СПОСОБЫ УКРЕПЛЕНИЯ ОТКОСОВ И УСЛОВИЯ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Г § 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПОСОБОВ УКРЕПЛЕНИЯ

По принципу воздействия на укрепляемый массив способы укрепления откосов на карьерах, в гидротехническом и специаль­ном строительстве делятся на четыре основные группы

(табл II 1)

1. использующие принцип механического удержания (инже­нерные или механические);

2. направленные на улучшение физико-механических свойств горных пород (упрочнение пород);

3. обеспечивающие надежную изоляцию пород поверхности откоса от воздействия внешних факторов (изоляция пород);

1. комбинированные.

Рис. II.1. Механические способы укрепления откосов:

/-железобетонные штанги; 2 -железобетонная свая и цементация. 3 - тРУбчат ая свая

большого диаметра; 4 - железобетонные шпоны; 5-тросовые тяжи; 6 - подвесная железо

бетонная стенка; 7 - контрфорс из скальных пород; 8 - железобетонная подпорная стенка,

9 —железобетонная защитная стенка; 10 — пригрузка из дренирующего материала

Та б л и ц а II. 1

Группы способов Условия применения

I. Механическое укрепление с помощью: Массивы со слаборазвитой трещиновато- железобетонных свай и шпон стью, подсеченные поверхностями ослабления, падающими в выработанное пространство под углами 20—50° штанг и гибких тросовых тяжей Крупноблоковые маловыветрелые массивы,

сланцеватые слоистые твердые породы с падением в сторону выемки под уг­ лами 40—60° защитных стенок Сильнотрещиноватые, легко выветриваю-

щиеся скальные и полускальные породы железобетонных подпорных стенок Нарушенные массивы сложной структуры и контрфорсов с переслаиванием пород, рыхлые увлаж-

ненные породы, склонные к оползанию И. Упрочнение пород с применением:

цементации, нагнетания укрепля- Трещиноватые скальные породы с трещи- ющих растворов из полимерных нами, свободными от глинистых мате-

материалов, смолизации риалов, крупнозернистые и мелкозерни-

стые пески силикатизации и электросиликати- Песчаные и лёссовые породы при коэф-

зации фициенте фильтрации 0,1—5 м/сутки

электрохимической обработки (элек- Глинистые водонасыщенные породы при троосмос) коэффициенте фильтрации менее

0,01 м/сутки термической обработки Лёссовидные, суглинистые и глинистые

породы с коэффициентом воздухопрони­ цаемости 0,2—0,4 см/с Уплотнение энергией взрыва Глинистые, лёссовидные, супесчанистые

породы с коэффициентом пористости бо­лее 0,1

III. Изолирующие и защитные покры­ тия, применяемые для укрепления:

набрызгбетон по металлической Сильнотрещиноватые породы, склонные сетке, смолизация, агромелио- к интенсивному выветриванию или вы-

ративные мероприятия щелачиванию; песчаные и гравелистые

откосы, песчано-глинистые откосы

IV. Комбинированное укрепление по- Сложные инженерно-геологические усло- род — это сочетание механического вия

укрепления с упрочнением или изо­ляцией пород

Принцип укрепления неустойчивых откосов механическими спо­собами (рис. II.1) основан на перераспределении напряжений в массиве горных пород. Воспринимая давление призмы обрушения, укрепительные конструкции и сооружения передают его устойчи­вой части массива, находящейся вне зоны сдвига. Необходимым условием применения механических способов укрепления откосов является наличие прочного, устойчивого массива за поверхностью (или зоной) скольжения или же в основании откоса.

В качестве средств механического укрепления откосов приме­няют одиночные конструкции (сваи, шпоны, штанги, тросовые

тяжи) и сплошные сооружения (подпорные и защитные стенки, контрфорсы). Первые находят преимущественное применение при укреплении откосов скальных и полускальных пород, вторые — для предупреждения оползней и укрепления глинистых пород и 1 фильтрующих откосов.

\ Упрочнение массива горных пород осуществляют для восста-

, новления нарушенных структурных связей в трещиноватых горных породах или же для создания новых дополнительных связей в ^: рыхлых породах.

Способы упрочнения пород, приведенные в табл. II.1, получи­ли довольно широкое распространение в строительстве. В прак-' тике открытых горных работ они находят пока ограниченное при-' менение. Более других освоен способ цементации трещиноватых ' скальных пород. Но и он применяется в сочетании с механиче­скими способами укрепления сваями или штангами.

Покрытие поверхности откосов изолирующими материалами I осуществляется при условии интенсивной выветриваемости горных ! пород в откосах после их обнажения. Конструкция покрытий обыч­но не рассчитывается на нагрузки, основное ее назначение —• изолировать горные породы от воздействия внешней среды.

В сложных инженерно-геологических условиях, когда один спо­соб укрепления не обеспечивает длительной устойчивости ослаб­ленного массива, производится комплексное укрепление.

^^ § 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ УКРЕПЛЕНИЯ ОТКОСОВ

Штанги и гибкие тросовые тяжи. Штанговая крепь применяется для крепления горных выработок при подзем­ной разработке месторождений полезных ископаемых. На откры­тых горных работах ее целесообразно применять для укрепления откосов маловыветрелых твердых горных пород крупноблочной, слоистой или сланцеватой структуры. Достоинствами этого вида крепи являются простота ее возведения, низкая себестоимость, высокая надежность и эффективность в работе, широкий диапа­зон условий, в которых она применима.

Необходимая длина штанг определяется мощностью ослаблен­ной зоны, требующей укрепления, и ограничивается технологиче­скими возможностями их установки. Максимальная длина жест­ких штанг, рекомендуемая к применению на карьерах, составляет 4—5 м. Применение штанг большей длины значительно услож­няет производство работ по их установке.

Ввиду того что в условиях открытой разработки основным на­значением штанговой крепи является обеспечение устойчивости блока породы, подсеченного поверхностью ослабления, эффектив­ность укрепления обуславливается состоянием массива в месте закрепления замков штанг. Поэтому, если бурение показывает, что массив нарушен на глубине 5—6 м и более, то породы замковой зоны подвергаются частичной цементации или в качестве укреп-

38

ляющих конструкций применяются гибкие тросовые тяжи. При­менение тросовых тяжей дает возможность располагать замки на большом расстоянии от поверхности откоса в крепких монолит­ных породах.

По характеру работы различают штанги, работающие на ра­стяжение и на срез. Последние устанавливаются нормально к по-

верхности скольжения, имеют увеличенный диаметр и изго­тавливаются из материалов, имеющих повышенное со­противление срезу.

Штанги и тросовые тяжи, рассчитанные на деформации растяжения, получают пред­варительное натяжение либо сразу же после их установки (натяжение задается конст­рукциям с помощью специаль­ных механизмов), либо по ме­ре деформирования массива (самонатяжение).

В последнем случае штанги и тросовые тяжи должны устанав­ливаться под минимально возможным углом ф к поверхности сдвига (рис. II.2, а), однако при этом увеличивается объем буре­ния и, кроме того, повышается трудоемкость работ по бурению и цементации скважин, установке арматуры. При расположении штанг горизонтально или с наклоном е= 10-М5⁰ к горизонту (рис. П.2, б) производство работ упрощается, но при этом штан­гам задается начальное натяжение.

Основным отличием штанг различных типов является конст­рукция замковой части. Она обеспечивает надежность работы штанги. Существует большое разнообразие конструкций замков: клиновые, конусные, взрывные и пр. Самонатягивающиеся штан­ги замков, как таковых, не имеют. Так как бетоном заполняется все свободное пространство между арматурой периодического профиля и стенками скважины, штанга по всей длине соприка­сается с окружающими породами и находится с ними в сцепле­нии. Штангам можно задавать начальное натяжение, для этого вначале заполняется бетоном только часть длины скважины (за зоной сдвига), а затем, после натяжения штанги, — вся скважи­на. Некоторые типы штанг приведены на рис. II.3.

По мере освоения промышленностью полимерных материалов в качестве связующего в горном деле находят все большее при­менение различные крепители и синтетические смолы. Штанги, при установке которых используются эти материалы, получили название сталеполимерных [69]. В конструктивном отношении они не отличаются от железобетонных.

При установке гибких тяжей трос в замковой части распле-

39

стве арматуры для этих свай используются ж.-д. рельсы тяжелого типа или другой прокат, а также готовые арматурные каркасы (рис. UА,а):

сборные типовые железобетонные сваи заводского изготовле­ния, сплошные и трубчатые (рис. 11.4,6); сплошные сваи имеют круглую, квадратную и прямоугольную формы поперечного сечения.

Диаметр свай может колебаться в широких пределах — от 200 до 1000 мм. Но ограниченные возможности бурения скважин различных диаметров, обусловленные наличием парка буровых машин на предприятии, предназначенных Для бурения взрывных

должна быть не менее 6—7 м; в) полная механизация работ, поз­воляющая достигнуть высокой производительности и низкой себе­стоимости укрепительных работ; г) возможность укрепления уча­стков значительной протяженности и большой мощности с глубо­ким залеганием поверхностей скольжения при условии, что призма возможного обрушения представлена монолитом крепких пород, а зона ослабления имеет незначительную мощность.

Применение свай ограничено и даже невозможно на участках, ослабленных крутопадающими поверхностями скольжения. Если

тается. За счет большой поверхности соприкосновения прядей троса с бетоном образуется прочный замок.

В последние годы в литературе вместо названия «штанговая крепь» часто используется термин «анкерная крепь». Учитывая это, а также и удобство пользования одним термином, для объ­единения таких понятий, как металлические штанги, железобе­тонные штанги, сталеполимерные штанги, гибкие тросовые тяжи, в дальнейшем изложении используется обобщающее эти виды кре­пи название — анкерная крепь.

Затяжкой, рекомендуемой к приме­нению при укреплении откосов анкерной крепью, служат: опорные железобетон­ные плиты, отдельные для каждого ан­кера или соединяющие «кусты» из трех-четырех анкеров, деревянные или метал­лические подхваты, соединяющие анке­ры каждого ряда, металлическая сетка, затягивающая пространство между анке­рами, торкрет-бетон по металлической сетке и т. д.

Необходимость и тип затяжки уста­навливаются на месте в зависимости от размеров блоков, возможности их выпа­дения и склонности пород к выветрива­нию. При этом деревянные или металли­ческие подхваты применяют лишь при коротком сроке службы выработки (до 3—5 лет). Если же выработка укрепляет­ся на более длительный срок, то затяж­ку производят железобетонными плитами или торкретируют поверхность откоса по металлической сетке, прикрепленной к анкерам.

Анкерной крепью укреплялись борта Кургашинканского, Коун-радского карьеров (опытные работы), карьера Шор-Су и некото­рых угольных разрезов.

Железобетонные сваи и шпоны. Железобетонные сваи являются надежным средством укрепления участков уступов, сложенных крепкими горными породами, ослабленными трещи­нами, тектоническими нарушениями, слабыми включениями и пр.

Основными достоинствами свайной крепи являются:

а) высокая несущая способность свай (особенно с жесткой арматурой), достигающая при работе свай на касательную на­грузку при срезе 100—150 тс; б) простота возведения свай, не требующая специальных сложных приспособлений; рабочим ме­стом служит верхняя площадка уступа, что облегчает транспорти­ровку оборудования и материалов, используемых при укреплении; ширина берм, на которых производятся укрепительные работы,

же поверхность скольжения име­ет сложную форму с изменяю­щимися углами падения, крепь возводят с таким расчетом, что­бы сваи пересекали зону ослаб­ления на участках с возможно более пологими углами наклона и как можно ближе к призме упора.

Для укрепления уступов не­обходимо, чтобы свая была уста­новлена ниже ослабленной зоны на глубину, обеспечивающую ее устойчивость. В условиях, когда не исключена возможность ра­боты сваи на изгиб, жесткая ар­матура в скважине располагает­ся так, чтобы наибольший мо­мент сопротивления ее изгибу совпадал с направлением дей­ствия изгибающего момента (на-

ппяк.лрнир глпигяюшиу гитЛ

• -^ *— /

В практике открытых горных работ применяют железобетон­ные сваи двух типов:

набивные, изготовляемые на месте производства работ непо-средствено в скважинах; в каче-

Рис. II.4. Железобетонные сваи для укрепления откосов:

а — набивные; / — с жесткой армату­рой; 2 — с гибкой арматурой; б—■ за­водского изготовления; 3 — круглая сплошная; 4 — квадратная; 5 — прямо­угольная; 6' — трубчатая

40

41

скважин, приводят к тому, что на практике диаметр применяемых свай устанавливается не из условий необходимости, а из возмож­ности бурения скважин для них.

По характеру работы в деформирующемся массиве различают сваи, работающие на деформации среза и изгиба. Сваи, работаю­щие на срез, имеют сплошное поперечное сечение. Чем больше процент армирования таких свай, тем лучше они сопротивляются срезу. Это и обеспечило преимущественное применение набивных свай с арматурой из ж.-д. рельсов тяжелого типа — Р-43 и Р-50. Такие сваи подобны шпонам, поэтому для экономии материалов в некоторых случаях целесообразно применять железобетонные шпоны взамен свай (рис. II.5). При необходимости применения

Рис. II.5. Железобетонные шпо- Рис. II.6. Схема анкеровки из-

ны, устанавливаемые в сква- гибаемых железобетонных

жины без их расширения свай:

/—свая; 2 — анкер; 3— анкерная тяга

шпон, диаметр которых больше диаметра скважин, последний мо­жет быть увеличен путем взрывания камуфлетных зарядов или же с помощью расширителей скважин.

Изгибаемые сваи должны иметь возможно большую жесткость пропорциональную модулю упругости материала, из которого изготовлена свая, и моменту инерции ее сечения. Для увеличения сопротивляемости свай изгибу верхние их концы прикрепляются в ненарушенном массиве анкерами (рис. П.6). В связи с тем, что при изгибе нормальные напряжения, действующие в поперечном сечении конструкции, имеют максимальные значения у поверхности и равны нулю вдоль нейтральной оси конструкции, целесообразно применять сваи трубчатого сечения.

В зависимости от характера деформирования откоса, физико-механических характеристик пород и диаметра применяемых свай последние устанавливаются в один или несколько рядов.

При установке свай в один ряд (рис. П.7, а) на небольшом рас­стоянии друг от друга образуется сплошная свайная стенка, ана­логичная шпунтовой. Такие стенки находят применение при соору­жении искусственных улавливающих берм.

Если сваи устанавливаются в два-три ряда (рис. 11.7,6), обра­зуется подобие подпорной стены шириной ш, равной расстоянию

между первым и последним рядами свай. Для того чтобы все сваи работали как единое целое, верхние их концы соединяют общим железобетонным ростверком. Железобетонными сваями укреплены уступы на «Зыряновском», «Блявинском», «Объединенном» и дру­гих карьерах.

Подпорные и защитные стенки, контрфорсы из скальных пород. Массивные подпорные стены, приме­няемые в гидротехническом, дорожном и специальном строитель-

Рис. II.7. Схемы установки свай:

о. — в один ряд; б — в несколько рядов; / — свая; 2 — железобетонный рост­верк; 3 — затяжка; 4 — анкер; 5 — анкерная тяга

стве, находят ограниченное применение в практике открытых гор­ных работ в силу присущих им недостатков, основными из которых являются:

а) трудоемкость возведения этих сооружений, требующая боль­ших затрат материалов и рабочей силы; б) высокая себестоимость укрепления (по сравнению со стоимостью укрепления другими способами), достигающая 3 и более рублей на 1 м³ пород; в) отно­сительно небольшая несущая способность, прямо пропорциональ­ная ширине и массе стены; это значит, что сооружение стен с боль­шой несущей способностью в значительной степени будет затруд­нено в условиях карьера, так как потребуется увеличение ширины берм, на которых необходимо возвести подпорные стены; г) боль-

42

43

шая масса, создающая дополнительную нагрузку на нижележа­щие уступы.

Из всех известных типов массивных подпорных стен на карье­рах наиболее целесообразно с экономической точки зрения приме­нение железобетонных стен на участках протяженностью не более 50 м, когда важно сохранить непрерывность транспортной бермы. Примером успешного сооружения подпорных стен на нескольких участках бортов может служить Сибайский карьер [12].

Подпорные стены относятся к сплошным сооружениям. Они создают единый фронт сопротивления сдвигающимся горным по­родам, поэтому их применяют для стабилизации оползней глини­стых пород. Внутри оползня отсутствуют существенные силы взаимосвязи между частицами горных пород. Поэтому движение оползня может быть остановлено только сооружениями, создаю­щими лобовое сопротивление. К тому же оползающие породы обычно значительно увлажнены, что придает оползню характер пластичного тела, обладающего способностью «течь».

Из сказанного следует, что:

подпорные стены могут оказать сопротивление оползню только в том случае, если ширина их больше фронта распространения оползня, а высота достаточна, чтобы предотвратить «перетекание» пород через стену; основание (фундамент) стены должно нахо­диться вне зоны действия оползня, в горных породах, обладающих достаточным сопротивлением сдвигу с учетом веса стены и дав­ления, оказываемого на нее оползнем; во избежание скопления воды за подпорной стеной и тем самым создания дополнительных напоров, необходимо в подпорных стенах устанавливать на опре­деленном расстоянии дренажные трубы.

Железобетонные подпорные стены рассчитывают на сдвиг и опрокидывание. Следовательно, конструкция стен должна быть такой, чтобы они удовлетворяли следующим требованиям:

иметь достаточное сопротивление сдвигу по основанию; для удовлетворения этого требования подпбрные стены сооружают на прочном скальном или полускальном основании (рис. II.8, а) или же на свайных фундаментах (рис. 11.8,6);

быть устойчивыми против опрокидывания, т. е. иметь ширину фундамента, соразмерную с высотой стены;

оказывать сопротивление оползневому давлению в любом по­перечном сечении, т. е. иметь достаточную прочность.

В отличие от массивных железобетонных подпорных стен, защитные стенки имеют небольшую толщину (0,5—1,5 м). Они сооружаются для предотвращения локальных вывалов, обрушений ограниченного объема и осыпей в откосах, сложенных интенсивно выветривающимися горными породами.

Устойчивость защитных стенок обеспечивается заделкой фунда­мента в основание укрепляемого уступа и анкеровкой верха стенки (рис. II.9, а). Промежуточные анкеры устанавливаются для сокра­щения пролетов при наличии опасности возникновения больших

по величине изгибающих моментов. В качестве анкеров приме­няются металлические штанги или тросовые тяжи (в зависимости от длины анкера). Защитными стенками этого типа укрепляются уступы трещиноватых скальных и полускальных пород.

Тонкие подвесные стенки толщиной 0,05—0,10 м сооружаются исключительно для предотвращения образования осыпей

Рис. 11.8. Подпорная стена на Рис. II.9. Железобетонные стенки:

прочном скальном основании И а — защитная на фундаменте; б — предохрани-

на свайном фундаменте: тельная подвесная

ft, ft' — высота уступа и стены со­ответственно; Ьф — ширина фунда­мента; h_c ф—глубина забивки свай фундамента

(рис. П.9, б). Фундаментов они не имеют. Металлическая сетка навешивается на штанги длиной 1,5—2,5 м, предварительно уста­новленные на определенном расстоянии друг от друга. Затем по­верхность откоса покрывается набрызгбетоном. Эти стенки отно­сятся к группе изолирующих покрытий поверхности откосов.

Вариантом подвесной стенки является затяжка поверхности откоса сборными железобетонными плитами.

Контрфорсы, отсыпаемые из скальных пород, выполняют те же функции, что и подпорные стены, но, в отличие от последних, яв­ляются более дешевыми сооружениями (разумеется, там, где скаль­ная вскрыша добывается попутно). Им присущи и некоторые не­достатки: большая собственная масса и большие площади, требующие значительной ширины берм, на которые отсыпаются контрфорсы, если отсыпка производится на заоткошенные уступы (рис. НЛО,а).

Для сохранения ширины берм производится частичная выемка рыхлых пород и замена их скальными (рис. 11.10, б). Эти работы ведутся в определенной последовательности с минимальным опе­режением выемки (см. главу IV).

Обычно контрфорсы не имеют фундаментов в прямом смысле этого слова, но тем не менее отсыпаются на специально подготов-

44

45

ленное основание. Если в основании оползня залегают скальные или полускальные породы, то их рыхлят на глубину 1 —1,5 м с по­мощью буровзрывных работ. При наличии слабых пород, поддаю­щихся экскавации, делают выемку на такую же глубину, с тем чтобы основание контрфорса не совпадало с поверхностью сколь­жения. Для предотвращения сдвига в основании контрфорса по-

Рис. 11.10. Контрфорсы из скальных пород: а и б — отсыпаемые на прочное скальное основание; в — отсыпаемые на свайный фундамент; />_к> *_к — высота и ширина основания контрфорса; /и,— глубина за­бивки свай фундамента

следний отсыпается на специально подготовленный свайный фунда­мент. Фундамент представляет собой ряд вертикальных свай, забитых в основание уступа не на полную длину. Выступающие на 2—2,5 м верхние концы свай перевязываются поперечными железобетонными ригелями. На это основание производится от­сыпка скальной породы (рис. 11.10, в).

Дренаж воды через тело контрфорса обеспечивается удовлетво­рительно при содержании глинистых пород в материале отсыпки в пределах до 20%. (Г Для предотвращения фильтрационных деформаций уступов | поверхность откосов уступов пригружается фильтрующим мате­риалом— гравием, щебнем или скальными породами вскрыши. Это мероприятие предохраняет поверхность откоса от размыва сточ-

ными водами, препятствует выносу частиц пород подземными водами и развитию фильтрационных деформаций откосов.

Материал, используемый для устройства пригрузочных призм, должен быть устойчив против длительного воздействия темпера­тур и влаги.

Отсыпка фильтрующего материала может производиться на заоткошенную поверхность уступа без выемки части рыхлых пород.

Рис. 11.11. Пригрузка откосов дренирующим материалом: А_п, Ь_п —высота и ширина основания пригрузочной призмы

В этом случае пригрузка имеет в поперечном сечении форму тре­угольной призмы, а откос выполаживается (рис. 11.11,а). При выемке части рыхлых пород и замене их фильтрующим материа­лом угол откоса уступа чаще всего равен углу естественного откоса материала, из которого отсыпается пригрузка (рис. 11.11,б). Пригрузка откосов скальной вкрышей в наносах широко прак­тикуется на Зыряновском карьере. Там же с помощью контрфор­сов стабилизированы оползни уступов южного борта карьера.

§ 3. Упрочнение пород

Наибольшее распространение среди методов упрочнения полу­чила цементация. Область ее применения — массив, обладающий удельным водопоглощением.не менее 0,01 л/мин, сложенный поро­дами от сильнотрещиноватых скальных до крупнозернистых пес­ков и галечников.

Наилучший эффект цементации достигается в трещинова­тых породах (песчаниках, глинистых и песчанистых сланцах, из­вестняках, гранитах, гранито-гнейсах, габбро, аргиллитах, алевро­литах и т. д.) при отсутствии в трещинах глинистого заполнения.

Цементация в гидротехническом строительстве применяется не только для создания гидроизоляционных завес в основаниях пло­ тин, но и как метод укрепления породного массива. Посредством _t цементации достигается прочное сопряжение тела плотины с бере­ гом реки и образование надежного упора до заполнения верхнего бьефа. Кроме того, достигается устойчивость откосов над пло­ тиной.

46

47.

-■•л

В горном деле цементация издавна известна в основном как средство тампонажа водоносных трещиноватых пород при проходке подземных выработок. В условиях открытых горных работ цемен­тация применяется для упрочнения трещиноватых массивов скаль­ных и полускальных пород, а также для устройства противо-фильтрационных завес.

В зависимости от размеров укрепляемых участков бортов карьеров цементация может быть поверхностной и глубинной. Поверхностная, или, как ее принято называть в гидростроитель­стве, перфораторная, цементация предназначается для укрепления слоя пород до 7 м от поверхности. Основными растворопроводя-щими каналами служат скважины перфораторного бурения; давле­ние нагнетания не превышает при этом 10 кгс/см².

Глубинная цементация применяется для упрочнения больших объемов трещиноватого массива. Цементный раствор подается под большим давлением (15—40 и более кгс/см²) через скважины, пройденные с помощью буровых станков (выбор способа бурения практически не ограничивается).

Цементация ослабленных участков борта отличается от цемен­тации в гидростроительстве как по своему назначению, так и по условиям выполнения. Эти отличия сводятся к следующему:

1. При цементации участка борта для повышения его устойчи­вости следует избегать образования гидроизоляционной завесы. Необходимо принимать меры для того, чтобы за сцементированным участком не создавались условия для роста гидростатического на­пора подземных вод. В противном случае на укрепленный участок со стороны массива будет действовать гидростатическое давление, что, естественно, снизит эффект укрепления.

2. Участок борта в предельном положении, подлежащий укреп­лению, не испытывает обычно никаких нагрузок, кроме собствен­ного веса пород. Это также отличает назначение цементации на карьерах от укрепления примыканий в створе плотины. Для усло­вий карьера достаточно инъецированием укрепляющих растворов обеспечить устойчивость откоса в пределах ослабленного участка под углом, равным углу откоса смежных участков борта, не подле­жащих укреплению. Для этой цели не требуется того качества цементации, какое регламентировано в гидротехническом строи­тельстве. Достаточно частичного заполнения трещин цементом для увеличения сцепления по контактам блоков.

Эти особенности укрепительной цементации на карьерах позво­ляют упростить ее технологию по сравнению с общепринятыми техническими условиями и нормами.

Нагнетание цементного раствора производится через веер сква­жин диаметром 50—200 мм, пробуренных с верхней площадки уступа или же с поверхности откоса (рис. 11.12). После нагнетания цементного раствора в скважины вводится металлическая арма­тура. Это усиливает эффект укрепления.

ла

Силикатизация повышает прочность и водонепроницае­мость укрепляемых рыхлых пород.

Принцип силикатизации заключается в том, что при обработке песчаных пород силикатным раствором они приобретают повышен­ную механическую прочность, водонепроницаемость и водо­устойчивость.

Применяют двухрастворную и однорастворную силикатизацию.

Двухрастворная силикатизация применяется для упрочнения крупно- и среднезернистых песков с коэффициентом фильтрации 2—80 м/сут. Она заключается в последовательном нагнетании растворов силиката натрия (жидкое стекло) и хлористого кальция.

Рис. 11.12. Схемы расположения цементаци­онных скважин: / — зона цементации

Для упрочнения мелких и пылеватых песков с коэффициентом фильтрации 0,5—5,0 м/сут, а также лёссовых пород с коэффициен­том фильтрации 0,1—2,0 м/сут применяется однорастворная сили­катизация, заключающаяся в одновременном нагнетании в породы растворов жидкого стекла и фосфорной кислоты или растворов жидкого стекла, серной кислоты и сернокислого аммония.

Эффективность упрочнения пород способом силикатизации обу­словлена рН грунтовых вод. При двухрастворной силикатизации грунтовые воды должны иметь рН менее 9, а при однораствор-

ной — менее 7,2.

За последние годы в Советском Союзе и за рубежом разрабо­тан способ укрепления пород электросиликатизацией, основанный на одновременном воздействии на породы силикатизации и электро­химической обработки (электроосмоса). Многие исследователи полагают, что электросиликатизация даст хорошие результаты при укреплении обводненных глинистых пород.

Опытное и теоретическое изучение электроосмоса, проведенное А. В. Нетушилом, Б. А. Ржаницыным, Г. М. Ломизе, Л. И. Курден-. ковым и другими исследователями, позволило сделать вывод о тех­нической возможности использования указанного явления для

49

изменения режима фильтрации воды в малопроницаемых песчаных и глинистых породах и частичного уплотнения их путем физико-химических процессов, протекающих в породах при пропускании через них постоянного электрического тока.

Дальнейшим усовершенствованием электроосмотического воз­действия на водоносные породы явился электрохимический способ укрепления, основанный на одновременном воздействии на породы постоянного электрического тока и различных добавок, вызываю­щих химические реакции, вследствие которых происходит упроч­нение пород. При электрохимическом способе упрочнение горных пород происходит под воздействием следующих процессов:

1. электроосмоса, в результате которого происходит перемеще­ние воды от положительного электрода к отрицательному; при этом вода от отрицательного электрода откачивается насосами;

2. реакций обмена, при которых в поглощающем комплексе пород натрий и калий замещаются водородом, алюминием или железом; коагуляция коллоидной фракции уплотняет породы;

3) структурообразования, являющегося результатом выпаде­ ния гидратов окиси металлов (алюминия, железа) и кальция в порах и трещинах пород. В результате этого происходит цемента­ ция последних.

Все эти процессы происходят одновременно и во взаимосвязи между собой.

Проф. Г. М. Ломизе и А. В. Нетушил разработали классифика­цию характерных геологических и гидрогеологических условий, в которых целесообразно применять электроосмотическое водо-понижение. Данную классификацию указанные авторы выразили в виде трех основных схем геологических условий:

1. Массив состоит из однородной толщи глинистых пород или же ряда глинистых слоев с коэффициентом фильтрации 0,1 м/сут и менее при условии, что породы находятся в пластичном или теку­чем состоянии.

2. Толща пород представлена в виде двух горизонтов, верхним из которых являются глинистые с небольшим коэффициентом фильтрации, а нижним — песчаные или песчано-гравелистые породы.

3. Массив пород состоит из большого числа чередующихся мало­проницаемых глинистых и песчаных слоев с различным грануло­метрическим составом, причем коэффициент фильтрации глинистых пород не превышает 0,1 м/сут, а также когда в песчаных породах, в виде линз больших размеров, встречаются глинистые породы.

Отечественный и зарубежный опыт применения электрохими­ческого способа укрепления пород показывает, что кроме пониже­ния уровня грунтовых вод и уплотнения пород этот способ придает породам водоустойчивость и повышает их механическую прочность. Электроосмос и электрохимическое укрепление в определенных условиях могут найти применение для борьбы с оползневыми яв­лениями на карьерах.

Особый интерес как укрепляющие растворы представляют раз­личные виды синтетических смол (смолизация).

Работы по изысканию способов укрепления горных пород с по­мощью синтетических смол широко ведутся как за рубежом, так и в Советском Союзе. Испытываются эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные, карбамидные, мочевино-формальдегидные и меламино-мочевино-формальдегидные смолы.

В условиях открытых горных работ наиболее целесообразно применение эпоксидных и карбамидных смол. Это сравнительно недорогие и недефицитные материалы, обладающие при затверде­вании высокими физико-механическими характеристиками.

Применение способа смолизации для укрепления мелкотрещи­новатых скальных, полускальных и песчаных пород позволяет улуч­шить их физико-механические свойства. Предел прочности укреп­ленных пород на сжатие повышается до 50 кгс/см² в зависимости от концентрации смолы, отвердителей и их объемного соотноше­ния в растворе, пылеватые породы становятся водонепроницае­мыми. Укрепление возможно в сложных гидрогеологических усло­виях, в которых другие способы неприменимы или дают неудовле­творительные результаты.

Основным преимуществом укрепляющих растворов является их повышенная проникающая способность. Растворы на основе акрил-амида обладают вязкостью, мало отличающейся от вязкости воды. В горной промышленности США широко применяется тампонаж-ный материал АМ9, а в Японии разработан подобный же мате­риал сумисойл. В отечественной практике для укрепления песча­ных оснований в промышленном строительстве используется кар-бамидная смола крепитель М. Разработано несколько рецептов-растворов на основе мочевино-формальдегидных смол типа МФ-17 и др.

Синтетические смолы упрочняют тонкозернистые обводненные пески и мелкотрещиноватые горные породы, а также возводят непроницаемые противофильтрационные завесы. Исследователь­ские работы в этой области ведутся в ИГД им. А. А. Скочинского. Наряду с опытами по упрочнению пород при проходке горных выработок, был укреплен участок песчаного уступа на буроуголь-ном разрезе Александрийского комбината.

Термический способ укрепления горных пород приме­няется для: а) укрепления просадочных глинистых и лёссовых пород оснований при строительстве промышленных и гражданских зданий и сооружений; б) ликвидации аварийного состояния зданий и сооружений в результате неравномерных осадок; в) борьбы с оползневыми явлениями при строительстве каналов, дорог, гидро­станций, карьеров и т. д.

Институтом ЮжНИИ разработано два способа производства термического укрепления пород.

Первый способ заключается в нагнетании под давлением в по­роды через жароупорные трубы и скважины горячего воздуха,

50

51

предварительно нагретого до температуры 600—800° в экономай­зерах. Нагретый воздух компрессором нагнетается по термоизоля­ционному трубопроводу и через герметический-затвор в скважину. Горячий воздух, проникая через трещины и поры в породе, обжи­гает их, создавая вокруг скважины укрепленную зону в виде цилиндра диаметром 2—3 м.

Сущность второго способа заключается в термической или тер­мохимической обработке пород горячими газообразными продук­тами горения, обогащаемыми при необходимости химическими добавками. В этом случае горючее (жидкое или газообразное) с помощью насосной установки подается к форсунке, установлен­ной в затворе скважины. Одновременно с подачей горючего, ком­прессором к форсунке подается сжатый воздух, необходимый для увеличения степени проникновения горючих газов в породы.

При работах по укреплению пород в скважине избыточное дав­ление должно быть в пределах 0,25—0,5 кгс/см² для- усиления ин­фильтрации раскаленных газов в породы, что достигается путем нагнетания в скважину холодного воздуха под давлением. Для поддержания избыточного давления устье скважины тщательно герметизируют и уменьшают газопроницаемость верхней зоны пород.

При термическом способе укрепления слабых пород скважины могут располагаться вертикально, горизонтально, наклонно или комбинированно, что определяется конкретными условиями укреп­ляемого участка и характером залегания пород. Для термического укрепления применяются скважины диаметром 150—220 мм. Рас­стояние между ними устанавливается в зависимости от конфигу­рации и размеров участка. Опытными работами установлено, что расстояние между скважинами можно принимать около 2—2,5 м, ибо практика укрепления неустойчивых лёссовых и глинистых по­род показала, что радиус укрепления одной скважины состав­ляет 1—1,5 м.

Интересен способ укрепления откосов пород, способных уплот­няться (глины, суглинки, лёссы), путем уплотнения взрывом, раз­рабатываемый институтом ВИОГЁМ. Опытные работы были выполнены на Михайловском карьере КМА [9]. Для укрепления участка уступа бурится ряд скважин на расстоянии 2—-3 м друг от друга и производится прострелка каждой скважины неболь­шими камуфлетными взрывами. При взрывании образуется котел, а породы в зоне, прилегающей к стенкам скважины, уплотняются, что повышает их механическую прочность и устойчивость. Для более полного и эффективного использования скважин в последние после взрыва опускают металлическую арматуру (например, рельсы и другой прокат черных металлов) и заполняют скважины бетоном (рис. 11.13).

В результате вокруг каждой скважины образуется зона уплот­ненных пород, что при правильном выборе расстояния между сква-

52

жинами в ряду позволит избежать «обтекания» упрочненных зон породой и обеспечит устойчивость откоса.

Данный метод требует дополнительной проверки в производст­венных условиях, однако уже сейчас есть основания считать, что его внедрение в определенных горно-геологических условиях может оказаться весьма эффективным.

z

Рис. 11.13. Полости, образован- Рис. 11.14. Схема расположе­ ние камуфлетными взрывами, ния скважин для разрушения заполненные бетоном (по дан- слабого слоя и перемешивания ным П. А. Власова): пород:

/ — скважины: 2 — заполненные бе- / — слабый прослой; 2 —скважины;

тоном полости 3 — зона разрушенных пород

Известен и другой вариант использования энергии взрыва. Если имеется контакт слабых и крепких пород, сцепление и трение по которому незначительны, при увлажнении таких контактов часто возникают покровные оползни. Стабилизировать такой оползень можно путем разрушения взрывом и перемешивания пород, зале­гающих в ослабленной зоне. Этим способом ликвидирован опол­зень на Златоуст-Беловском карьере [29]. Эффект укрепления мож­но повысить путем нагнетания укрепляющих растворов в раздроб­ленную зону (рис. 11.14).