Устойчивость подработанных бортов и уступов карьеров

В настоящее время для оценки устойчивости откосов бортов (или уступов) карьеров наибольшее применение находит подход, в соответствии с которым предполагается, что в массивах пород уступов и бортов образуется так называемая призма обрушения (призма сползания). Со стороны массива призма обрушения ограничена потенциальной поверхностью разрушения (скольжения), т.е. поверхностью, вдоль которой напряжения, достигнув предельной величины, приведут к разрушению.

Существуют строгие методы решения задачи устойчивости откосов, но они связаны с довольно значительными техническими трудностями и не являются универсальными для инженерных расчетов. Поэтому в практике горного дела получили распространение приближенные методы, в которых форма поверхности скольжения принимается априорно и вдоль нее рассчитывают соотношение сдвигающих и удерживающих сил.

В этом случае условие устойчивости откоса записывается в виде:

ΣS_i > ΣT_i,(10.1)

где ΣS_i — сумма удерживающих сил по наиболее слабой поверхности; ΣT_i — сумма сдвигающих сил по той же поверхности.

Их отношение n = ΣS_i / ΣT_i носит название коэффициента запаса устойчивости. Соответственно, поверхность, по которой n = 1, называют предельной, или поверхностью скольжения.

Cопротивление сдвигу горных пород в общем случае зависит от нормальных напряжений, действующих на площадке сдвига, и прочностных свойств пород:

τ = τ₀ + σ_n tgφ,(10.2)

где τ₀ — сцепление горных пород; σ_n — нормальное напряжение к площадке сдвига; τ — касательное напряжение, действующее вдоль площадки сдвига; φ — угол внутреннего трения.

Тогда, в условиях плоской задачи, с учетом зависимости (10.1) получим:

ΣT_i = f_ср ΣN_i + L τ_ср,(10.3)

где ΣT_i и ΣN_i — суммы сдвигающих и нормальных (удерживающих) сил по поверхности скольжения; f_ср = tgφ_ср и τ_ср — средние значения коэффициента трения и сцепления по всей поверхности скольжения; L— длина поверхности (линии в плоской задаче) скольжения.

С использованием изложенных принципов расчет устойчивости откоса производят следующим образом:

Участок массива пород, ограниченный откосом АВС и круглоцилиндрической поверхностью скольжения АС₁ и высотой СС₁ предельно устойчивого вертикального обнажения пород, делят на ряд одинаковых по ширине а вертикальных полос (рис. 10.2). В качестве точек приложения массы полос Q условно выбирают точку средней их высоты. Разлагая массу полос Q на касательные и нормальные составляющие к поверхностям скольжения, получают Т_i и N_i.

Просуммировав раздельно вектора касательных и нормальных компонент (с учетом масштаба) и определив длину линии скольжения L, получают отмеченное выше соотношение запаса устойчивости откоса:

f_ср ΣN_i + L τ_ср

n = ------------------.(10.4)

ΣT_i

Рис. 10.2. Схема к расчету устойчивости откоса при кругло-цилиндрической поверхности скольжения

В верхней части откоса выделяется вертикальный отрезок СС₁ линии скольжения. Эта поверхность (линия) отрыва при поверхностной части откоса формируется в результате воздействия напряжений растяжения (разрыва). Величину ее, обозначенную h_π/2, Г.Л. Фисенко рекомендует определять по зависимости:

2 τ₀

h_π/2 = ---------ctg (π/4 – φ/2).(10.4)

γ

Однако, при расчетах устойчивости откосов по изложенной методике сложности возникают при определении местоположения круглоцилиндрической поверхности скольжения. Делают это методом последовательных приближений или с помощью соответствующих графиков и таблиц.

Проведение подземных горных работ в зоне влияния карьера (под дном и в бортах) вызывает перераспределение напряжений в подработанном массиве и существенно изменяет условия устойчивости откосов.

Изменение напряженного состояния массива горных пород вызывает, в свою очередь, перераспределение величин и направлений действия (и соотношения) сдвигающих и удерживающих сил. Уменьшение устойчивости подработанных откосов происходит в большинстве случаев за счет снижения удерживающих сил, которые могут уменьшаться врезультате:

♦ снижения прочностных характеристик массива пород в борту;

♦ изменения геометрических параметров откоса борта (увеличение высоты, изменение формы массива борта, увеличение угла наклона откоса и т.д.);

♦ изменения направления действия удерживающих (часто и сдвигающих) усилий.

Степень снижения прочностных характеристик (разупрочнения пород) в результате подработки может быть различной и зависит от конкретных условий месторождения:

интенсивности структурной раздробленности массива;

ориентировки плоскостей ослабления относительно подземных очистных выработок и элементов карьера;

начальной прочности массива;

стадии развития зоны сдвижения;

степени подработки массива;

скорости подработки и др.

Массивы скальных, достаточно упругих, средней трещиноватости пород могут снижать прочность при подработке (в зоне сдвижения) в 1,5—2 раза.

С.Т. Колбенков и Н.И. Митичкина отмечают, что на Ткварчельском угольном месторождении наблюдалось несколько случаев оползней склонов гор, подработанных очистными выработками. Установлено, что оползню предшествует значительное снижение прочностных свойств пород. Нарушение структуры массива в этом случае привело к уменьшению углов внутреннего трения в среднем на 18—20%, а величины сцепления — на 45%.

Можно предположить, что в пластичных, хорошо деформирующихся породах степень разупрочнения массива при подработке несколько ниже. Однако, несомненно, что во всех случаях подработка существенно снижает прочность массива, приводит к его разуплотнению. Учет ослабляющего действия на устойчивость откосов бортов и уступов в результате изменения структуры и прочности массива не вызывает особых трудностей и заключается в определении структурных, прочностных и других характеристик массива общеизвестными полевыми и лабораторными методами.

Более опасны и сложны для учета и прогнозирования два других фактора, определяющих ослабление откосов карьера. Эти факторы проявляются совместно, так как изменение геометрии борта карьера неизбежно вызывает перераспределение действующих в нем напряжений, в частности, изменение величин, направлений действующих напряжений и в соответствии с этим деформаций массива пород борта. Нагляден в этом отношении механизм деформирования откосов и массивов борта, представленный С.Г. Авершиным. Он указывает, что здесь, при прочих равных условиях, решающее значение имеют соотношения горизонтальных составляющих векторов деформации (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Сдвижение пород при подработке откосов (по С.Г. Авершину).

Штриховой линией показано положение, к которому будет стремиться подрабатываемый откос. МОН – эпюра напряжений в откосе.

При сдвижении горных пород подработанный откос будет стремиться к положению, показанному штриховой линией, вызывая растягивающие напряжения на участке АО и сжимающие — на участке ВО. И то, и другое в общем случае приводит к снижению устойчивости откоса в целом. Возможно такое взаимное положение откоса и выработки, когда последняя практически не снизит устойчивость откоса.

С.Г. Авершин рекомендует во всех случаях осуществлять подработку откосов в направлении от массива. Эта схема предпочтительна, но она не гарантирует от деформации и обрушения подрабатываемого откоса. Следовательно, во всех случаях необходимо оценивать устойчивость подработанных откосов расчетными методами. Тем не менее, в практике совместной разработки рудных месторождений имеются убедительные подтверждения справедливости приведенной рекомендации С.Г. Авершина.

Опыт совместной разработки месторождения «Норильск-1» карьером «Угольный ручей» и подземным рудником «Заполярный» детально рассмотрен Б.П. Юматовым. Горные работы карьера и рудника движутся навстречу друг другу. Наблюдения за сдвижением массива горных пород и уступов карьера показали, что как в процессе развития зоны обрушения в массиве, так и после выхода ее на поверхность существенных деформаций откосов борта и уступов карьера не отмечалось. Результирующий угол наклона откоса борта составлял 20 — 22° при 35 — 40° по предельному контуру.

При расчетах устойчивости подработанных откосов используются те же методы, что и для оценки неподработанных откосов. Однако при этом следует учитывать указанные ранее факторы, ухудшающие устойчивость откоса.

При определении потенциальной поверхности скольжения откоса в условиях подработки прежде всего необходимо рассмотреть поверхности, проходящие через характерные зоны и точки мульды сдвижения пород, образуемые на поверхности от проведения подземных очистных работ (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Формы сдвижения горных пород при подработке склонов (по Г.Л. Фисенко):

а — при выемке пологих пластов, залегающих в прочных породах; б — то же, в слабых и средней прочности породах; в — то же, под склонами, покрытыми мощным чехлом слабых (или рыхлых глинистых) пород

Г.Л. Фисенко считает, что характер деформирования подрабатываемых откосов зависит также от соотношения геометрических и прочностных параметров участвующих в сдвижении массивов пород. Если массив борта сложен прочными породами, то это соответствует условию

H < σ₀ /k γ,(10.5)

где Н— глубина подземных горных работ под откосом (наибольшая); σ₀ — предел прочности массива пород на одноосное сжатие (в СИ измеряется в МПа); γ — плотность пород в массиве; k— коэффициент структурного ослабления.

В этом случае сдвижение пород происходит в виде последовательного прогиба слоев.

В породах более слабых или при соотношениях

H > σ₀ /k γ,(10.6)

наблюдается другая схема сдвижения (см. рис. 10.4 б), обусловленная возникновением площадок скольжения в зонах опорного давления очистной выработки и недостаточным сопротивлением сдвигу по подошве призмы в нижней части откоса. Характерно, что целики, оставленные в выработанном пространстве, в этом случае будут разрушаться от сжатия со сдвигом. Несущая способность целиков в данном случае предполагается значительно ниже, чем при одной вертикальной нагрузке сжатия.

Возможна и третья схема, отмечает Г.Л. Фисенко, которая характеризуется наличием мощной толщи рыхлых пород (наносов) на откосе (склоне). В этом случае подработанная толща пород с наносами прогибается, вследствие чего уменьшается боковой распор в рыхлых породах и нарушается их равновесие.