ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА В Н И М И

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО НАБЛЮДЕНИЯМ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ БОРТОВ РАЗРЕЗОВ И ОТВАЛОВ, ИНТЕРПРЕТАЦИИ ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ И ПРОГНОЗУ УСТОЙЧИВОСТИ

Ленинград

1987

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИ МИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО НАБЛЮДЕНИЯМ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ БОРТОВ РАЗРЕЗОВ И ОТВАЛОВ, ИНТЕРПРЕТАЦИИ ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ И ПРОГНОЗУ УСТОЙЧИВОСТИ

Ленинград

1987

сдвигу ирибортового массива) —период формирования поверхности скольжения в прибортовом массиве и завершения окон-туривания оползня трещиной отрыва; характеризуется установлением равновесия внешних сдвигающих сил и внутренних сил сопротивления разрушению массива и относительно постоянной скоростью смещения оползня.

Активная СРО (стадия прогрессирующего разрушения при-бортового массива)—период смещения оползня по формирующейся поверхности скольжения, характеризуется непрерывно возрастающей скоростью смещения и при определенных условиях (после разрушения призмы упора в нижней части оползня) завершается срывом тела оползня.

Затухающая СРО — период смещения оползня с уменьшающейся скоростью до полной его остановки.

1.8. На основе натурных наблюдений за деформациями бортов карьеров и моделирования откосов установлены схемы деформирования прибортовых массивов и формирования оползней в различных горно-геологических условиях.

По характерным признакам проявления деформаций выделяют следующие схемы деформирования прибортовых массивов:

—    однородного массива (рис. 1);

—    слоистого массива, ослабленного в основании борта горизонтальным или пологозалегающим контактом (пластичным пропластком или слоем); подрезанным или вскрытым горными

Рис. 3. Схема деформирования прибортового массива, сложенного слоистой толщей пород, при наклонном, согласном с наклоном борта, падении слоев (30° ^ р < 60°) н при простирании пластов, совпадающем с простиранием борта

работами (рис. 2, а) ; заглубленным ниже подошвы борта (рис. 2,6); при залегании мощного слабого слоя в оснований борта (рис. 2, в) ;

—    сложенного слоистой толщей пород при наклонном согласном с наклоном борта падении слоев (30° <10^60°) и при простирании пластов, совпадающем с простиранием борта (рис. 3);

—    сложенного слоистой толщей пород при крутом согласном с наклоном борта падении слоев (60° sjj р < 90°) и при несогласном с наклоном борта падении слоев (50°<р^90°) и простирании слоев, совпадающем с простиранием борта (рис. 4);

Рис. 4. Схема деформирования прибортового массива, сложенного слоистой толщей пород, при крутом, согласном с наклоном борта, падении слоев (60° < 0 <; 90°) и при несогласном с наклоном борта падении слоев (50° < 0 < 90°); простирание слоев совпадает с простиранием борта

Рис. 5. Схема деформирования прибортового слоистого массива при мульдообразном залегании слоев и простирании оси мульды, совпадающем с простиранием борта

— слоистого массива при мульдообразном залегании слоев и простирании оси мульды, совпадающем с простиранием борта (рис. 5)

I

Таблица 2

Отличительные признаки развития деформаций при формировании различных типов оползней на карьерах

Зона максимальных горизонтальных деформаций расположена в глубине прнборто-вого массива и приурочена к середине борта с центром (ядром), удаленным от откоса на величину 0,3Н (//— высота борта). Фиксируемые на поверхности, примыкающей к верхней бровке борта, горизонтальные деформации составляют 60—70% от деформаций в ядре.

В прибортовом массиве, кроме ядра горизонтальных деформаций, четко прослеживается зона максимальных горизонтальных деформаций, вытянутая сверху вниз вдоль борта, проходящая через ядро и выходящая на откос вблизи нижней бровки — на высоте около 0,2Н от подошвы борта, а на поверхность, примыкающую к верхней бровке, — на удалении (1,5— 2)а от бровки (а — ширина призмы обрушения борта). В зоне максимальных деформаций формируется поверхность скольжения, которая в вертикальном сечении имеет плавный криволинейный вид. а в целом по форме приближается к поверхности эллипсоида вращения

По поверхности прнбортового массива деформации распространяются на расстояние до 1,5// от верхней бровки борта, а по подошве — на величину (0,2—0,3)// от нижней бровки.

Направление (наклон) векторов смещения сверху вниз борта плавно изменяется в сторону выполажнвания соответственно плавному выполаживанию поверхности скольжения.

Первые визуально прослеживаемые трещины прослеживаются за пределами потенциальной призмы обрушения и вытянуты субпараллельно с простиранием борта; основная трещина отрыва, оконтурнвающая призму обрушения, формируется в период активной стадии развития оползня

Контактный В развитии оползней надвига и выпирания оползень наблюдается ряд общих признаков. Уже в скрытую стадию развития оползня в прибортовом массиве формируется клин активного давления, а в основании откоса при заглублении контакта ниже подошвы борта — вал выпирания. Вся призма обрушения разбивается на два, а при заглублении контакта и слоя — на три блока, которые легко

смещается с вращением по этой поверхности, поэтому клин активного давления при развитии оползней выпирания проявляется менее четко, а распространение зоны деформаций по поверхности прибортового массива наиболее значительно

Поверхность скольжения в верхней части борта совпадает со слабым контактом, затем претерпевает излом под углом 0' и приобретает плавную криволинейную форму. В нижней части борта наблюдается выпор пород.

Направления векторов смещения на поверхности прибортового массива совпадают с наклоном слоев, причем смещения могут наблюдаться по нескольким контактам и проявляться на поверхности в виде ступенек шириной, соответствующей мощности слоев.

В нижней части борта векторы смещения плавно выполз жива ются соответственно вы-полаживанию поверхности скольжения. Зона деформаций по поверхности прибортового массива распространяется на расстояние (1,0—1,2)//, а по подошве борта — на (0,2— 0,3)//; призма обрушения в зависимости от свойств пород, характеристик контакта и угла наклона слоев достигает величины (0,1—0,4)//. Величины смещения прнборто-вого массива до разрушения значительны и легко фиксируются визуальными наблюдениями

Наиболее существенные отличительные признаки в деформировании прибортового массива проявляются в его расслоении, появлении продольных трещин на поверхности и ступенчатого проседания кругозалегающих слоев, которые наблюдаются уже на ранних стадиях деформирования и связаны с изгибом и проскальзыванием слоев.

Зона распространения деформаций по поверхности прибортового массива значительно больше, чем в однородном массиве, и составляет (1,5—2)//, а по подошве борта— меньше порядка (0,1—0,2)//; ширина призмы обрушения значительна — (0,2—0,8) Н

Поверхность скольжения имеет плавную криволинейную форму, а направление векторов смещения плавно изменяется сверху вниз соответственно наклону поверхности скольжения.

При развитии оползня в расслоившемся массиве смещения прибортового массива, предшествующие разрушению борта, наиболее значительны и могут достнгатъ,в зависимости от высоты, нескольких метров.

На поверхности лрнбортового массива наблюдаются раскрытые трещины и ступенчатое проседание слоев, связанное с расслоением массива и изгибом самих слоев

При развитии оползня вращения смещения лрнбортового массива концентрируются по одной из контактирующих поверхностей между слоями пород, с которой совпадает поверхность скольжения

Максимальное значение вектора смещения на поверхности лрнбортового массива приурочено к местоположению поверхности скольжения, а внизу борта — к выходу поверхности скольжения на борт; величина смещения поверхности лрнбортового массива с приближением к бровке борта может несколько убывать; значения векторов смещения убывают также в направлении от места выхода поверхности скольжения на борт вверх по поверхности борта. В отдельных случаях общая картина смещения искажается межслоевыми подвижками

Ширина призмы обрушения зависит не только от параметров борта, но и от условий залегания подрезаемого горными работами крыла мульды, расположения относительно горных работ оси мульды, положения слабого контакта. По поверхности лрнбортового массива зона деформаций распространяется на (0,8—1.2)// за пределы призмы обрушения; а по подошве борта на (0.1 —0.2) Л/ за границу выхода поверхности скольжения Визуально наблюдаемые признаки — ступенчатое проседание поверхности, сопровождающееся развитием продольных трещин

Поверхность скольжения полностью совпадает со слабым контактом или тектоническим нарушением; в верхней части оползневое тело в большинстве случаев оконтуривается вертикальной трещиной отрыва

На поверхности прнбортового массива и на самом борту векторы смещения параллельны напластованию. Зона деформаций по поверхности распространяется на расстояние M(ctgP-ctga) от верхней бровки борта; за границей призмы обрушения деформации массива практически отсутствуют. В нижней части откоса на участке выхода слабого контакта на откос визуально прослеживается скозырек» надвига смещающегося массива

15

УДК 622.271.3:624.131.537

Методические указания по наблюдениям за деформациями бортов разрезов н отвалов, интерпретации их результатов и прогнозу устойчивости. Л., 1987, 118 с. (М-во угольной пром-сти СССР. Всесоюз. ордена Трудового Красного Знамени науч.-исслед. ин-т горн, геомех. и маркшейд. дела)

На основе анализа накопленного опыта изучения деформаций и применяемых методов наблюдений за деформациями бортов изложены рекомендации по созданию наблюдательных сетей и закладке наблюдательных станций, описаны схемы и методика наблюдений за деформациями бортов карьеров, освещены вопросы обоснования точности и периодичности наблюдений, методика обработки и интерпретации результатов наблюдений, а также вопросы оценки устойчивости бортов карьеров по наблюдаемым деформациям.

Работа рассмотрена на Ученом совете ВНИМИ, принята Управлением Главного маркшейдера Минуглепрома СССР.

Ил. 33, табл. 17, библногр. 19.

ВВЕДЕНИЕ

Действующая в настоящее время «Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости» (ВНИМИ, Л., 1971) не содержит рекомендаций по методам наблюдений с использованием современной измерительной аппаратуры.

За последние годы достигнуты значительные успехи в области создания маркшейдерско-геодезических приборов и применения ЭВМ для решения различных маркшейдерских задач. Накоплены дополнительные результаты исследований разрушающих деформаций бортов карьеров и отвалов, прочностных и деформационных свойств горных пород, процесса развития различного типа деформаций бортов во времени.

Настоящая работа имеет цель восполнить недостающее в содержании названной Инструкции.

В Методических указаниях на основе анализа накопленного опыта изучения деформаций и применяемых методов наблюдений за деформациями бортов изложены рекомендации по созданию наблюдательных сетей и закладке наблюдательных станций, описаны схемы и методика наблюдений за деформациями бортов карьеров, в том числе с использованием светодально-меров, рассмотрены вопросы обоснования точности и периодичности наблюдений, а также методика обработки и интерпретации результатов наблюдений.

Специальный раздел посвящен вопросам оценки устойчивости бортов карьеров по наблюдаемым деформациям и вопросам маркшейдерского контроля за деформациями бортов при погашении карьеров.

Методические указания предназначены для специализированных маркшейдерских групп и геолого-маркшейдерских служб горных предприятий, а также для проектных и научно-исследовательских организаций, занимающихся проектированием открытых горных работ, наблюдениями за деформациями и оценкой устойчивости бортов угольных разрезов и карьеров.

«Методические указания по наблюдениям за деформациями бортов разрезов и отвалов, интерпретации их результатов и прогнозу устойчивости» следует рассматривать как дополнение к действующей «Инструкции по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости» (ВНИМИ, Л., 1971).

з

I. ТИПЫ РАЗРУШАЮЩИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИБОРТОВЫХ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД

1.1.    В естественном состоянии горные породы находятся в условиях всестороннего сжатия. Ведение открытых горных работ изменяет исходное напряженное состояние массива горных пород. В окрестности открытых горных выработок в результате перераспределения напряжений нарушается установившееся состояние равновесия пород, что вызывает деформирование бортов и подошвы карьеров.

1.2.    Изменение напряженного состояния в прибортовом массиве горных пород захватывает широкую зону, а величины деформаций зависят от параметров открытой горной выработки, физико-механических свойств горных пород и геологического строения горного массива. В зоне прибортового массива создается поверхность с максимумом касательных напряжений и соответствующим им максимумом деформаций, которая при предельных напряжениях превращается в поверхность скольжения.

1.3.    При общих средних напряжениях вдоль наиболее напряженной поверхности, не превышающих предела ползучести, прибортовой массив испытывает лишь упругие и затухающие пластические деформации, которые активизируются при отработке каждого нового горизонта; при напряжениях более предела ползучести развиваются деформации с постоянной и возрастающей скоростью, заканчивающиеся разрушением борта.

1.4.    На карьерах различают следующие типы разрушающих деформаций прибортовых массивов горных пород: осыпи, обрушения, оползни, просадки, оплывины и фильтрационные деформации (табл. 1).

1.5.    Все типы разрушающих деформаций можно подразделить на приповерхностные и глубинные.

Приповерхностные разрушающие деформации (осыпи, фильтрационные деформации — оплывание, выпор, поверхностная эрозия) поражают приповерхностную часть откосов на карьерах и фиксируются визуальными и простейшими инструментальными наблюдениями — упрощенными наблюдениями.

Глубинные разрушающие деформации (оползни, обрушения, крупные оплывины) захватывают большие объемы прибортовых массивов, а зарождение разрушений при их формировании происходит в глубине массива в зоне наибольших касательных напряжений, которая при своем расширении лишь со временем достигает земной поверхности. Поэтому формирование глубинных разрушающих деформаций в начале развития процесса фиксируют с помощью фундаментальных или временных инструментальных маркшейдерских наблюдений и наблюдениями за деформациями внутри прибортового массива.

1.6.    Из всех видов разрушающих деформаций оползни и обрушения оказывают наибольшее влияние на горные работы

Типы разрушений и их характеристика	Условия и причины возникновения разрушений
— по криволинейным поверхностям;	При завышенных углах или высотах откосов
— по сложным поверхностям ослабления массива	При наличии в прибортовом массиве сочленяющихся поверхностей ослабления
3. ОПОЛЗЕНЬ — отрыв и перемещение отделившегося прибортового массива горных пород в виде скользящего движения по пологой поверхности неподвижного массива под влиянием силы тяжести. Наиболее крупный по размерам тип разрушения бортов карьеров и откосов отвалов. Объемы оползневого тела достигают от нескольких тысяч до десятков и сотен миллионов кубических метров. В ряде случаев оползни приводили к полному прекращению работ в карьере. Различают оползни: — изотропных массивов;	Оползни возникают при наличии в толще пород пластичных прослойков, слоев и слабых контактов; происходят при углах наклона бортов положе 25-35° При обводнении откосов (подток грунтовых вод к откосам и скоплении атмосферных осадков в прибортовой зоне)
— покровные;	При залегании рыхлых отложений на склоне твердых пород и отсутствии регулирования стока атмосферных н подземных вод
— контактные;	При наличии контактов полого-залегающих слоев глинистых пород и дизъюнктивных нарушений, заполненных глинкой трения; при подрезке контактов, с углами трения, меньшими угла их наклона (о7 < 0)
— надвиги;	При наличии в горном массиве слабых контактов или слоев пластич-
— глубинные слоистых пород лежачего бока	ных глин и подрезке контактов или вскрытии слоев При наличии слоев пластичных глин и напорных вод и углублении карьеров без дренажных работ, обеспечивающих снятие напоров подземных вод
— выпирания;	При наличии в подошве бортов карьеров невскрытых слоев пластичных глин
— отвалов: надподошвенные;	При наличии прочного основания и низких прочностных характеристик отвальной смеси и дополнительном
подошвенные;	увлажнении отвалов При наличии слабого контакта отвал-основание
подподошвенные (выпирания)	При наличии прочных пород отвала, слабого основания, невскрытых слабых контактов и напорных вод в
6	основании отвала

Рис. 1. Схема деформирования однородного прибортового массива:

/ — положение потеицндльной поверхности скольжения; 2 — исходный контур борта; 3 — контур еде

формированного борта

в карьере и, представляя опасность для людей и горного оборудования, в отдельных случаях носят катастрофический характер и приводят к полному прекращению горных работ на карьерах. Поэтому маркшейдерские инструментальные наблюдения выполняют прежде всего с целью выявления начала процесса оползнеобразования и его развития во времени.

1.7. В развитии оползневого процесса выделяют несколько стадий (стадии развития оползня (СРО) — различные периоды оползневого процесса, проявляющиеся в деформациях прибортового массива и смещении оползня).

Скрытая СРО — период развития деформаций прибортового массива, протекающий без визуально прослеживаемых признаков смещения массива; смещения массива в этот период фиксируют высокоточными инструментальными наблюдениями и для высоких бортов карьеров они достигают нескольких сантиметров; относительные горизонтальные деформации прибортовой поверхности в этой стадии не превышают 1—2 мм/м (1—2* 10" ³).

Начальная СРО — период деформирования прибортового массива, характеризующийся проявлением визуально прослеживаемых признаков разрушения горных пород (проявлением и развитием трещин, заколов, ступенчатообразного проседания отдельных блоков, расслоения и запрокидывания крутопадающих слоев и других нарушений сплошности массива) и началом формирования поверхности скольжения и оконтуривания оползня трещиной отрыва; смещения прибортового массива высоких бортов карьеров в начальной СРО достигают величин от сантиметров до нескольких метров; скорости смещения прибортового массива затухают во времени, если не происходит дальнейшего снижения коэффициента запаса устойчивости прибортового массива.

Равновесная СРО (стадия установившегося равновесия внешних сдвигающих сил и внутренних сил сопротивления