книги / Основы механики горных пород

месторождения и параметры системы разработки в значитель­ ной мере определяются особенностями сдвижений и деформа­ ций горных пород в каждых конкретных условиях.

Деформации пород в карьере начинаются обычно сразу же после образования открытой горной выработки и происходят практически в течение всего срока службы. Различают не­ прерывные и циклические процессы. К непрерывным, т. е. про­ исходящим с практически постоянной скоростью, относят оседания, осыпи, суффозионные и поверхностные оплывания, к циклическим, т. е. идущим с переменной скоростью — оползни, обрушения и т. д. Наибольшую опасность представляют цикли­ ческие процессы.

Для правильного проектирования и ведения горных работ необходимо знать формы проявления процессов сдвижения и уметь прогнозировать характер их развития и возможные по­ следствия. Необходимо также надежно определять меры и рас­ считывать основные параметры (форма уступов и бортов карье­ ров, их высота и др.), обеспечивающие устойчивость уступов, бортов и отвалов в период разработки.

Рассмотрим основные формы проявления процессов сдвиже­ ния на карьерах.

О п о л з е н ь — медленное смещение масс горных пород, сла­ гающих откос (а иногда и его основание), происходящее в виде скользящего движения между смещающимися породами и не­ подвижным массивом. Это наиболее распространенный и круп­ ный вид нарушения устойчивости откосов, связанный с нали­ чием в толще пород пластичных прослойков, слоев и слабых контактов. Оползни происходят при углах наклона, бортов и откосов уступов положе 25—35°. Активная стадия оползней протекает в течение значительного времени (от нескольких ча­ сов до месяцев). Поскольку оползни нередко вовлекают в дви­ жение значительные массы горных пород (до нескольких мил­ лионов кубических метров), они являются часто причиной пол­ ного прекращения работ в карьерах.

Развитие оползня сопровождается обычно образованием трещин отрыва, размеры которых характеризуют глубиной их распространения, шириной раскрытия и протяженностью. По скорости развития трещин можно судить о ходе развивающейся деформации. Ее называют иногда скоростью «подвигания» от­ рывающегося блока.

Оползневой цикл складывается из процесса перехода мас­ сива пород, прилегающих к откосу, из равновесного в неравно­ весное состояние и затем в новое равновесное состояние.

О б р у ш е н и е — быстрое смещение породных масс или бло­ ков и пачек пород, слагающих откос, сопровождающееся дроб­ лением смещающейся части массива. Поверхность отрыва обрушающихся пород, как правило, совпадает с различного рода

структурными ослаблениями массива и имеет наклон, превы­ шающий угол внутреннего трения. Поэтому после преодоления сил сцепления оторвавшийся массив не может удержаться на этой поверхности силами трения и перемещается вниз к по­ дошве откоса. Активная стадия обрушения протекает практи­ чески мгновенно, что представляет большую опасность для лю­ дей и механизмов, работающих на нижележащих уступах. Об­ рушения возникают при углах откосов, превышающих 25—35° и захватывают иногда значительные части массивов горных пород.

О п л ы в и н а — перемещение в виде потока насыщенных во­ дой до текучего состояния некоторых разновидностей песчано­ глинистых пород нарушенной структуры (пылеватых песков и глин, лёссовидных суглинков, и лёссов) которые растекаются по площадкам уступов под углом 4—6° и менее. Оплывины за­ хватывают значительные объемы пород, развиваются весьма интенсивно, часто приобретая катастрофический характер.

О с ы п ь — разрушение и смещение приповерхностной части крутых откосов. Осыпи формируются в течение значительного периода времени (нескольких лет) и характерны для всех ти­ пов горных пород. Они вызывают выполаживание общего угла наклона борта карьера за счет уменьшения площадок уступов. Известны случаи, когда осыпи являлись источниками образова­ ния более крупных нарушений устойчивости: оползней, оплывин и др.

П р о с а д к а — неравномерное вертикальное опускание пло­ щадок уступов и поверхности отвалов, сложенных высокопори­ стыми рыхлыми породами естественной и нарушенной струк­ туры под влиянием собственного веса, внешних пригрузок, ув­ лажнения атмосферными осадками, динамических нагрузок и т. п.

При просадках, как правило, не образуется сплошной по­ верхности скольжения. Обычно это наименее опасный вид на­ рушения устойчивости, однако в определенных условиях он может служить причиной серьезных нарушений режима ра­ боты, аварий и травм.

Ф и л ь т р а ц и о н н ы е д е ф о р м а ц и и , вызываемые под­ земными водами, разделяют на оплывание, выпор, механиче­ скую суффозию и фильтрационный вынос вдоль трещин. Оплы­ вание связано с переносом и переотложением грунтовых частиц подземными водами, вытекающими на откос в пределах уча­ стка их высачивания. Наибольшее развитие этот процесс полу­ чает в песчаных грунтах.

Фильтрационный выпор — это нарушение устойчивости ча­ стично подтопленных песчаных откосов, при котором приходит в движение некоторый его объем. Выпор происходит под влия­ нием сил тяжести и гидродинамического давления. Механиче-

карьеров и используемых в период их строительства и эксплуа­ тации.

Поскольку на характеристики процессов сдвижения горных пород влияют многие факторы, не все из которых бывают до­ статочно хорошо изучены к началу строительства и эксплуата­

По результатам этих наблюдений корректируют параметры карьеров и разрабатывают противодеформационные меро­ приятия.

Согласно «Инструкции по наблюдениям за деформациями бортов, откосов, уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости» [52] при откры­ том способе отработки месторождений необходимо выполнять следующий комплекс работ (или часть его) :

а) проводить систематические глазомерные наблюдения за состоянием откосов в карьере и на отвалах:

б) изучать геологические и гидрогеологические условия ме­ сторождения условия залегания породных слоев, структуру мас­ сива полезного ископаемого, налегающих и вмещающих пород, пород основания отвалов;

в) выявлять зоны и участки возможного проявления разру­ шающих деформаций откосов на карьерах и организовывать на этих участках стационарные инструментальные наблюдения; г) проводить инструментальные наблюдения за деформа­

циями бортов уступов и откосов отвалов; д) изучать возникающие нарушения устойчивости, устанав­

ливать их характер, степень опасности и причины возникнове­ ния, документировать их;

е) составлять проекты искусственного укрепления ослаблен­ ных зон и участков, контрфорсов, пригрузок откосов, специаль­ ной технологии горных работ и других мероприятий по борьбе с разрушениями откосов на карьерах;

ж) осуществлять систематический контроль за состоянием противодеформационных сооружений и выполнением мероприя­ тий, предотвращающих развитие нарушений устойчивости от­ косов;

з) следить за соблюдением проектных параметров откосов уступов, отвалов и бортов карьеров, корректировать углы отко­ сов рабочих уступов и отдельных участков рабочих бортов.

Методика закладки наблюдательных станций и проведения наблюдений на них определяется поставленными задачами и условиями разработки месторождения.

Для проведения инструментальных наблюдений за деформа­ циями бортов карьеров и откосов отвалов закладывают спе­ циальные наблюдательные станции, состоящие, как правило, из нескольких профильных линий грунтовых реперов. Наблюдения

Рис. 116. Схема к определению размеров профильной линии для наблюде­ ний за деформациями бортов карьеров.

на этих станциях должны начинаться одновременно с началом развития вскрышных работ на карьерах.

Наблюдательные станции закладывают по проектам, содер­ жащим план станции в масштабе 1 1000 или 1:2000, краткую пояснительную записку и соответствующие геологические карты и разрезы. Реперы наблюдательной станции располагают по линиям, перпендикулярным к простиранию борта карьера в предельном положении. Крайние пункты профильной линии закладывают вне зоны деформаций, возникающих при углубке карьера до проектной глубины. Обычно линии располагают по всему карьеру (через оба противоположные борта и дно карьера), а при большой глубине карьера их закладывают на каждом борту карьера самостоятельно.

Профильная линия состоит из опорных и рабочих реперов.

между реперами на этих линиях в зависимости от их удаления от верхней бровки борта карьера должны быть следующими:

а) на участке призмы возможного оползания (обрушения) — от 5 до 15 м;

б) с удалением от верхней бровки карьера — от 15 до 30 м. На каждой площадке уступа закладывают не менее двух реперов: один вблизи бровки уступа, другой у подошвы выше­

лежащего уступа.

Исходные реперы, к которым производят привязку опорных реперов всех линий, должны быть в местах, обеспечивающих неизменность их положения в течение всего времени производ­ ства наблюдений, т. е. вне зоны влияния горных работ и за пределами зоны возможного оседания земной поверхности от снижения уровня подземных вод при дренаже карьерного поля.

Инструментальные наблюдения и их обработка состоят в основном из тех же операций, что и при подземной разра­ ботке месторождений, но при этом особое внимание обращают на направление и скорости смещения реперов, на характер,

протяженность и ширину трещин на земной поверхности и бер­ мах уступов.

Частоту наблюдений устанавливают в зависимости от ин­ тенсивности процесса сдвижения и решаемых задач. Она ко­ леблется от пяти-десяти дней до одного года. В отдельных случаях (при наблюдениях за активными оползнями со скоро­ стями смещения 10 мм/сут и более) наблюдения проводят еже­ дневно и даже несколько раз в сутки (при скоростях, близких к критическим, т. е. предшествующих срыву оползня).

На участках, где визуальным обследованием обнаружены признаки формирующихся нарушений устойчивости откосов, ча­ сто производят упрощенные маркшейдерские наблюдения. С этой целью закладывают временные наблюдательные стан­ ции, состоящие из обычных деревянных кольев и металлических стержней, забиваемых в грунт.

Для наблюдения за раскрытием трещин закладывают пар­ ные реперы (по обе стороны от трещины), представляющие со­ бой колья или стойки с закрепленными на них телескопиче­ скими оцифрованными рейками, мерными лентами или прово­ локами.

Упрощенные наблюдения за осыпанием породы состоят в измерении расстояний от осыпи до реперов, закладываемых горизонтально по откосу выше уровня осыпи с интервалом 1 м, и расстояний от поверхности откоса до рейки, соединяющей го­ ловки указанных реперов. На участках между соседними репе­ рами производят измерение углов откоса.

Для наблюдения за большими оползнями и определения их развития во времени и пространстве применяют метод наземной стереофотограмметрической съемки. Этот метод позволяет охва­ тить наблюдениями недоступные и опасные места уступов и бортов карьеров, оперативно и в большом объеме получать необходимую информацию о состоянии карьеров. Он менее тру­ доемок, чем традиционные маркшейдерские наблюдения, и исключает необходимость построения наблюдательных стан­ ций, что весьма важно при съемке крутых откосов, уступов, а также рабочих площадок, существующих непродолжительное время.

В последние годы для наблюдений за деформациями круп­ ных карьеров и их геометризации начинают применять аэрофотограмметрические методы съемок, которые позволяют быстро фиксировать состояние больших объектов (площадью 3—6 км2) и проводить наблюдения независимо от производства горных работ в карьерах и на отвалах. При этом методе практически отсутствуют «мертвые зоны», встречающиеся при наземной фо­ тограмметрической съемке, и отпадает необходимость в трудо­ емких работах по устройству базисов для установки фототео­ долитов. Оборудование, применяемое при аэрофотограмметри­

ческой съемке карьеров, методика съемки и обработки резуль­ татов, а также оценка ее точности приведены в работе [49].

Все чаще для изучения оползневых явлений на карьерах на­ чинают применять геофизические методы, особенно сейсмиче­ ские и электрометрические. В Московском горном институте [93] разработана высокоточная аппаратура, реализующая прин­ ципиально новые способы контроля устойчивости массивов на основе неразрушающих натурных испытаний, при которых оценка устойчивости производится по реакции массива на раз­ личные дестабилизирующие воздействия. Оперативный кон­ троль степени устойчивости массива производится измерителем перемещений по установленным зависимостям степени устойчи­ вости от деформаций, скоростей и знака-ускорений деформаций.

Эффективность перечисленных методов наблюдений за со­ стоянием массивов горных пород на карьерах существенно по­ вышается, когда они применяются в сочетании с традицион­ ными маркшейдерскими наблюдениями.

§80. МЕТОДЫ РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ УСТУПОВ

ИБОРТОВ КАРЬЕРОВ

Существующие расчетные методы условно можно раз­ делить на две группы: строгие и приближенные. В расчетах по строгим методам используют математический аппарат меха­ ники сплошных сред. Эти методы подробно изложены в спе­ циальной литературе и здесь мы на них останавливаться не будем. В практике горного дела наибольшее распространение получили приближенные методы, основанные на допущении, что сдвижение происходит по определенной для данных усло­ вий поверхности, по которой сдвигающие силы превышают удерживающие. Исходя из этого допущения, основное условие устойчивости горных пород в откосах записывают в виде

этой поверхности.

Отношение суммы удерживающих сил к сумме сдвигающих

рой это отношение наименьшее. Поверхность, по которой дей­ ствуют силы с отношением п —1, называют предельно напря­ женной или поверхностью скольжения.

Форма и местоположение в массиве поверхностей скольже­ ния зависят от ориентировки в пространстве тектонических на­ рушений, слоистости, сланцеватости и других крупных поверх­ ностей ослабления, от механических характеристик и объемного

веса пород, от высоты и угла наклона откоса. Существенное влияние на устойчивость откосов оказывает также наличие во­ доносных горизонтов, водоемов, открытых и подземных водо­ стоков в окрестностях карьера.

При расчетах устойчивости откосов рассматривают обычно две формы поверхностей скольжения: плоскую и круглоци­ линдрическую. Плоскую форму принимают в тех случаях, когда углы падения пород, слагающих откос, больше угла внутрен­ него трения по контактам слоев и меньше угла рабочего от­ коса уступа, т. е. в условиях, при которых происходит подрезка контактов между слоями. Плоская поверхность скольжения на­ блюдается и в тех случаях, когда происходит подрезка дизъ­ юнктивных нарушений или ярко выраженных трещин, падаю­ щих в сторону выемки под углами, превышающими угол внут­ реннего трения пород.

В остальных случаях при расчетах устойчивости откосов в связных горных породах (преимущественно при однородном или слоистом строении массива) принимают, как правило, круглоцилиндрическую поверхность скольжения.

Сопротивление сдвигу горных пород является величиной пе­ ременной, зависящей от ряда факторов, в том числе от нормаль­ ных напряжений, действующих по поверхности сдвига, т. е. т = /(о п). Обычно эту зависимость представляют в графической форме. В общем виде она криволинейна, однако в определен­ ных пределах может быть заменена прямой

ния, тангенс которого является коэффициентом внутреннего трения; стп и т — нормальная и касательная составляющие на­ пряжений по предельно напряженным площадкам, из которых слагается поверхность скольжения.

Поскольку большая протяженность бортов дает возмож­ ность при расчете их устойчивости ограничиваться решением плоской задачи объемного напряженного состояния, условие предельного равновесия записывают в следующем виде:

где 2,Ni и hTi — сумма нормальных и сдвигающих сил, дейст­ вующих по поверхности скольжения; fCp и тСр — средние значе­ ния коэффициента трения и сцепления по всей поверхности скольжения; L — длина расчетной поверхности скольжения.

Для определения устойчивости вертикальных обнажений горных пород существует несколько подходов. Так, проф.

Г Л. Фисенко предложил предельную высоту вертикального откоса в слоистом массиве определять по формуле [152]

Эта формула справедлива для условий, при которых слои пород падают в сторону массива, вертикальны, горизонтальны или падают в сторону выемки под углом меньшим, чем угол внутреннего трения по контактам слоев <рТр, и в массиве нет каких-либо поверхностей ослабления, падающих в сторону вы­ работки по углам р> ф .

В тех случаях, когда слои пород падают в сторону выемки под углом, большим угла внутреннего трения по контактам слоев, и имеется подрезка слоев, для определения предельной высоты подрезки h следует пользоваться формулой

Наименее благоприятным по фактору устойчивости является случай падения слоев под углом р= л/4+ф/2. В подобных слу­ чаях поверхности ослабления по контактам слоев играют второ­ степенную роль в устойчивости вертикальных обнажений, и в этих условиях высоту вертикального обнажения горных пород необходимо определять по формуле (335).

В заоткошенных уступах при плоской поверхности скольже­ ния в основании уступа не возникает площадок скольжения, так как высота подрезки h на этом участке меньше определяе­ мой по формуле (336). Призма, в основании которой нет пло­ щадок скольжения, противодействует сползанию вышележащих

Y c o s р s i n ( p — ф т р ) 0 — Y c t g a t g p )

Пределы применения этой формулы те же, что и формулы (336).

При круглоцилиндрической поверхности скольжения оценку устойчивости откосов производят следующим образом.

Участок откоса АБВ (рис. 117), ограниченный поверхностью скольжения АВ\В, делят на ряд вертикальных полос 1, 2, 3 ...

одинаковой ширины а. Принимая средние высоты полос ус­ ловно за их веса Qu разлагают последние на касательные и нормальные составляющие к поверхности скольжения.