имеются факторы, способствующие раз­ витию деформаций; к таким факторам относятся:

Длина наблюдательных профильных линий устанавливается из такого расчета, чтобы при максимальной глубине карьера часть ре­ перов оставалась в недеформируемой зоне (опорная часть линий); при закладке профильных линий для кратковременных наблюде­ ний за действующими оползнями длина опорной части линий прини­ мается от 50 до 150 м, в зависимости от условий местности и глубины карьера. Длина рабочей части линии зависит от протяженности от­ коса по линии наибольшего наклона борта и может достигать 300 м и более.

Расстояния между реперами принимаются от 5 до 30—40 м, в зависимости от высоты уступов, ширины площадок и общей наклон­ ной длины оползневого участка.

Общим требованием к конструкции реперов является обеспече­ ние сохранности на весь период запланированных наблюдений и ус­ тойчивая связь репера с грунтом, чтобы сдвижения реперов точно соответствовали сдвижению пород в местах их закладки.

Точность геодезической привязки опорных реперов профильных линий должна соответствовать точности определения координат пунктов съемочного обоснования (следует обратить внимание на необходимость ежегодно повторно определять высотные отметки опорных реперов от постоянных реперов, удаленных от карьера на расстояние не менее радиуса влияния карьера или его дренажной системы на уровень водоносных горизонтов района, вмещаемых глинистыми породами).

Погрешности определения координат рабочих реперов профиль­ ных линий не должны превышать 8—10% от величины смещений реперов за соответствующий период между смежными сериями на­

блюдений.

Периоды между сериями наблюдений по профильным линиям могут изменяться от 5—10 дней до 1 года, в зависимости от величины подвижек, их скорости, целевого назначения наблюдений, категорий сооружений, которым угрожают оползни или обрушения.

Все измерения в каждой серии производятся с контролем (кон­ троль осуществляется или замыканием полигонов — при двух-трех линиях наблюдений, или путем повторных измерений).

По каждой наблюдательной профильной линии строят геологи­ ческий разрез в одинаковом вертикальном и горизонтальном

288

масштабе, на который наносят профиль борта до оползня, контур борта к моменту первой серии наблюдений, и пополняют этот про­ филь при последующих сериях наблюдший (рис. 35).

На геологическом разрезе отражают: литологический состав по­ род, их залегание, уровни вод водоносных горизонтов и величины напоров воды в них, все тектонические нарушения, трещиноватость, а также обнажившийся участок поверхности скольжения.

Рис. 35. Результаты натурных наблюдений.

В верхней части графика над геологическим разрезом строят векторы смещения каждого репера за время между смежными се­ риями наблюдений, а также величины деформаций сдвига, опреде­ ляемые как отношения разности длин смежных векторов Q смещений к расстоянию Ь между реперами, умноженному на синус угла на­ клона оСд векторов относительно поверхности, на которой эти репера заложены:

Л4 — Oft— ___

На этом же чертеже строят графики изменения скоростей сме­ щения реперов по линиям и изменения во времени скоростей сме­ щения отдельных характерных реперов профильных линий.

Интерпретация результатов инструментальных наблюдший за деформациями бортов карьеров и откосов отвалов заключается в следующем:

289