а. По векторам смещения реперов с учетом геологического строе ния борта строят поверхность скольжения (методика построения по верхности скольжения по векторам смещения реперов изложена в работах [5, 18]).
б. Анализ данных о гидрогеологических условиях, наслоениях пород и их прочности, расчеты устойчивости, а также анализ гра фиков изменения скоростей смещения реперов во времени и вдоль линии позволяют устанавливать причины возникновения оползней
иобрушений (этот вопрос подробно изложен в работах [5, 9, 10]).
в.Данные о деформациях сдвига на устойчивых участках бор тов, при наличии данных о предельных деформациях сдвига анало гичных инженерно-геологических комплексов и о полной их дефор мационной характеристике, позволят судить об изменении степени устойчивости бортов по мере увеличения их угла и глубины карьера; однако детали этого вопроса подлежат дальнейшей разработке.
Кроме кратко описанных инструментальных наблюдений по про фильным линиям на карьерах должны производиться и другие виды наблюдений и съемок:
а) упрощенные наблюдения за смещениями отдельных точек в характерных участках бортов, а также за раскрытием возникших трещин;
б) наблюдения в скважинах и шурфах за смещением пород с целью определения положения поверхности скольжения в тех слу чаях, когда по векторам смещения его не удается осуществить с необходимой точностью;
в) съемка тектонических трещин, нанесение их на план и состав ление погоризонтных структурных карт;
г) наблюдения за выветриванием пород в откосах и развитием осыпей.
Все эти вопросы подробно изложены в главе IV и в цитирован ной выше литературе.
Исследование на моделях и аналитические исследования вопросов устойчивости откосов на карьерах
Исследования на моделях вопросов деформирования и устой чивости откосов, также как и других проблем механики горных по род, весьма результативны, в особенности на моделях из эквивалент ных материалов (см. гл. III). Следует сказать, что при моделирова нии эквивалентными материалами не ставится задача моделировать конкретные геологические условия отдельных месторождений, а мо делируются лишь инженерно-геологические комплексы, определеленное сочетание и расположение слоев пород с различными меха ническими характеристиками. На моделях из эквивалентных мате риалов изучаются следующие вопросы:
а) характер деформирования откоса пО мере углубки выемки и увеличения угла откоса;
б) установление формы и положения поверхности скольжения при различном залегании и ориентировке поверхностей с понижен ными характеристиками сопротивления сдвигу;
в) установление соответствия условий перехода откосов в пре дельное состояние и результатов аналитических расчетов.
На моделях из эквивалентных материалов моделируются как плоские, так и объемные задачи и практически во всех исследуемых случаях получается хорошее совпадение результатов моделирования с данными аналитических расчетов.
При моделировании плоских задач боковое давление (в направ лении бх создается металлическими шайбами, закрепленными на двух концах стержней, закладываемых в модель параллельно на правлению бг ; это исключает необходимость в боковых стенках и устраняет обычные искажения напряженного состояния при при менении поддерживающих боковых стенок.
Измерение смещений отдельных точек и деформаций откосов осуществляется с помощью оптических устройств (тензометров), описанных в литературе [4] и широко используемых при исследо ваниях на моделях процессов сдвижения горных пород.
Пример графика, иллюстрирующего результаты испытаний на модели изображен на рис. 36.
При исследованиях на моделях из эквивалентных материалов вопросов деформирования и устойчивости откосов наибольшие труд ности возникают в подборе материалов, характеризующихся низ кими и стабильными величинами сцепления и постоянным углом внутреннего трения, а также материалов с низким сцеплением, ими тирующих пластичные горные породы. В качестве первого пригод ного материала удовлетворительной оказалась смесь чугунной дро би (60%), песка (37%) и трансформаторного масла (3%); в ка честве пластичного материала используется солидол с небольшими добавками графита или молотой глины.
Для решения отдельных задач по исследованию напряженного состояния пород в откосе и их деформирования весьма перспектив ными методами следует считать методы центробежного моделиро вания и моделирования оптически чувствительными материалами (гл. III).
Аналитические расчеты устойчивости откосов основываются на теории предельного равновесия сыпучей среды [3, 15].
Общий принцип расчета откосов на предельное равновесие за ключается в том, чтобы для среды с заданными механическими ха рактеристиками р и К. и объемным весом IT определить такие па раметры откоса (Н, оС или полный профиль откоса), при которых в нем появляются одна или несколько поверхностей скольжения, во всех точках которых удовлетворяется условие предельного напря женного состояния (9.1).
P O l t l T I E 1 1 0 1 ) 0 1 - М Д М М
(MOIHHT |
пред«4кнык деформаций) |
Масштаб |
4 0 4 |
t , Н ем |
Масштаб бсктвроб |
г |
» 1 4 |
S U M |
Аналитическое выражение зависимости |
j |
(Н, к, р , \С, р ',£ ) |
гдеК‘, Р' , JS — характеристики сопротивления |
сдвигу по поверхно |
сти ослабления и угол ее наклона, до настоящего времени не полу чено даже для плоской задачи однородной сыпучей среды, ввиду сложности этой зависимости. Поэтому в настоящее время эта зави симость дается в графической или табличной форме.
Методы расчета устойчивости бортов карьеров и откосов отвалов подробно освещены в литературе [18].
Достаточно надежными методами расчета параметров откосов являются следующие:
м е т о д п р е д е л ь н о г о напряженного состояния, который позволяет рассчитывать:
откосы вогнутого профиля; откосы выпуклого профиля; нагруженные плоские откосы;
цогнутые откосы карьеров круглой формы в плане; м е т о д к р у г л о ц и л и н д р и ч е с к о й п о в е р х н о с т и (по
Терцаги с дополнением ВНИМИ) при отсутствий поверхностей ослаб ления, по которым может реализоваться скольжение и при отсутст вии в основании откосов значительно более слабых пород, чем по роды вышележащие;
м е т о д а л г е б р а и ч е с к о г о с л о ж е н и я сдвигающих и удер живающих сил по плавной криволинейной поверхности — при нали чии в основании откосов более слабых пластичных пород;
м е т о д м н о г о у г о л ь н и к а сил при наличии в откосе по верхностей ослабления, с которыми совпадает поверхность сколь жения.
Общим требованием к расчетам по всем методам является рас чет на предельное равновесие откосов при характеристиках сопротив ления сдвигу, уменьшенных в п раз, где п — коэффициент запаса устойчивости.
Вторым из наиболее важных вопросов в расчетах устойчивости откосов на карьерах является построение поверхности скольжения;
при этом |
необходимо выполнять следующие основные положения: |
|
1) поверхность скольжения |
в верхней части откоса начинается |
с |
глубины |
Н0 = |
ctg (45° — |
) и наклонена под углом Ь) = |
= |
45° — |
— к |
вертикали |
(поверхность скольжения везде |
проходит под углом 00 к направлению наибольшего главного на пряжения) ;
2)подошву откоса или поверхность откоса в его нижней точке поверхность скольжения пересекает под тем же углом (а) = 45°—
3)при наличии в откосе поверхности ослабления с характеристи ками К ‘, *Р\ с которой на некотором участке совпадает поверхность скольжения, последняя на границах этого участка претерпевает
излом под углами
»№ slti |
g#u- |
EiMl) |
6 i » (9.4) |
где: H=K.ctg.p; H'=К С-tJ P ' ; 6 |
= H+ i 1б*+бз) . |
При этом, под углом 0 поверхность .скольжения претерпевает из лом в нижней части — при пологом залегании поверхности ослабле ния и в верхней части — при крутом.
В расчетах устойчивости бортов карьеров наименее изученным является учет неодинаковой деформации слоев различных литологи ческих разностей, различной плотности и влажности. Какбыло по казано в § 34, до разрушения горные породы проходят различные стадии деформирования и претерпевают значительные пластические деформации, величины которых зависят от их литологического со става, плотности, влажности, сцементированности и других пока зателей. В откосе слои всех горных пород, пересекаемых поверх ностью скольжения, обладающих различными деформационными характеристиками, испытывают на определенный момент времени примерно одинаковые деформации сдвига; вследствие этого различ1 ные слои испытывают напряжения, составляющие неодинаковую часть от предельного сопротивления сдвигу. При определенной деформации сдвига в наименее пластичном слое горных пород на пряжения достигают предельной величины, в то время как в более пластичных слоях они еще далеки от предельных. По мере дальней шего роста сдвигающих сил (например, при углублении карьера или при увеличении общего угла наклона борта) первый слой дефор мируется при постоянном напряжении (стадия текучести), а за тем напряжения в нем начинают снижаться, а в более пластичных слоях с ростом деформаций растут и напряжения, постепенно при ближаясь к предельным. Максимальное сопротивление сдвигу всех слоев ни в какой стадии деформирования не равно полной сумме их предельных сопротивлений сдвигу.
Этим определяется одна из составляющих коэффициента запаса устойчивости, изучению которой необходимо уделить наибольшее внимание.
|
|
ЛИТЕРАТУРА |
1. Б е л о у с о в |
В. |
В. Основные вопросы геотектоники. Госгеол- |
технздат, М., 1954. |
М. В. Основные вопросы тектонофнзики и тектони |
2. Г з о в с к и й |
ки Байджанского антиклинория. Ч. 3 и 4, изд. АН СССР, М., 1963. |
3. Г о л у ш к е в и ч |
С. С. Плоская задача теории предельного рав |
новесия сыпучей среды. |
Гостехиздат, 1948. |
4.З е м и с е в В. Н. Определение сдвижения точек модели методом оптических тензометров. Труды ВНИМИ, сб. 36, 1959.
5.Инструкция по наблюдениям за деформацией откосов на карь ерах и по разработке мероприятий, обеспечивающих их устойчивость. ВНИМИ—ВИОГЕМ, Л., 1970.
6.И о ф и н С. Л. Устойчивость бортов карьеров. Металлургиздат,
1953.
7.Методические указания по производству маркшейдерских наблю дений за оползневыми явлениями на угольных карьерах. ВНИМИ, Углетехиздат, 1953.
8.Методические указания по производству натурных испытаний
сопротивления' сдвигу неоднородных, слоистых и трещиноватых по род. Изд. ВНИМИ, Л., 1965.
9. Методическое пособие по изучению инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых, подлежащих разработ ке открытым способом. Изд. ВНИМИ, Л., 1965.
10. Методическое пособие по дренажу месторождений полезных ископаемых, подлежащих разработке открытым способом. Часть I «Осушение карьерных полей», изд. ВНИМИ, Л., 1965.
11. Методическое руководство по искусственному укреплению откосов скальных и полускальных пород на карьерах. Изд. ВНИМИ,
Л., J967. |
|
И. П. Оползни на уральских разрезах. Угле |
12. |
П о н о м а р е в |
техиздат, 1949. |
|
В. |
И., С а п о ж н и к о в |
В. Т. Предельное рав |
13. |
П у ш к а р е в |
новесие откосов круглых выемок. Труды ВНИМИ, сб. 58, 1965. |
14. |
Р у д а к о в |
М. Л., |
П о п о в И. И., Ли |
А. П. Предупреждение |
оползней на карьерах. Госгортехнздат, 1960. |
|
Физматгиз, |
15. |
С о к о л о в с к и й |
В. В. Статика сыпучей среды. |
1960. |
У ш а к о в |
И'. Н. Горная геометрия. Госгортехнздат, |
1962. |
16. |
17. |
Ф и с е н к о |
Г. Л.,* Мо ч а л о в А . М. Пути дальнейшего совер |
шенствования методики расчета длительной устойчивости бортов карь еров. Сб. докладов маркшейдерского дела. Материалы координацион
ного методического совещания. Часть II, |
1969. |
18. Ф н с е н к о |
Г. Л. Устойчивость |
бортов карьеров и отвалов. |
М., Изд. «Недра», |
1965. |
|
Г л а в а X
МЕТОДИКА КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ ПОРОДНЫХ ТОЛЩ И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОД ВЛИЯНИЕМ ГОРНЫХ РАБОТ
§ 36. Основные задачи исследования: главные факторы, влияющие на процесс сдвижения
Сдвижение горных пород и земной поверхности, называемое в дальнейшем для краткости «сдвижением» имеет несколько аспектов, которыми определяются его место и значение как составной части горной геомеханики, задачи и методы исследования, возможности научного и практического приложения к решению задач горного дела.
Объектом изучения сдвижения является в е с ь м а с с и в горных пород, испытывающий влияние подземных разработок (например, очистных выработок), или претерпевающий иные производственные воздействия (например, влияние водопонижения). В связи с этим исследуются состояние и общие закономерности сдвижения больших породных толщ массива и участков земной поверхности.
В физической модели массива при исследовании сдвижения обыч но учитываются лишь его основные свойства, выражаемые осредненными показателями, степень детализации которых ограничивается преимущественно мощными слоями с соответствующими физико механическими характеристиками пород, в то время как неоднород ность тонких слоев (например, различных пачек угольного пласта) во внимание не принимается. Подобными условиями определяется, по-существу, допустимая степень схематизации механических моде лей массива и механизма процесса сдвижения.
Величины напряжений, смещений и деформаций пород непосред ственно в горных выработках и вблизи них являются предметом отдельного изучения, результаты которого используются в качестве граничных условий при аналитическом решении задач по определе нию сдвижения.
Процесс сдвижения количественно оценивается величинами сме щений и деформаций в отдельных точках массива и характером этих изменений во времени. Пользуются либо безразмерными пара метрами, либо параметрами, имеющими размерности длин и скоро стей [3, 4, 12]. При исследовании вопросов сдвижения необходимо знание напряженного состояния массива горных пород, испытываю щего влияние очистных выработок.
Процессы сдвижения горных пород представляют собой основные проявления горного давления, синтезирующие эффект деформиро вания массивов, и служащие, в свою очередь, исходными данными при прогнозе взаимодействия инженерных сооружений с породными массивами; расчете водопритоков в выработки, определении пара метров защитных пластов и т. п. (см. гл. VI—IX и XI).
Основными задачами исследования процесса сдвижения явля ются:
р а з р а б о т к а и р а з в и т и е т е о р и и с д в и ж е н и я г ор
ных |
п о р о д и з е м н о й п о в е р х н о с т и под влиянием горных |
работ и других существенных факторов, в том числе: |
а) |
схем сдвижения горных пород для типичных горногеологиче |
ских условий; |
б) |
способов оценки и учета влияния структуры, неоднородности |
и механических свойств массива на сдвижении пород; |
в) |
теоретических методов определения деформаций и перемеще |
ний породных толщ и земной поверхности под влиянием горных работ;
р а з р а б о т к а и н ж е н е р н ы х м е т о д о в р а с ч е т а с д в и ж е н и я и д е ф о р м а ц и й п о р о д н о г о м а с с и в а и з е м н о й п о в е р х н о с т и , учитывающих совокупность существенных влияю щих факторов, механизм и закономерности сдвижения.
К основным направлениям практического приложения исследо ваний процессов сдвижения относятся:
о п р е д е л е н и е и с х о д н ы х д а н н ы х д л я п р б е к т и р о - в а н и я с о о р у ж е н и й на подрабатываемых территориях [25, 27] и для назначения конструктивных мер защиты эксплуатируемых зданий и сооружений [26], железных дорог [23], крепей горных вы
|
|
|
|
|
|
работок и других объектов [5, |
10]. |
|
о б о с н о в а н и е в о з м о ж н о с т и и п о р я д к а ч а с т и ч н о г о |
( либо |
п о л н о г о ) |
и з в л е ч е н и я п р е д о х р а н и т е л ь н ы х це |
л и к о в |
под охраняемыми сооружениями с применением защитных |
мероприятий, |
т. е. |
путем управления процессом сдвижения [1, 2, |
13, |
23]; |
|
в о д о п р и т о к о в |
в г о р н ы е в ыр а б от к и из во |
|
р а с ч е т |
доемов и обводненных слоев на основе установления связи измене ния проницаемости горных пород с деформациями породных слоев
[16]; п о л у ч е н и е и с х о д н ы х д а н н ы х д л я п р о е к т и р о в а н и я
п о д з е м н ы х р а з р а б о т о к , в частности, при выемке сближенных пластов;
р а з р а б о т к а н о р м а г и в н ы х д о к у м е н т о в по о х р а н е с о о р у ж е н и й (правила, указания, требования).
Область влияния очистной выработки подразделяется на зоны, в которых горные породы находятся в различном состоянии (рис. 37).
С течением времени, прошедшего с момента проведения выработ ки, существенно изменяется напряженно-деформированное состоя ние пород в отдельных зонах. В зависимости от свойств и структуры массива преобладают те или иные формы сдвижения, изменяется удельное соотношение различных зон и соответственно изменяются закономерности проявлении процесса сдвижения. Этими обстоятель ствами объясняется неудача попыток создания одной универсаль ной теории или гипотезы сдвижения горных пород, развитие кото рой могло бы привести к появлению практически приемлемых рас четных методов для всех указанных на рис. 37 зон.
Рис. 37. Область и зоны влияния очистной выработки:
/кривая оседания земной поверхности; 2 — эпюры нормальных
напряжений в зоне опорного давления; 3 — кривые деформаций по род по нормали к напластованию; 4 — зона обрушения; 5 — граница области влияния очистной выработки.
Гипотезы сдвижения, использующие методы механики горных пород и решения аналитических задач согласовываются с конкрет ными схемами сдвижения, отражающими некоторую совокупность горногеологических условий, в которых наиболее явственно преобла дают те или иные формы сдвижения. Проводимые в таком плане исследования могут дать ценную основу для последующего обоб щения данных натурных наблюдений, разработки инженерных ме тодов расчета, составления требований к изучению структуры и свойств массива.
Характер процесса сдвижения, как известно, определяют следую щие основные факторы:
с т р о е н и е м а с с и в а г о р н ы х п о р о д — слоистые и неслои стые породы, углы несогласия свит пород, характёр слоистости и трещиноватости, разрывные и складчатые геологические нарушения.
М е х а н и ч е с к и е с в о й с т в а о т д е л ь н ы х с л о е в г о р н ы х п о р о д и м а с с и в а в целом, в том числе деформационные и проч ностные характеристики слоев, сцепление и трение по контактам и трещинам.
г е о м е т р и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и о ч и с т н о й в ы р а б о т к и — длина лавы, размеры, форма, мощность и угол падения пласта или залежи, глубина залегания;
п р о ч и е ф а к т о р ы — изменение гидродинамического режима подземных вод, соседние горные выработки, способы управления горным давлением, массовые взрывы и т. д.
Получение представительных величин показателей большин ства перечисленных выше факторов является одной из сложных за дач, решение которой дает необходимые исходные данные для теоре тического и инженерного решения вопросов сдвижения. Особо сле дует отметить важность исследований влияния фактора времени на проявление процесса сдвижения. Зависимости величин сдвижения от скорости подвигания забоя, времени, прошедшего с момента под работки и другие необходимы, главным образом, для разработки горных и конструктивных защитных мероприятий.
Взависимости от условий сочетания перечисленных факторов —
—в настоящее время выделяется несколько типовых схем сдвиже ния.
Основные закономерности сдвижения, присущие малотрещино ватому массиву при пологом, либо наклонном падении тонких или средней мощности пластов, характерны для большинства месторож дений, сложенных слоистыми породами.
Слои горных пород над выработанным пространством сдвигают ся при этом в форме последовательного прогиба. Распределение сдвижений и деформаций в каждом самостоятельно прогибающемся слое, как правило, происходит подобно тому, как это имеет место в защемленных по контуру плитах, заделанных балках или консолях. Мощности прогибающихся слоев зависят от литологического состава толщи и часто имеют тенденцию к увеличению с удалением от выра ботанного пространства. Между слоями возникают трещины рас слоения, раскрытие которых уменьшается в этом же направлении.
Подобная закономерность сдвижения в виде прогиба отдельных слоев подтверждена натурными наблюдениями и исследованиями на соответствующих моделях из эквивалентных материалов [20]. Она является базой для оценки некоторых гипотез сдвижения и для даль нейших исследований.
