ENG GEO / 1Tri / Eng Geo / Engineering Geology of MD

Осыпи.	Если раздробленность горных пород,	обнаженных
в горных	выработках, значительна и образуются	отдельности

небольших размеров, обрушение их приобретает характер осыпания. Осыпаются мелкие обломки, щебень, дресва и песчаный

материал	из забоя,	кровли	и	стенок	подземных	выработок,
а также	со склонов,	откосов	и	бортов	карьеров. В	результате

по почве подземных выработок, на склонах и откосах или по бортам карьеров и в их основании накапливается рыхлый обломочный материал, образуются осыпи.

Осыпи имеют форму отдельных конусов н шлейфов, т. е. сливающихся между собой конусов, образующих иногда непрерывные полосы. Нередко осыпи имеют форму «потоков» рыхлого материала небольшой ширины, спускаюш,ихся со склонов или бортов карьеров. Осыпание рыхлого материала происходит под влиянием силы тяжести и свидетельствует о выветрелости, разрушенности, раздробленности горных пород и неустойчивом их состоянии в обнажениях. Оно обычно происходит из отдельных слоев, горизонтов или участков обнаженийзон дробления и повышенной трещиноватости; осыпается также рыхлый материал, заполняющий трещины и карстовые полости. На карьерах при долгом стоянии уступов происходят их выполаживание вследствие осыпания рыхлого материала, сработка берм и образование сплошных (сдвоенных, строенных) откосов большой высоты. На таких откосах при увлажнении и насыщении рыхлого материала водой образуются сплывы, а в результате его размыва дождевыми и талыми водами — промоины, оврагообразные рытвины и другие неровности.

Наблюдения показывают, что осыпи оказывают определенное влияние на нормальное ведение горных работ, обусловливая необходимость изменять конструкцию бортов карьеров, приводят к уничтожению транспортных, рабочих и предохранительных берм, засыпают дороги, съезды, водоотводные и дренажные канавы, нарушая процесс осушения горных выработок. Образование осыпей требует выполнения дополнительных объемов горных работ и других мероприятий.

Оползни на карьерах и отвалах. Оползнем следует называть массу горных пород, сползшую или сползающую вниз по склону или откосу (искусственный склон) под влиянием силы тяжести, гидродинамического давления, сейсмических и некоторых других сил. Образование оползня есть результат геологического оползневого процесса, проявляющегося в вертикальном и горизонтальном смещении масс горных пород вследствие нарушения их устойчивости — равновесия. Оползневые явления всегда сопровождаются изменением рельефа местности, ее геологического строения и указывают на то, что горные породы на склонах и в откосах потеряли устойчивость под влиянием ка- ких-то причин.

Строительство сооружений и их эксплуатация в районах распространения или возможного образования оползней явля-

172

ется сложной проблемой. Многовековой опыт показывает, что оползни —это грозное и часто грандиозное геологическое явление.

Оползни очень широко распространены на месторождениях полезных ископаемых (рудных, угольных, горнохимического сырья, строительных материалов и др.), особенно разрабатывыемых открытым способом. Они образуются здесь на бортах и уступах карьеров, на отвалах, на откосах дамб, ограждающих гидроотвалы, постоянно создают угрозу нормальному ведению горных работ и возникновения аварий. Имеется много примеров оползневых явлений на месторождениях, приведем только один.

Ангренское месторождение угля в Узбекистане расположено в долине р. Ахангаран (правый приток Сырдарьи), разрабатывается с 1947 г. частично открытым способом, частично методом газификации (выжигание угля). Здесь юрские угленосные отложения мощностью до 200 м и более образуют пологую синклинальную складку с углами падения крыльев 5—15°; они перекрыты палеоген-неогеновыми и четвертичными отложениями. Обводненность месторождения в значительной степени обусловлена аллювиальными сильно обводненными галечниками, мощность которых достигает 15—20 м, распространенными на значительной площади угленосных отложений. Разра-

ботка	месторождения вызвала	необходимость дважды	отводить
р. Ахангаран каналами (1948		и 1956 гг.), а затем	туннелем
(1971	г.).

По мере развития горных работ на месторождении стали возникать оползни огромных объемов. Наибольших размеров достиг Атчинский оползень (рис. VI-7 и VI-8), причиной образования которого явились полости, объемом в тысячи кубических метров, образовавшиеся после выжигания угля на глубинах от 70 до 200 м в толще угленосных отложений. Нарушение устойчивости масс горных пород на склоне долины к 1975 г. захватило площадь 12 км^ поверхность скольжения распространилась на глубину 80—170 м, а объем смещающихся пород (оползня) достиг 700 млн. м®. В верхней части склона образовались уступы высотой несколько метров, на его поверхности много открытых зияющих трещин, по которым отдельные блоки горных пород опустились и образовались глубокие рвы; поверхность обширного пространства стала неровной, бугристой, с западинами глубиной до 5 м, образовались валы выпирания, и в том числе по правому берегу реки. Столбы телефонной и электрической сетей были наклонены в разные стороны, некоторые опрокинуты, железнодорожные пути и автомобильные проезды немыслимо и причудливо искривлены в плане и по профилю. Многочисленные строения пришлось перемещать за пределы оползня. Отвалы объемом более 50 млн, м^ и высотой 40—65 м, расположенные в нижней части склона по левому берегу реки, несколько сдерживали нарастание оползневых

173

Атрен

тияг

^tfff^ Ч

^ ^

9

-(f-^V/O '^-D/^

Рнс. VI-7. План Атчинского

оползня

на

Ангренском

месторожденнк

угля

в Узбекистане

[«Инженерная

геология

СССР»,

т.

7. М.,

Изд-во МГУ, 1978],

J — стенка

отрыва;

трещины

отрыва;

S — опущенные

блоки

пород;

7 —трещины

различного характера — нарушения сплошности масс

горных пород;

S — валы

выпира-

ния; 9—древние

оползни U — Багаравскнй,

— Загасаискнй);

/А —надвнгн;

П — лн-

нии разломов, выделенные по геофизический данным;

/2 — площади

сыгазованкого

дро*

странства;

/3 —отвалы

пустых

Пород;

—выходы

палеозойских

пород;

/5 — репер,

стрелка умазывает направление смещения

масс

горных

по1)од, цифра — его

размеры, м.

смещений, однако полностью их не предупредили. Таковы масштабы и последствия Атчинского оползня на Ангренском месторождении угля.

Оползни не только нарушают устойчивость местности, сооружений, бортов карьеров, но оказывают большое влияние на изменение природных условий вообще и развитие других геологических процессов, с которыми они часто генетически связаны. Все вышеперечисленное заставляет уделять большое внимание изучению оползневых явлений, учитывать их распространение и возможность образования при планировании размещения карьеров, отвалов и других сооружений и горных работ, оценивать степень их опасности при разработке проектов освоения месторождений.

Каждый оползень образует оползневой участок, границы и форма которого в плане определяются размерами оползня и его

174

	о	S S
	и	I Г
	о
	ч
	о	= а
	«	1 §•
	и
	и
	а,
	<1/
	а
	V
	и	-ft
	ю
	а
	<>	f " .
	о
	с	ill
	с
		is £
	ь Sbg4 3 3
		t я §
	5 м	a a
	о г	« г а
		2 ' о
		e;
	»s	ж
		11
	я
	о	i s s
	§
	a	« 2
	a	I I
	S
	О
	to	§1
	>

aя

типом. Сместившиеся	массы горных	пород образуют	тело
оползня — оползневые	накопления, т. е.	оползень. Способ	(ме-

ханизм) движения масс горных пород бывает различным, и это определяет вид явления. В одних случаях происходит сползание блока или блоков горных пород (структурные оползни), в других масса горных пород смещается (ползет) подобно вяз-

кой жидкости по поверхности скольжения			(пластические	опол-
зни). Бывают и переходные типы оползней.
В работе [21] приведена классификация гравитационных яв-
лений,	в которой соответствующее	место	занимают оползни.
В ее	основе лежит вид, способ,	особенности движения		масс

горных пород, т. е. механизм того или иного явления. Для более полной характеристики и оценки каждого явления в этой классификации дополнительно приведены три основных признака, позволяющие учитывать причину нарушения равновесия масс горных пород, динамику развития явления и его масштаб. Б таблице приведен также перечень инженерных мероприятий, применяемых для предупреждения развития гравитационных явлений или локализации их вредного влияния. Все эти вопросы подробно рассмотрены в курсе «Инженерной геодинамики» [21].

В динамике развития каждого оползня можно различать три этапа: 1) этап подготовки оползня, во время которого, как правило, постепенно снижается устойчивость масс горных пород; 2) этап фактического образования оползня, как правило,

сравнительно	быстрой или резкой потери устойчивости мас-
сами горных	пород, и 3) этап существования — стабилизации

оползня, восстановления устойчивости масс горных пород. Такой анализ позволяет восстанавливать историю оползневого процесса, его эволюцию, состоящую из этапов, стадий и фаз, и выявлять тенденцию его дальнейшего развития, указывающую на степень угрон^аемости оползневых явлений (прогрессирует, нарастает, затухает, приостановился, закончился и т. д.). При этом анализе главным является установление закономерностей развития процесса в зависимости' от обусловливающих причин и способствующих факторов. Общая схема динамики развития оползневого процесса показана на рис. VI-9,

При проектировании откосов бортов и уступов карьеров, выемок и различных котлованов, откосов отвалов, дамб и других сооружений возникает необходимость в определении наиболее рациональной крутизны этих сооружений для обеспечения их устойчивости и безопасности эксплуатации. Следовательно, во всех перечисленных случаях оползней еще нет, но они могут образоваться в результате выполнения горных работ, если не будут полно учтены природные и искусственные, созданные человеком условия. Зная законы и закономерности развития оползневых процессов и явлений, можно предвидеть (прогнозировать) их образование и тем самым предупреждать деформации, аварии и катастрофы.

J 76

Этапм развития оползневого

процесса

Продолжительность этапов

Стадии

Фазы

ПОрЦГОТОВКЭ

0П0Л9НЯ

Фактического

Существования —

образования

оползня

стабилизации

оползня

Постепеиное

умеиыпе-

Сравнительно

быстрая

Восстановление

устой-

нне

устойчивости

по-

или

резкая

потеря

чивости

масс

Горных

род

под

«лняяием

устойчнвастк

горных

Пород постепенно

или

естественных

и

искус-

пород

скачкообразно

ственные

процессов

н

явлений,

приводящих

к кеиабежностн

сдви-

жения

горных

пород

Месяцы, годы, но мо-

Различная,

развивается

Процесс закончен,

но

жет

сокращаться

до

быстро

или

медленно,

при

новом

Положении

нуля,

процесс как

бы

повторяется

многократ-

рельефа

минует

подготовитель-

но

с

остаяовкаки, пе-

ный

этап

риодически

или

непре-

рывно. Объем оползне-

вого

тела не

изме» яет-

ся

или

увеличивается

постепенно

или

скачко-

образно

Начальная,

от

после-

Характеризуются новой

Процесс

установления

дующих отдел яется

п о

значительной

общей

устоЛчивости

обычно

явлением трещин, уве-

Подвижкой

оползня,

наступает

постепенно

личением

скорости

выэванноЯ

естествен,

движения. Следы под-

ными

и

нскусствеяиыми

вижек

устанавливают-

процессами

к

явления-

ся визуально, но глав-

ми. В отдельных пере-

ным

образом

инстру-

рывах

между

общиии

ментально

подвижками

действуют

другие

агенты

денуда-

цпв

Локальные

микропоД'

Локальные

макропод-

Локальные

подвижки

вижки

внжки в пределах каж -

иекоторух

объемов

до

дой

стадии

или

между

полной

стабилизации

ним»

процесса.

Дальнейшее

развитие получают

дру-

гие

процессы

денуда-

ции

Рис. VI-9. Общая схема динамики оползневого процесса (по В. Д. Ломтадзе).

V77

Прогноз оползневых явлений в зависимости от стадии исследований может быть качественным и количественным. Качественная оценка устойчивости склонов и откосов, как и существующих оползней, основывается на изучении, описании и анализе инженерно-геологических условий рассматриваемого участка или района. Она всегда необходима, особенно при региональных и предварительных исследованиях, так как влияет на районирование территорий и планирование размещения сооружений, ориентирует на необходимость более детальных исследований отдельных участков и более осторожное решение инженерных задач при проектировании и строительстве сооружений. Однако естественно, что такая оценка обычно не дает достаточных материалов для проектирования сооружений. Поэтому логическим продолжением описательной оценки устойчивости склонов и откосов является применение количественных методов —моделирования и расчетов.

Основными количественными методами оценки устойчивости склонов и откосов являются расчетные, Методы расчета устойчивости склонов, откосов и оползней неодинаковы. Описание' наиболее часто применяемых из них приведено в «Инженерной геодинамикез. (21].

Выдавливание (пучение) горных пород почвы подземных выработок. К числу геологических явлений, существенно осложняющих горнопроходческие и очистные работы на месторождениях полезных ископаемых, относится выдавливание горных пород, главным образом почвы, внутрь выработок. Это явление часто называют пучением или поддуванием почвы. Явления выдавливания горных пород почвы в горных выработках наблюдаются довольно часто. Так, они развиты в Подмосковном, Кузнецком, Донецком, Львовско-Волынском, Карагандинском угольных бассейнах, на Ахалцихском месторождении угля в Закавказье, Кызыл-Кийском и Ангренском в Узбекистане, Артемовском на Дальнем Востоке, на ряде шахт в Никополь-Мар- ганцевом бассейне, на месторождениях огнеупорных глин и бокситов по западному крылу Подмосковного бассейна, на некоторых месторождениях железных руд и никеля и др. Они наблюдались также при строительстве перегонных туннелей метрополитенов, железнодорожных и гидротехнических туннелей и др.

Выдавливание (пучение) горных пород наблюдается не только по почве горных выработок, но также и по их боковым стенкам, кровле и в стволах вертикальных шахт, но несравненно реже и менее интенсивно, В общем выдавливание (пучение) пород почвы горных выработок—явление распространенное и наблюдается в достаточно разнообразных геологических условиях. Эти деформации горных нород вызывают деформации горных выработок, деформации и разрушение крепей и иногда приводят к полному разрушению горных выработок. Они представляют значительную опасность для нормального производив

Plic. VI-10. Результаты выдавливания пород почвы (глины) горных выработок Нелидовской шахты Подмосковного бассейна (зарисовка А. И. Морозова).

а — главный

эентнляционкый

южныб

штрек; 6 — главный

веятиляцнонкый

восточный

штрек; в —главный

откаточный штрек;

f —главный

вентиляционный

штрек. Черный цве-

том покааан

каменный уголь. Влажность пород (%)

из рис. -о: монолит

/ — «?i=23. 1Р«=

2S,

№-,==21.

№-^=-20;

ионолит 2 ~

1F,=!6, Г г - И ,

6:

1Гз=17;

ионолнт

3 - 1 Р , = 15.

1Рг-15, Ws=14,

Влажность

пород

<%) иа

рис.

монолит

J —Wi^^lS. Г г - 2 0

монолит

2— ri = I7,

I f z - l S ,

IFs=17, Г<-16.

ства горных работ и вызывают большие

непроизводительные

затраты.

Стоимость

ремонта

горных

выработок

(лодрывка

почвы и

перекрепление)

на шахтах

СССР составляет

милли-

оны рублей в год, а систематический выход их из строя приводит к простоям очистных забоев. Известны примеры, когда из-за этих явлений закрывали шахты и значительная часть

запасов угля, подготовленных		к выемке, оставалась			неизвле-
ченной. На рис. VI-10 в качестве наглядного				примера	приве-
дены зарисовки	деформаций	горных	выработок, возникших
в резз'льтате выдавливания горных пород.
Наблюдения,	выполненные	нами на	шахтах	Подмосковного

бассейна и другими исследователями на шахтах в других различных бассейнах и на месторождениях полезных ископаемых, показывают, что деформации горных пород и соответственно выработок могут быть разнообразными. Как видно на рис. VI-10, на шахтах Подмосковного бассейна выдавливание глин углевмеш,аюш.ей свиты начинается со стороны боков и почвы.

179

в результате этого вертикальные стойки крепи на уровне почвы ^ всегда сдавлены и наклон их изменен в обратную сторону. Не-, редко они сломаны и горная выработка сдавлена. В глинах наблюдаются следы течения, они смяты и выжаты внутрь выработки на различную высоту, вплоть до полного ее заполнения. Аналогичные явления наблюдались и на шахтах других месторождений. Во всех этих случаях происходят деформация и разрушение крепи как незамкнутой, так и замкнутой конструкций (полные деревянные оклады, бетонные кольца, крепление другой формы). При незамкнутой конструкции крепи породы почвы выдавливаются внутрь выработки, заполняют ее снизу, поднимают рельсовые пути и т. д.

В более плотных и крепких породах (аргиллитах, алевроли-. тах, глиннстых сланцах и др.), например в шахтах Донбасса, особенно на значительных глубинах (более 400—600 м), выдавливание пород почвы носит характер как бы их взламывания

(разрушения)	на плиты, глыбы и более мелкие обломки с не-
равномерным	подъемом почвы, деформацией	рельсовых путей
и т. д. Причем, как показали многочисленные		наблюдения [57],

в движение приходили аргиллиты и глинистые сланцы до глубины 5—6 м от уровня почвы горной выработки.

Все имеющиеся данные наблюдений показывают, что явление выдавливания связано главным образом с разнообраз-

ными глинистыми породами — глинами, аргиллитами,		алевро-
литами, глинистыми и песчано-глииистыми	сланцами	и	редко
с глинистыми песчаниками. Повсеместно	наблюдается,		что

в сухих горных выработках глинистые породы имеют повышенную или высокую плотность, умеренную влажность и достаточную устойчивость, деформации их развиваются медленно. Однако, как только в выработки поступает вода, начинается увлажнение пород, их размокание н размягчение, интенсивность процесса выдавливания резко возрастает и достигает максимальных значений.

Из других общих закономерностей развития процесса выдавливания горных пород отмечается его усиление с глубиной расположения горных выработок относительно поверхности земли и зоны влияния очистных и других горных выработок. Вероятность и интенсивность этого процесса возрастает с увеличением глубины выработок до 300—400 м. Однако на этих глубинах важнейшее значение имеют также степень литификации глинистых пород и, как следствие, их физическое состоя- ние—влажность, плотность и прочность. Поэтому на этих глубинах нередко на одних участках породы значительно выдавливаются, а на других устойчивы, деформируются слабо. Получается, что закономерность развития этого явления с глубиной более сложная. На глубинах более 600—700 м выдавливание горных пород почвы наблюдается на всех без исключения выработках и тем значительнее и интенсивнее, чем на большей глубине они расположены. Причем в зоне влияния очистного

1 8 0

забоя или других выработок деформации горных пород, как правило, возрастают по величине и скорости.

Ведущими силами, вызывающими выдавливание горных пород почвы подземных выработок, т. е. нарушение их устойчивости, являются силы горного давления. Реализация этих сил определяется и контролируется конкретными геологическими и горнотехническими условиями. Из геологических условий первостепенное значение имеют: состав и петрографические особенности горных пород, слагающих непосредственную почву, мощность их слоев в почве, степень литификации, физическое состояние, прочность и устойчивость, в том числе водоустойчивость и возможность обводнения. Из горнотехнических условий наибольшее значение имеют: глубина расположения горных выработок от поверхности земли, их размеры, скорость проходки и крепления и расположение относительно зоны влияния очистных и других горных выработок.

Длительность процесса деформаций пород почвы может быть самой различной в зависимости от их напряженного состояния и физико-механических свойств. По данным Ю. 3. Заславского |1966 г., 1972 г.], в Донбассе смещения в крепких породах заканчиваются через 6—9 мес, а в породах средней прочности и слабых —через 12—24 мес.

В качестве конкретного примера, поясняющего природу выдавливания горных пород почвы в горных выработках, рассмотрим его проявление в Подмосковном бассейне. Здесь почти на всех шахтах и рудниках нарезные выработки и откаточные штреки проходят исключительно по глинам или по углю, но с подрывкой глин в почве и кровле. Глины угленосной свиты имеют существенно каолинитовый состав тон кодисперсной части, малую поглотительную способность и слабую коллоидную активность. Это не позволяет считать их пучащимися. Однако высокая пылеватость предопределяет их склонность к снижению внутреннего трения и сцепления при увлажнении и повышенную подвижность. Следовательно, по вещественному составу эти глины относятся к породам, склонным к изменению состояния подвижности при увлажнении, а не к пучащимся.

В условиях естественного залегания эти глины имеют высокую плотность, умеренную влажность и ведут себя как породы полутвердые и твердые (см. гл. IV). При увлажнении они размокают и размягчаются, у них легко разрушаются структурные связи и они теряют прочность и устойчивость. В сухих или осушенных выработках они, как правило, устойчивы и существенных деформаций в них в большинстве случаев не происходит. При пуске воды по выработкам или при их затоплении положение изменяется: начинается выдавливание (пучение) почвы, деформация крепи и через некоторое время выработки оказываются сдавленными. При этом характерно следующее. Типичные, наиболее часто повторяющиеся значения влажности глин на участках новой проходки, например на Нелидовском место-

181