книги / Сдвижение горных пород.-1

1. Ф и с е н к о Г.Л., М о ч а л о в А.М., П у с т о в о й т о в а ТД . Дина­ мика развития деформаций откосов на карьерах. Материалы совещания по исследованию и внедрению управляемого обрушения уступов на

ТРУДЫ ВСЕСОЮЗНОГО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ИНСТИТУТА

ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА (В НИМИ)

Проф., докт. техн. наук Г.Л. Фисенко, канд. техн. наук Г.Р. Глозман, канд. геол.-мин. наук С.В. Кагермазова

ОСОБЕННОСТИ И НЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ ВОПРОСОВ УСТОЙЧИВОСТИ бо рто в

ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК в УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕЙ м е р зл о т ы

В зоне распространения многолетней мерзлоты располо­ жено около половины территории СССР. На этой территории сосре­ доточены огромные запасы полезных ископаемых, в том числе большая часть запасов угля.

В настоящее время уделяется большое внимание комплек­ сному развитию производительных сил Дальневосточного и Во­ сточно-Сибирского экономических районов. В районах распро­ странения многолетней мерзлоты будут расширены работы по раз­ ведке на уже открытых месторождениях и поискам новых уголь­ ных месторождений.

Инженерно-геологические и геокриологические условия место­ рождений, определяющие устойчивость бортов и уступов при от­ крытой разработке, чрезвычайно разнообразны и сложны.

Одними из основных задач инженерно-геологических иссле­ дований при разведке месторождений являются определения фи­ зико-механических характеристик горных пород и их структурных особенностей.

В условиях многолетней мерзлоты особое значение приобрета­ ет изучение физико-механических свойств пород в естественных условиях, так как многодегнемерзлые породы при оттаивании претерпевают необратимые изменения, выражающиеся в наруше­ нии их первичной структуры, изменении суммарной влажности. Поэтому, замораживая талые породы в лабораторных условиях (а затем испытывая их), нельзя достичь полного подобия их со­ стояния в естественных условиях. Таким образом, изучение физи­ ко-механических свойств на стадии разведочных работ (испытания керна сразу же при выемке его из скважин) важно и необходи­ мо, учитывая специфику многолетнемерзлых пород.

Многолетнемерзлые породы, будучи обнажены в откосах, под­ вергаются интенсивному выветриванию и последующему осыпа­ нию. Уступы, сложенные многолетнемерзлыми глинами, суглин­ ками, песчаниками, мергелями, склонны к оплыванию в весенне­ летний период. Оплыванию подвергаются также отвалы, отсыпан­ ные зимой из этих пород.

Указанные виды деформаций откосов уступов наблюдались нами на протяжении ряда лет при проведении исследований на карьёрах объединения «Якуталмаз».

Оплывание уступов и отвалов весьма часто происходило при эксплуатации Кайерканских углеразрезов Норильского горнометаллургического комбината.

Таким образом, устойчивость бортов и уступов на разрезах, а также устойчивость отвалов в значительной мере определяется специфическими особенностями многолетнемерзлых горных пород.

Между тем на стадии проведения разведочных работ изуче­ нию инженерно-геологических и геокриологических условий не уделяется должного внимания. Вследствие этого часто отмечается

несоответствие данных, определяемых при разведке и получаемых в процессе эксплуатации месторождений.

Так, разведкой на Тулунском угольном разрезе не было отме­ чено наличие многолетней мерзлоты, в то время как мерзлота занимает около 75% всей площади месторождения. Мерзлые по­ роды залегают на глубине 1,0—1,5 м от поверхности, распростра­ няясь до почвы угольного пласта.

На. Азейском месторождении,, по данным геологического от­ чета, наличие многолетней мерзлоты было обнаружено только в трех скважинах в долине р. Азейки. Там же определен островной характер залегания многолетней мерзлоты. Однако по данным ак­ тов, составленных при проходке траншей, мерзлые породы рас­ пространены по участку № 1 на 68%, по участку № 2 на 67% длины траншей. Наличие мерзлоты вызывает, с одной стороны, деформации отдельных участков траншей, с другой — значительно усложняет ведение горных работ, вызывает повторное смерзание пород, снижает производительность экскаваторов.

При изучении инженерно-геологических условий месторож­ дений, подлежащих разработке открытым способом, с целью оп­ ределения состава, объема, методики инженерно-геологического изучения горных пород, а также при определении углов наклона бортов и при разработке мероприятий, предотвращающих раз­ витие деформаций, необходимо классифицировать комплексы горных пород по условиям устойчивости бортов карьеров и раз­ резов.

Разработанная ранее во ВНИМИ [1] классификация инже­ нерно-геологических комплексов горных пород по условиям устой­ чивости бортов карьеров основывалась на учете генетических особенностей, физико-механических свойств горных пород и

' Следует сказать, что при создании совместной инженерно­ геологической и геокриологической классификации толщ много­

связанными с недостаточной изученностью криологических осо­ бенностей мерзлых скальных и полускальных горных пород. Крио­ генные текстуры (криогенное строение) скальных и полускальных пород связаны с их унаследованной трещиноватостью. Однако распространение в группах этих пород слоистых или сетчатых криогенных текстур практически не изучено. (Здесь необходимо сказать, что, следуя И.Я. Баранову [2] и Н.А. Цытовичу, для на­ ших цепей мы учитываем три основных типа криотекстур: мас­ сивную, слоистую, сетчатую).

В настоящее время также нет классификации трещиноватых скальных и полускальных пород по льдистости.

Исходя из объемной льдистости, комплексы горных пород раздепены на малольдистые (льдистость до 0,15), льдистые (от 0,15 до 0,50) и высокольдистые (свыше 0,50).

Изучение инженерно-геологических и криологических ус­ ловий месторождений, подлежащих разработке открытым спосо­ бом, должно являться неотъемлемой частью разведочных работ наряду с изучением других качественных показателей месторож­ дений.

Общая характеристика факторов, определяющих устойчивость

внимание на ряд факторов, .определяющих специфическую гео­ криологическую обстановку:

а) физико-географические условия, определяющие тепловое и влажностное взаимодействие верхних слоев литосферы с внеш­ ней средой, а именно: температурный режим горных пород и рельеф местности;

б) особые физико-механические свойства пород; в) особенности режима подземных вод;

г) распространение мерзлых толщ: размещение в плане, их мощность, залегание их верхней поверхности (т. е. мощность слоя сезонного протаивания) ;

д) закономерности распределения льда в мерзлых породах и его характеристика.

Разработка месторождений открытым способом ведет к нару­ шению природных условий, определяющих ход естественного раз­ вития криогенных процессов. В связи с этим при изучении геоло­ гических условий месторождений необходимо характеризовать со­ путствующие криогенные и посткриогенные образования и давать прогноз их развития.

Сопутствующие криогенные образования развиваются в слое сезонного промерзания — протаивания, а некоторые и в верхних

горизонтах многолетнемерзлой толщи, обычно выше подошвы зоны годовых колебаний температуры; к ним относятся: 1) морозобойное растрескивание, пучинные, наледные образования и 2) жиль­ ные льды.

К посткриогенным явлениям, развивающимся в процессе сезон­ ного и многолетнего протаивания пород в откосах уступов, отно­ сятся следующие явления: 1) термокарстовая просадка; 2) солифлюкционные течения грунтов, или солифлюкционно-оползневые смещения грунта; 3) криогенное выветривание пород; 4) обруше­ ние (сползание) отдельных блоков пород вследствие таяния льда в трещинах.

По результатам изучения инженерно-геологических и геокрио­ логических условий должно быть проведено районирование место­ рождения, т. е. разделение его на части, в пределах которых ка­ чественные и количественные характеристики факторов, оказываю­ щих влияние на устойчивость откосов, находятся в строго опре­ деленных сочетаниях и пределах естественно-обособляющейся части месторождения и отличаются от характеристик других ча­ стей месторождения.

Совместное инженерно-геологическое и геокриологическое районирование месторождений должно включать:

1) оценку инженерно-геологических и специфических геокрио­ логических особенностей, которые характеризуют условия устой­ чивости бортов разрезов;

2) общие рекомендации по углам наклона бортов;

3) прогноз последствий нарушения естественной обстановки в связи с изменением температурного режима и напряженного состояния под воздействием горных разработок, а также рекомен­ дации по мерам борьбы с возможными деформациями.

районирования области многолетнемерзлых горных пород. М., «Наука»,

4. Методическое пособие по изучению инженерно-геологических ус­ ловий месторождений полезных ископаемых, подлежащих разработке открытым способом. Л., ВНИМИ, 1965.

!ют значительной спайностью и не­ редко содержат пиритовый запол­ нитель.

в гидросистеме и отскакивание кусочков угля с поверхности приз­ мы. Окончательное разрушение происходило мгновенно путем

большие смещения по контакту приводят к уничтожению сил сцепления и сводят сопротивляемость контакта лишь к силам трения.

Слабые глинистые песчаники Холбольджинской угленосной площади являются практически нетрещиноватыми, контакты от­ дельных слоев песчаника, отличающихся по окраске, не обладают пониженными механическими характеристиками и не являются поверхностями ослабления.

Нагружение призм при проведении натурных испытаний в глинистых песчаниках сопровождалось измерением продольных и поперечных деформаций. Характерные графики деформирования призмы песчаника изображены на рис. 2, где приведен .также график коэффициента бокового расширения.

Разрушение песчаника носит постепенный характер. Возник­ новение отдельных трещин и неупругих деформаций происходит задолго до достижения предела прочности. К моменту разрушения величина неупругих остаточных деформаций в несколько раз пре­ восходит величину упругих.

б,кг/см*

4 -

Рис. 2

Из сопоставления графиков и из графика у> видно, что начиная с нагрузок, составляющих 75% от разрушающих, рост поперечных деформаций опережает рост продольных, зна­ чение коэффициента бокового распора начинает превосходить величину 0,5, т. е. дальнейшее деформирование призмы сопровож­ дается увеличением ее объема, разрыхлением.

Деформационные характеристики песчаника, его способ­ ность накапливать значительные пластические деформации без снижения сопротивляемости позволяет отнести его к разряду упру­ го-пластических сред.

Разрушение песчаника происходило преимущественно путем развития трещин разрывного характера, параллельных направ­ лению сжатия, однако наблюдались также и косонаправленные сдвиговые трещины.

Интерес представляют и результаты испытаний песчаника на длительную прочность. В этих испытаниях нагрузка, регистрируе­ мая по манометру в гидросистеме, увеличивалась ступенями по 10 атм (что соответствовало увеличению напряжений 0,05 кГ/см2) с выдержкой под нагрузкой До затухания прироста деформаций или до появления признаков затухания скорости деформаций.

На рис. 3 приведены графики развития продольных и попереч­ ных деформаций во времени при одном из длительных испытаний.

До нагрузок, составляющих 55% от разрушающей, возрастания деформаций во'времени под постоянной нагрузкой не наблюда­ лось. При дальнейшем увеличении нагрузок наблюдалось раз­ витие деформаций во времени (ползучесть), которое, однако, сравнительно быстро затухало.. Непрекращающаяся ползучесть наблюдалась лишь при нагрузках, достигавших 90% от разру­ шающей.