Факторы, определяющие состояние массива на карьерах

Гидродинамическое давление

Давление подземных вод на глинистые породы может вызвать гидравлический разрыв глинистого слоя с прорывами напорных вод или плывунов.

Наличие водоносного горизонта в породах, непосредственно подстилающих отвал, приводит к увлажнению нижней части насыпи за счет капиллярного поднятия и, следовательно, к уменьшению сопротивления сдвигу пород отвала.

Суффозия - вынос из откосов фильтрующимся потоком подземных вод мелких минеральных частиц.

Наблюдается при высокой неоднородности (Кн = d60: d10) песчаных отложений - Кн > 15-20.

Породы с Кн < 15 не подвергаются суффозионному разрушению.

В обводнении открытых горных выработок могут участвовать естественные поверхностные и искусственные (отводных каналов, водохранилищ, гидроотвалов, хвостохранилищ и т.п.) водоемы.

Нарушения устойчивости горно-технических сооружений на карьерах

Горно-геологические явления

Горно-геологические явления возникают в массивах пород под влиянием горных работ.

При открытой разработке месторождений возможно обра­зование:

- оползней,

- обрушений и обвалов,

- осыпей и оплывин,

- просадок.

Оползни

Наиболее опасный вид разрушения карьерных откосов.

Формы оползней – в таблице.

В зависимости от объема сползающих масс:

- мелкие (сотни и тысячи кубических метров) оползни,

- средние (десятки тысяч),

- крупные (сотни ты­сяч),

- очень крупные (миллионы кубических метров).

Главное свойство оползней — это смещение породных масс по поверхности скольжения (оползания).

Призма возможного обрушения - объем породы в откосе, ограниченный поверхностью откоса и этой поверхностью.

Формы поверхности скольжения и их расположение в массиве зависят от (таблица):

- геологических факторов,

- физико-механических свойств пород,

- геометрических параметров откоса.

Типы оползней бортов карьеров и уступов

Типы оползней	Характеристика типов	Основные условия возникновения оползней
Простые:
собственно оползни	Поверхность скольжения сложного очертания: верхняя часть вертикальная, средняя и нижняя — криволинейные с обратным падением (в сторону массива) на нижнем отрезке	Массив несцементированных пород
оскользни	Смещения подработанных блоков и пачек горных пород массива откоса по поверхностям ослабления, падающим в сторону откоса	Подрезка откосов поверхностей ослабления, падающих в сторону выработки
оползни-оскользни (сложные оскользни)	То же, но поверхность скольжения проходит по направлению ослабления только в верхней части; нижняя ее часть пересекает поверхности ослабления под различными углами и выходит в откос в его основании	Падение поверхности ослабления в сторону выработки под углом, большим угла заоткоски борта
Сложные:
оползни выдавливания	Оползневому процессу предшествует и сопутствует пластическое выжимание слабых глинистых пород. Сползание происходит по пластически деформирующемуся основанию	Наличие в массиве или в основании откоса слабых глинистых легковыжимающихся пород
оползни оплывания	Оползневому процессу предшествует и сопутствует оплывание пород основания или нижней части откоса. Сползание происходит по оплывшей породе	Наличие в основании или в нижней части откоса пород, способных оплывать под действием фильтрационного давления и вибрации
оползни проседания	Оползневому процессу предшествует и сопутствует уплотнение (проседание), а иногда просадка пород откоса, происходящие под влиянием вибрации и увлажнения или того и другого вместе	Наличие в разрезе откоса рыхло-сложенных или просадочных пород

Рисунок - Основные типы оползней бортов карьеров и уступов

а – оскользень

б – сложный оскользень

в – собственно оползень

г – оползень выдавливания

д – оползень оплывания

е – оползень проседания

Обрушения и обвалы

Характеризуются быстрым смещением и падением крупных блоков и пачек пород, которые при падении опрокидываются и дробятся на более мелкие куски и пачки.

Обрушения нередко связаны с подрезкой откосами карьера контактов пород.

На буроугольных разработках обрушения и оползни могут приводить к возникновению пожаров в трещинах, образованных при деформациях сближенных уступов.

Осыпи— смещение и падение мелких обломков и зерен пород, отделившихся от поверхности откоса в результате выветривания.

Оплывины,наряду с явлениями суффозии и фильтрационного выпора, относятся к числу наиболее распространенных видов фильтрационного разрушения откосов несцементи­рованных и обводненных пород карьеров.

Просадки— вертикальное опускание прибортовых участков высокопористых рыхлых породных масс без образования сплошной поверхности скольжения.

РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ОТВАЛОВ

Наиболее распространенным видом деформаций отвалов являются оползни, возникающие, в основном, в результате несоответствия геометрических параметров отвалов несущей спо­собности отвальной массы и пород основания отвала.

В зависимости от положения нижней границы поверхности скольжения оползни разделяют на надподошвенные, подошвенные (контактные) и подлодошвенные.

Надподошвенныеоползни отвалов характеризуются плав­ной криволинейной поверхностью скольжения, образующейся в теле отвала и выходящей в нижнюю бровку откоса.

Подошвенные(контактные) оползни характеризуются ломаной поверхностью скольжения, проходящей по контакту отвал — основание или контакту между слоями в породах основания.

Подподошвенныеоползни возникают при размещении отвалов на основании, породы которого обладают низкой несущей способностью или в них сохраняются высокие напоры. Они характеризуются плавной криволинейной поверхностью скольжения, захватывающей породы основания, и образованием вала выпирания у нижней бровки откоса.

Горно-геологические условия отвалообразования можно представить в виде следующих основных схем:

• отвалы прочных или слабых пород на прочном основании;

• то же, на наклонном слоистом основании;

• то же, на слабом слое (подподошвенный тип оползня).

Расчеты предельных параметров внешних и внутренних отвалов производятся с коэффициентом запаса.

Рекомендуемые значения коэффициента запаса устойчивости приведены в таблице.

Отвалообразующие породы	Тип отвала	Основание отвала	Рекомендуемый коэффициент запаса устойчивости -
Скальные и полускальные	Внешний	Прочное	1,05
	Внутренний	Слоистое	1,05*-1,10
Рыхлые песчано-глинистые	Внешний	Прочное	1,10
		Слоистое	1,10*-1,20
	Внутренний	Прочное	1,10*-1,15
		Слоистое	1,20
Слабые глинистые	Внешний	Прочное	1,20
		Слабое,	1,20*-1,30
		слоистое	1,20
	Внутренний	Прочное Слоистое	1,20*-1,30
Скальные, полускальные	Нагруженный	Любое	1,10*-1,20
Рыхлые песчано-глинистые			1,20*-1,30
* Показатели физико-механических свойств пород отвалов и их оснований определяются методом обратных расчетов или натурными испытаниями.

УЧЕТ КРИВОЛИНЕЙНОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ В ПЛАНЕ

Устойчивость торцевых участков бортов карьеров вытянутой формы и бортов карьеров круглой или овальной форм в плане существенно возрастает. По сравнению с прямолинейными в плане бортами в перечисленных случаях возникает дополнительное сопротивление смещению призмы обрушения, создаваемое силами бокового распора.

Поэтому решения плоской задачи устойчивости откосов в этих случаях корректируются при помощи графиков или применяют типовые схемы определения углов наклона бортов, вводя поправки к углу наклона прямолинейного борта.

Факторы, определяющие состояние массива на карьерах

Состояние массива (борта карьеров и отвалы) зависит от следующих факторов:

- физико-географических,

- природно-геологических,

- гидрогеологических,

- инженерно-геологических,

- горно-технических.

Физико-географические факторы (климатические условия)

Температурный режим района, глубина сезонного промерзания и оттаивания пород влияют на интенсификацию процессов выветривания пород, образование осыпей, разрушение транспортных площадок и берм очистки.

Формирование естественного теплового поля горных пород зависит от:

- радиационного режима, вида покрова (снег, растительность),

- состава горных пород и строения массива, его обводненности, характера геологических структур и тектонических нарушений, определяющих процессы теплопередачи в массиве.

Прогнозирование температурного режима особенно необходимо для районов распространения многолетнемерзлых пород, где изменение нижних граничных условий влечет за собой оттаивание мерзлых толщ, приводящее к ослаблению несущих свойств породного массива, прорыву подземных вод и другим неблагоприятным процессам.

С глубиной сезонных колебаний температур связаны большие амплитуды температурных напряжений.

Из климатических факторов на устойчивость отвалов наибольшее влияние оказывают атмосферные осадки и колебания температуры воздуха.

С атмосферными осадками связано более 25 % деформаций откосов (оказывают наибольшее влияние на устойчивость песчано-глинистых пород).

Влияние климатических факторов особенно заметно в северных и восточных районах России, где горные работы ведутся в суровых климатических условиях с низкими отрицательными температурами и длительным периодом их действия. Процессы промерзания-оттаивания приводят к образованию в теле отвала ослабленной поверхности. Поэтому устойчивость отвальных откосов возрастает с увеличением шага отвалообразо-вания и снижением высоты отвала.

На устойчивости отвалов сказываются особенности микроклимата отвальной территории, обусловленные экспозицией откосов по отношению к освещенности солнцем и направлению господствующих ветров, а также расчлененность, уклон поверхности рельефа и залесенность окружающей местности. Так, северные откосы промерзают обычно глубже, чем южные; господствующие направления ветров способствуют распределению снегового покрова.

Природно-геологические факторы, влияющие на устойчивость отвалов:

- рельеф основания;

- геологическое строение;

- особенности поверхностного стока;

- количество и вид осадков.

Наклон основания в сторону откоса отвала ухудшает условия его устойчивости. Рельефом местности определяется также интенсивность поверхностного стока, скопление атмо­сферных вод у нижней бровки отвалов, подтапливание дождевыми и паводковыми водами, размещение отвалов во впадинах.

Гидрогеологические факторы:

- глубина залегания водоносного горизонта,

- водообильность,

- напорность,

- наличие гидравлической связи между горизонтами,

- гидродинамические характеристики водоносных горизонтов.

Гидрогеологическими факторами обусловливаются:

- подток подземных, дождевых и талых вод, вызывающий набухание, снижение прочности и местные деформации откосов песчано-глинистых пород;

- гидродинамическое давление фильтрующихся в приоткосном массиве подземных вод, приводящее к оплыванию откосов;

- суффозия, способствующая выносу мелких частиц;

- выщелачивание засоленных песчано-глинистых пород, карбонатных пород, галоидов, способствующее карстообразованию;

- внезапные прорывы подземных вод в результате вскрытия карстовых полостей или нарушения режима дренажа.

Процессы набухания свойственны глинистым породам. Наиболее интенсивно они развиваются в глинах монтмориллонитового состава. Показатель склонности пород к набуханию - коэффициент коллоидной активности

I_P - число пластичности, %;

F_<0,002 - процентное содержание фракции глинистых частиц (d < 0,002 мм).

Монтмориллонитовые глины - A_k > 1,25

Гидрослюдистые глины - A_k =1,25—0,75

Каолинитовые глины A_k < 0,75

Если глинистые породы являются верхним водоупором напорного водоносного горизонта, то при отсутствии дренажа этого горизонта происходит набухание глинистых пород и могут возникать крупные оползни.

Гидростатическое давление уменьшает нормальную составляющую массы элементарных блоков и, соответственно, снижает силы трения, удерживающие откос в равновесии.

Гидродинамическое давление

Давление подземных вод на глинистые породы может вызвать гидравлический разрыв глинистого слоя с прорывами напорных вод или плывунов.

Наличие водоносного горизонта в породах, непосредственно подстилающих отвал, приводит к увлажнению нижней части насыпи за счет капиллярного поднятия и, следовательно, к уменьшению сопротивления сдвигу пород отвала.

Суффозия - вынос из откосов фильтрующимся потоком подземных вод мелких минеральных частиц.

Наблюдается при высокой неоднородности (Кн = d60: d10) песчаных отложений - Кн > 15-20.

Породы с Кн < 15 не подвергаются суффозионному разрушению.

В обводнении открытых горных выработок могут участвовать естественные поверхностные и искусственные (отводных каналов, водохранилищ, гидроотвалов, хвостохранилищ и т.п.) водоемы.