Прогноз устойчивости карьерных откосов глинистых пород с учетом пространственно-временной изменчивости инженерно-геологических характеристик

Длительное влияние крупных карьеров на состояние массива определяет необходимость исследования процессов развития деформаций и изменения во времени прочности пород, окружающих открытые горные выработки. При освоении обводненных месторождений интенсивность этих процессов в сложенных песчано-глинистыми и полускальными породами откосах возрастает.

Массивы горных пород являются средой производства горных работ и, соответственно, конструкционными элементами открытых горных выработок. Положение карьерных откосов изменяется в пространстве и во времени за период отработки месторождений. Установление масштаба и характера протекающих в бортовых массивах геомеханических процессов с учетом структурно-механических особенностей массивов и динамики формирования карьерных откосов обеспечивает получение надежных данных о геометрических параметрах откосов на любой момент времени, и на этой основе разработку мер по управлению состоянием массива для обеспечения экономичности, экологической и промышленной безопасности горных работ.

Исследованиям геомеханических процессов развития во времени деформаций и изменения прочности пород в карьерных откосах посвящены труды В. В. Ржевского, Г. Л. Фисенко, В. А. Мироненко, И. И. Попова, И. П. Иванова, A.M. Гальперина, В. И. Стрельцова, В. А. Падукова, Ю. И. Кутепова, А. Н. Могилко, A.M. Мочалова, В. И. Веселкова, В. Ферстера, Р. А. Халачева, П. Стефанова и др. [59−61, 75−78, 54, 74, 6−9, 43, 89, 42, 69, 70, 93, 88]. Реологические проблемы геомеханики в строительстве рассматривались в трудах Н. А. Цытовича, Н. Н. Маслова, М. Н. Гольдштейна, С. С. Вялова, Г. И. Тер-Степаняна, Ю. К. Зарецкого, С. Р. Месчана, З.Г. Тер-Мартиросяна, А. Скемптона, А. Шукле и др. [81, 82, 29, 30, 12, 13, 5, 23, 71−73, 63, 85].

В связи с тем, что представителями научной школы МГИ (A.M. Гальперин, В. И. Стрельцов, С.А. Перера) пространственное положение поверхностей ослабления в массивах песчано-глинистых пород учитывалось лишь с применением плоских задач: устойчивости откосов, необходим учет пространственного положения! ослабленных зон прибортового массива. Поэтому при наличии: гравитационно-экзогенных нарушений вскрышной толщи (древних оползней^ ложбин: стока), которые определяют возникновение оползнейпри вскрытии нарушенных зон открытыми горными выработками, необходимо применять решения объемных (квазиобъемных) задач устойчивости откосов. С учетом вышеизложенного тема диссертации! представляется актуальной.

Цель работы заключается в установлении реологических характеристик глинистых пород и зависимостей геометрических параметров откосов от времени с учетомструктурного ослабления? массива на основе решения квазиобъемнойзадачи устойчивости карьерных откосов, что позволяет получить достоверные характеристики сопротивления сдвигу породы в массиве.

Идея работы состоит в учете пространственного положения' поверхностей ослабления в приоткосном массивеи изменчивости характеристик сопротивления сдвигу во времени:

Структура: диссертации определяется следующим кругом задач, решаемых для достижения поставленной цели:

1) Выбор оптимального метода: графического с моделирования: оползневых тел;

2) Графическое моделирование ложбин стока на примере карьера MFOK;

3) Определение прочностных характеристик пород бортового массива с учетом их изменчивости во времени (длительной прочности).

4) Определение зависимостей геометрических параметров откосов от времени (3,H=f (t).

Научные положения и их новизна: 1) Учет пространственного положения фиксированных поверхностей оползания в пределах осадочной толщи бортовых массивов карьеров.

КМА обеспечивает получение надежных значений характеристик сопротивления сдвигу.

2) Сдвиговая ползучесть и длительная прочность глинистых и меловых пород описываются интегральной функцией смешанного вида и дробно-линейной функцией продолжительности периода существования откосовпри этом реологические показатели определяются преимущественно по натурным данным с учетом положения петрогенетических и экзогенно-гравитационных структурных элементов массива.

3) Зависимости некомпенсированного оползневого давления от времени позволяют регламентировать мероприятия по обеспечению долговременной устойчивости нерабочих откосов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— теоретическим анализом геомеханических процессов в бортовых массивах с использованием методов теорий предельного равновесия сыпучих сред и структурной механики грунтов в сочетании с методом инженерно-геологических аналогий при оценке свойств массивов пород;

— хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных значений сдвиговых деформаций глинистых пород, полученных с использованием установленных параметров сдвиговой ползучести (расхождения не превышают 5−10%);

— сопоставлением расчетных и фактических значений углов наклона откосов предельно-устойчивых уступов в глинистых породах Михайловского месторождения КМА при сроке службы откосов от 1 мес. до 5 лет. Обратные оползневые расчеты оползневых деформаций уступов глинистых пород позволили установить параметры длительной прочности для отдельных типов пород и получить на различные моменты времени не превышающее 10% отклонение расчетных значений углов откосов от фактических.

Объект исследования: оползневые процессы в карьерных откосах.

Предмет исследования: квазиобъемные задачи устойчивости откосов при фиксированных поверхностях скольжения применительно к обратным и прогнозным расчетам.

Методы исследований.

В работе применены методы теории предельного равновесия сыпучих сред, инженерно-геологической схематизации бортовых и отвальных массивов и инженерно-геологических аналогий.

Научное значение работы:

— установление влияния структурных особенностей массива на геомеханические процессы развития сдвиговых деформаций и изменения во времени прочности пород для прогнозирования устойчивости уступов и бортов карьеров;

— задача устойчивости откосов решается в объемной постановке с учетом изменения во времени напряженно-деформационного состояния массива.

Практическая ценность работы.

Обеспечивается возможность регламентирования динамики горных работ и соответственно срока службы откосов с использованием полученных зависимостей.

Реализация выводов и рекомендации работы.

Материалы выполненных исследований использованы при обосновании параметров (углов наклона) гидровскрышных уступов в глинистых отложениях на предельном контуре, что обеспечивает достижение экономического эффекта за счет снижения объемов работ.

Апробация работы. Отдельные положения работы докладывались и обсуждались: на конференции «Неделя горняка» (2004 г.), на научных семинарах кафедры геологии МГГУ, на международной конференции «Геотехника и охрана окружающей среды» (Греция, о. Милос, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 6 таблиц, 38 рисунков, список литературы из 96 наименований.

Выводы.

Результаты выполнявшихся маркшейдерской службой Михайловского ГОКа и ВИОГЕМом съемок оползней и инструментальных наблюдений за деформациями уступов в четвертичных суглинках, апт-неокомских и келловейских глинах, использованы для определения из обратных расчетов параметров длительной прочности и сдвиговой ползучести этих пород. Для получения объективных данных о характере снижения во времени прочности пород в уступах бортов карьеров использованы обратные расчеты оползней откосов с длительными сроками службы. Результаты натурных исследований пород вскрышной толщи Михайловского месторождения КМА обобщены в сводной инженерно-геологической колонке. Определение прочности пород на сдвиг в массиве производится на момент достижения предельного равновесия по сформированной поверхности скольжения, а также путем расчета удерживающих и сдвигающих сил в пределах выделенных элементарных блоков и их разности по всей поверхности скольжения. При этом общая площадь поверхности скольжения определялась с использованием программного пакета Surfer.

Использование объемной задачи позволило уточнить значение для нарушенных зон в суглинках МГОК, которое составило ¦ Соо=0,Г 10″ ' МПа. Уточнено также значение угла внутреннего трения (ро, и установлено значительное его уменьшение по сравнению с его начальным значением для зон, нарушенных ложбинами стока (24° для ненарушенных зон и 12° для нарушенных). Результаты, ранее выполненных исследований МГИ и ВИОГЕМ уточнены с учетом пространственного положения поверхностей ослабления в бортовом массиве для определения реологических параметров глинистых пород при наличии или отсутствии погребенных ложбин стока, подземных гряд или обводненных литологических контактов. Определение реологических параметров глинистых пород с учетом влияния петрогенетических и экзогенно-гравитационных структурных элементов массива позволило получить исходные данные для дифференцированной оценки устойчивости откосов в пределах карьерного поля.

Полученные предельно-длительные значения характеристик сопротивления сдвигу использованы при определении параметров пригрузочной призмы для обеспечения долговременной устойчивости откоса при г)=1,2. По результатам расчетов построены графики зависимости > (3(t) при H=const для уступов в четвертичных суглинках, апт-неокомских и волжско-келловейских глинах. Рассмотрен комплекс необходимых мероприятий в составе геомеханического контроля. С использованием результатов экспериментальных исследований процессов ползучести глинистых пород получены зависимости критических скоростей сдвиговых деформаций приоткосного массива от сдвигающих и нормальных напряжений по вероятной поверхности, скольжения. При этом анализ фактического материала по карьеру МГОКа показывает, что йкр для нарушенных зон бортового массива примерно в 2−3 раза превышают UKp для ненарушенных зон.

Применение предложенного метода расчета устойчивости откосов позволяет, благодаря решению квазиобъемной задачи, увеличить угол откоса гидровскрышных уступов в четвертичных отложениях на карьере Лебединского ГОКа с 30° (фактич.) до 34°, что обеспечивает уменьшение затрат на гидровскрышные работы на стадии погашения.

Заключение

.

В диссертационной работе решена актуальная научная задача, заключающаяся в прогнозе устойчивости карьерных откосов глинистых пород с учетом пространственно-временной изменчивости инженерно-геологических характеристик.

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Для прогноза сдвиговых деформаций и снижения прочности глинистых пород бортовых массивов во времени использованы соотношения структурной механики грунтов. Изменение во времени сопротивления сдвигу горных пород связывается с уменьшением сцепления. При этом угол внутреннего трения принимается постоянным в связи с его малой изменчивостью. Таким образом, основной целью обратных оползневых расчетов является установление зависимостей сцепления от времени с учетом реальной конфигурации оползневых тел, связанной со структурными особенностями массива.

2. Для получения объективных данных о характере снижения во времени прочности пород в уступах бортов карьеров использованы обратные расчеты оползней откосов с длительными сроками службы. Результаты натурных исследований пород вскрышной толщи Михайловского месторождения КМА обобщены в сводной инженерно-геологической колонке.

3. Использование объемной задачи позволило уточнить значение Сго для нарушенных зон в суглинках МГОК, которое составило С^ОД-Ю" 1 МПа. Уточнено также значение угла внутреннего трения ср^ и установлено значительное его уменьшение по сравнению с его начальным значением для зон, нарушенных ложбинами стока (24° для ненарушенных зон и 12° для нарушенных). Определение реологических параметров глинистых пород с учетом влияния петрогенетических и экзогенно-гравитационных структурных элементов массива позволило получить исходные данные для дифференцированной оценки устойчивости откосов в пределах карьерного поля.

Полученные предельно-длительные значения характеристик сопротивления сдвигу использованы при определении параметров пригрузочной призмы для обеспечения долговременной устойчивости откоса при — rj=l, 2. По результатам расчетов построены графики зависимости (3(t) при H=const для уступов в четвертичных суглинках, апт-неокомских и волжско-келловейских глинах. Применение предложенного метода расчета устойчивости откосов позволяет, благодаря решению квазиобъемной задачи, увеличить угол откоса гидровскрышных уступов в четвертичных отложениях на карьере Лебединского ГОКа с 30° (фактич.) до 34°, что обеспечивает уменьшение затрат на гидровскрышные работы на стадии погашения. Получены зависимости критических скоростей сдвиговых деформаций приоткосного массива от сдвигающих и нормальных напряжений по вероятной поверхности скольжения. При этом анализ фактического материала по карьеру МГОКа, показывает, что и^для нарушенных зон бортового массива примерно в 2−3 раза превышают й для ненарушенных зон.