Абельсеитова С.К. Совершенствование методов расчета устойчивости карьерных откосов в анизотропном массиве

Подождите немного. Документ загружается.

Продолжение таблицы 4

А-А

Плоский

А-А

Плоский

Многие ученые, занимающиеся устойчивостью откосов на карьерах,

указывают, что достаточно надежные результаты прочностных характери-

стик горного массива можно получить на основании съемок обрушений и

оползней (способ обратных расчетов) [9, 8, 20].

М.М. Протодьяконов отмечал, что к вопросу изучения физико-

механических свойств горных пород нельзя подходить односторонне и про-

водить только натурные или же только лабораторные испытания, здесь необ-

ходимо разумное сочетание обоих методов [И].

Одним из основных показателей устойчивости анизотропного массива

является прочность контактов пород. При открытых разработках физико-

механические свойства контактов горных пород, в определенных

оказывают свое решающее влияние на устойчивость откосов уступов, а в от-

дельных случаях на устойчивость бортов карьеров.

Вопросу изучения прочностных свойств контактов горных пород по-

священы работы Г.Л. Фисенко [9], [31], Абрамова и В.Т.

Сапожникова [32], Ю.М. Б.В. Матвеева, Г.В. Михнева [20], А.Б.

Фадеева [33], Ф.К. Низаметдинова и Р.П. Окатова [34] и других.

Г.Л. Фисенко [9] были разработаны схемы сдвига породных призм в на-

турных условиях для определения прочностных свойств контактов пород и

приведены результаты исследований по контактам горных пород. На основе

результатов исследований, им разработана классификация поверхностей

контактов, в которой все трещины в зависимости от их характера подразде-

лены на: ровные гладкие, неровные гладкие, ровные шероховатые и неров-

ные шероховатые, а также получены значения углов трения и сцепления по

некоторым поверхностям ослабления горного массива (таблицы 5, 6).

Таблица 5 - Величины углов трения по поверхностям ослабления.

№

пп

Наименование пород

Порфиры, джес-

пилиты, песчаники

Вторичные кварциты, гра-

кварцевые

порфиры,

породы, сиениты, диориты,

алевролиты

Известняки, метаморфиче-

ские

сланцы,

Глинистые сланцы, аргил-

литы

Филлиты,

сланцы

Углы трения в зависимости от характера

поверхности градус

Неров-

ные ше-

рохо-

ватые

28-31

25-28

24-27

23-26

23-25

Ровные

шерохо-

ватые

24-28

22-25

23-25

21-28

20-22

Неров-

ные

гладкие

22-27

20-23

20-22

13-15

Ровные

гладкие

20-26

16-19

15-18

9-12

Таблица 6 - Величины сцепления по поверхностям ослаблений.

№

пп

Характеристика

поверхностей

ослабления

Поверхности скольжения

по контактам слоев

Контакты слоев

Характеристика

толщи

Дислоцированная оса-

дочная толща

Неуплотнённая не дис-

лоцированная слаборас-

сланцованная осадочная

толща

Величина

сцепления

2-5

50% от сцеп-

ления под уг-

лом к наслое-

нию

Продолжение таблицы 6

Контакты слоев

Сплошные неровные тре-

щины и тектонические

нарушения

Уплотнённая слаборас-

осадочная

толща

Метаморфизованная

осадочная толща

Массивы изверженных

и метаморфических

10-18

5-10

[26] было предложено: изучать элементы залегания

трещин прибортового массива, одним из таких элементов выделен характер

поверхности трещин; проводить натурные испытания на сдвиг по отдельным

трещинам при помощи гидроподушек с целью определения по ним величи-

ны сцепления, хотя этот процесс весьма трудоемок.

Абрамов и В.Т. Сапожников [32] отмечают, что сопротивление кон-

тактов сдвигу связано с крепостью породы и геометрией формы элементов

приводят методику и результаты лабораторных исследова-

ний прочностных свойств различных контактов горных пород (таблица 7).

Кроме того, указывают, что угол трения по контактам пород различного ли-

тологического состава весьма близок по величине углу трения наиболее сла-

бой породы. Ими же были определены зависимости углов трения от шерохо-

ватости по диабазу, мрамору и песчанику.

Таблица 7 - Результаты определения прочностных характеристик породных

контактов.

Наименование

контакта

Алевролит-алевролит

Аргиллит-аргиллит

Аргиллит-алевролит

Месторожде-

ние

Волчанское

Коркинское

К О

S i

о.

ЯЛ

о о

14,5

Продолжение таблицы 7

Алевролит-алевролит

Алевролит - уголь

Аргиллит-уголь

Уголь-уголь

Опока-опока

Серая глина

серая глина

глина -

глина

Бурая глина-

бурая глина

Пестроцветная глина

пестроцветная глина

Серая глина -

крупнозернистый песок

Пестроцветная глина -

крупнозернистый песок

Аргиллит -

крупнозернистый песок

Песчаник-песчаник

Диабаз-диабаз

Мрамор-мрамор

Коркинское

Кумртауское

Ангренское

Кумртауское

Ангренское

Волчанское

Кизеловское

18,5

15,5

16,5

18,5

1,40

1,62

1,54

3,0

3,2

Карташов, Б.В. Матвеев, Г.В. Михнев [20] выполнили теоретиче-

ское обоснование деформирования различных видов породных контактов и

установили граничные условия сдвига по контакту, а также привели обоб-

щенные данные исследователей по изучению прочностных свойств контак-

тов пород (таблица 8), где отмечают, что трудности по определению сцепле-

ния по контакту в лабораторных условиях возникают в следствии сложности

сохранения естественного состояния контактирующих поверхностей. Поэто-

му сцепление по контакту предлагают определять с помощью натурных ис-

пытаний, а угол трения - путем лабораторных исследований.

Таблица 8 - Результаты натурных испытаний на сдвиг контактов в слоистых

породах.

Породы в контакте

Уголь по аргиллиту

Сцепление по кон-

такту

Угол внутреннего

трения по контакту

23-27

Продолжение таблицы 8

Уголь

Аргиллит

Серпентинит

Сланец хлоритовый

Песчаник

Контакт по трещине заполнен

глиной

Песчаник тонкослоистый

Порфирит

Глина сланцевая

Перидотит

Уголь по глине

1,0-1,85

0,95-1,4

1,82

2,46

0,21

2,42

0,2

4,2-8,6

0,3

22-33

Калинин при определении усредненных значений прочностных ха-

рактеристик по контактам предлагает использовать метод обратных расчетов,

когда прямые методы определения неприемлемы. Им выполнена классифи-

кация оползневых ниш и даются рекомендации по расчету сцеплений и углов

трения на основе составленных уравнений предельного равновесия породных

блоков по различным расчетным схемам.

Ф.К. Низаметдинов, Р.П. Окатов, З.М. Смагулов, Ю.Д. Обухов [34] от-

мечают, что величины сцепления по контактам при лабораторных испытани-

ях получить трудно из-за нарушения природной спаенности. Поэтому пред-

лагают корректировать их значения по результатам съемки обрушившихся

породных блоков. Результаты исследований некоторых контактов горных

пород приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Прочностные характеристики по породным контактам.

Наименование контакта,

тип,

заполнитель

Зеркальный,

диорит по диориту,

отсутствует

Шероховатый,

диорит по диориту,

отсутствует

Зеркальный,

роговик по роговику,

отсутствует

Угол внутреннего

трения по контакту

22,5

Сцепление по

контакту

0,5

0,6

0,5

Продолжение таблицы 9

Зеркальный,

гранодиорит по гранодиориту,

отсутствует

Шероховатый,

диорит по диориту,

перетертый диорит

Шероховатый,

роговик по роговику,

перетертый гидроокисел железа

Шероховатый,

диорит по диориту,

перетертый роговик

Шероховатый,

песчаник по песчанику,

отсутствует

Шероховатый,

зона брекчирования,

глина

0,5

0,4

0,7

0,3

Анализ литературных источников показывает, что на сегодняшний день

рядом авторов различными способами, установлены значения прочностных

характеристик для многих типов породных контактов. И на необходимость

проведения системного анализа полученных данных, для дальнейшего ис-

пользования обобщенных значений прочностных характеристик породных

контактов, используя метод аналогий, позволяющий с некоторыми допуще-

ниями, рекомендовать значения и р для некоторых типов породных кон-

тактов, при расчетах устойчивости откосов уступов и бортов карьеров.

1.2.2 Горно-геометрический анализ структуры

массивов

При разработке сложно структурных месторождений полезных иско-

паемых, важная роль отводится вопросу изучения структуры прибортовых

массивов: систем трещин, формы распространения нарушений,

характера поверхностей ослаблений.

Обследование поверхностей откосов на открытых разработках и анализ

их устойчивости показывает, что в скальных и полускальных трещиноватых

породах при вполне устойчивом состоянии всего борта карьера в целом на-

блюдаются деформации отдельных уступов. Локальные обрушения уступов

происходят в виде плоского скольжения по поверхностям ослабления естест-

венного происхождения, к которым относятся трещины большого протяже-

контакты слоев и тектонические нарушения. Размеры этих поверхностей

всегда соизмеримы с высотами откосов уступов. Для откосов значительной

высоты, т.е. для бортов - только единичные крупные тектонические наруше-

ния и контакты слоев, соизмеримые с их высотой могут представлять опас-

ность. К тому же прочностные характеристики по поверхностям ослаблений

в несколько раз меньше, чем в массиве, поэтому углы наклонов откосов ус-

тупов полностью зависят от пространственного залегания этих поверхностей

ослабления. что устойчивость откосов уступов в скальных поро-

дах слагается из устойчивости отдельных породных призм и пирамид, окон-

туренных с одной стороны поверхностью откоса, а с другой - одной или не-

сколькими поверхностями ослабления [8].

Методика изучения элементов залегания структуры горного массива до-

вольно подробно описана в трудах А.Е. Михайлова [35], М.В. Раца [36], А.Ж.

Машанова [37], [38], И.И. Ермакова [39], В.Г. Зотеева [40], Р.П.

Окатова и Попова [41] и других исследователей. В последних работах

трещиноватость рассматривается с точки зрения ее влияния на устойчивость

откосов уступов и бортов карьеров.

А.Е. Михайлов [35] предлагает изучать поверхности трещин путем за-

рисовок и фотографирования, что в свою очередь позволит собрать важные

данные об их происхождении.

М.В. Рац и С.Н. Чернышев [36] классифицировали трещины, в зависи-

мости от их формы на: криволинейные (изогнутые), волни-

стые, а по характеру поверхностей стенок выделили гладкие, беспорядочно

шероховатые и текстурные. Так же предложили к морфологии трещин отне-

сти такие характеристики как форма трещин, поверхности их стенок и состав

заполнителя. К недостаткам их работы можно отнести то, что проводимые

разделения поверхностей носят условный характер, а съемка поверхностей

производится лишь горным компасом с соответствующими зарисовками.

Р. Мюллер [30] к факторам, влияющим на свойства горного массива,

отнес такие как: внешний вид стенок трещин, их форму, шероховатость и

гладкость. Недостатки работы аналогичны вышеуказанным.

Выявлению и изучению неровностей поверхностей ослабления горного

массива, с целью их учета при решении вопросов устойчивости откоса на

карьерах, посвящены работы А.П. Бадулина [42]. Для выявления поверхно-

стей ослабления в горном массиве, при малой обнаженности карьерного по-

ля, он предлагает использовать геофизические и инженерно-геологические

методы исследования. Если карьерное поле вскрыто достаточно, то приме-

нять инструментальные способы съемок поверхностей ослабления (горный

компас, Т - образное приспособление, стереофотограмметрическая и фото-

грамметрическая съемки с использованием Однако ши-

рокое применение их затруднительно, ввиду громоздкости используемого

оборудования и значительного объема полевых и камеральных работ. А.П.

установлено, что по конфигурации поверхности ослабления мо-

гут быть: ровные (изменение углов падения и простирания до 5°), волнистые

(значительное отклонение углов падения и простирания до 25°), криволиней-

ные (характеризуются кривизной различного вида) и ступенчатые. Однако,

предложенная классификация поверхностей ослаблений не позволяет опре-

делить такие основные параметры, характеризующие их неровности, как глу-

бина и длина изгибов.

Руппенейт в работе [43] приводит данные по изучению характера

поверхностей изломов горных пород и результаты исследований, так же

предлагает устройство для съемки шероховатости поверхностей изломов в

лабораторных условиях и методику съемки поверхностей. Методика обра-

ботки результатов съемки поверхностей изломов горных пород была принята

по аналогии с методикой обработки результатов съемки шероховатости сте-

нок металлических пластин. Автор отмечает, что накопленный большой опыт

по изучению поверхностей различных материалов в машиностроении, стан-

костроении может использоваться с некоторой корректировкой и при иссле-

довании поверхностей ослабления в горном массиве.

К недостаткам выполненной работы можно отнести то, что исследова-

ния проводились в лабораторных условиях и не рассмотрены поверхности

горных пород в зависимости от размеров выступов, хотя подобные работы

для различных материалов, применительно к области машиностроения, при-

ведены в работе Н.Б. Демкина [30].

Попов [45], при решении проблемы устойчивости бортов карьеров

в трещиноватых породах, предлагает схему геометризации карьерного поля,

где указывается на необходимость изучения шероховатости поверхностей

трещин.

При обработке массовых замеров трещиноватости горного массива в

практике используют круговые, прямоугольные диаграммы,

трещиноватости по которым строят структурные разрезы и карты трещино-

ватости.

Искаков предлагает задачи выделения систем трещин осуществлять

интерактивным самоорганизующимся методом анализа [46]. Основная идея,

которого заключается в отыскивании области наибольшего сгущения точек

наблюдений, которые служат для поиска оптимального варианта разбиения

исходного множества на системы трещин. Далее, на основе адаптивной кор-

ректировки координат центра системы трещин и состава объектов, включен-

ных в нее, осуществляется поиск «истинного» положения этих классов на ко-

ординатной плоскости - оптимизация параметров системы трещин.

В.В. [47] была предложена геометрическая классификация

трещиноватости горных пород. Согласно которой к продольным относятся

трещины, у которых линия скрещивания плоскостей трещины и напластова-

ния отклоняется от линии простирания напластования не более, чем на 20

к поперечным - когда линия скрещивания этих же плоскостей отклоняется от

линии падения напластования не более чем на Все остальные трещины

относятся к диагональным.

Недостатком данной классификации является то, что она не учитывает

трещин межслоевых подвижек, образующихся в процессе складкообразова-

ния, то есть контактов пластов полезных ископаемых. Кроме того, при реше-

нии вопросов обеспечении устойчивости карьерных откосов необходимо

брать за основу откос уступа или борт карьера

В практике широко используется следующая геометрическая

кация. Все выявленные трещины как поверхности ослабления независимо от

их генезиса делятся на: продольные, диагональные и поперечные. К про-

дольным трещинам относятся такие, направление простирания (а не линия

скрещивания) которых отличается от направления простирания плоскости

откоса не более чем на К диагональным относятся трещины, простира-

ние которых отличается от направления простирания откоса в пределах

Все

остальные трещины поперечные. Кроме

того,

трещины разде-

ляются на: согласно - и несогласно падающие с откосом.

По углу падения трещины делятся на пологие, у которых угол падения

не более 30°, наклонные - от до 60° и крутые - от 60° до 90°. Измерив,

азимут простирания откоса уступа какого-либо участка борта карьера непо-

средственно компасом или на плане горных работ и, используя классифика-

ционную диаграмму (рисунок 1), очень легко и быстро можно сориентиро-

вать любую трещину по её измеренному азимуту простирания относительно

откоса.

Рисунок 1 - Классификационная круговая диаграмма пород.

Сориентировав, таким образом, все выявленные на участке откоса тре-

щины или их системы, мы предварительно можем сказать, какие из них яв-

ляются наиболее опасными с точки зрения устойчивости откосов. Без сомне-

ния, в первую очередь к ним нужно отнести продольные согласно падающие

с откосом трещины. Поперечные согласно падающие трещины могут не вли-

ять на устойчивое состояние откоса. И тем более все несогласно падающие с

откосом трещины могут не приниматься во внимание в расчётах устойчиво-

сти откосов.

Большую работу по изучению трещиноватости пород мас-

сивов на карьерах Казахстана в разные годы проводили такие ученые, как

М.Л. Рудаков, И.И. Попов, АЛ. Ли [48], А.Ж. Машанов [49], Р.П. Окатов и

В.Н. Попов [41], П.С. Шпаков [50], Абрамов [52], Низаметдинов

Анашкин [53] и другие.

Используемая на карьерах съемка геологической ситуации приборами

Цейса, базисно редукционным тахеометром и маркшей-

дерским дальномером основана на полярном способе графического по-

строения разреза борта и структуры, слагающих его, пород по измеренным

углам наклона и расстояний на съемочной точки. Недостатками приведенно-

го способа изучения структуры залегания пород являются: использование

дальномера двойного изображения, требующего хороших условий визирова-

ния; конструктивная недоработка приборов (короткая базисная рейка) и дру-

гие косвенные способы определения элементов залегания слоев.

Эти недостатки съемки устраняются использованием рисовального

прибора, сконструированного А.С. Забродиным и

Прибор представляет собой камеру, подобную фотографической, только

изображение объекта не фотографируется, а зарисовывается на застеклен-

ной задней стенке камеры. Его недостатками являются невысокая точность

документации геологических особенностей пород, слагающих борт, зави-

симость от освещенности борта, перевернутость изображения, неудобства

обводки изображения на вертикальной стенке.

Фотограмметрический способ съемки геологической документации на

карьерах используется для получения крупномасштабной геологической до-

кументации месторождения. Для этого используются упрощенные фото-

грамметрические способы с применением фотоаппаратов типа и «Зе-

нит» и др,

Одним из современных способов съемки геологического строения ме-

сторождений на карьерах является стереофотограмметрический [8]. Он по-

зволяет определять и изображать форму, размеры, пространственное поло-

жение нарушений по фотограмметрическим снимкам. Суть

способа заключается в фотографировании обнаженных поверхностей откосов

уступов фототеодолитом с заложенных базисов. Во избежание сложности

дешифрирования черно-белых пластин [53] был предложен

способ использования цветных фотопластин или пленок,

что значительно упрощает процесс дешифрирования (т.к. литологические

разности пород изображаются в естественном цвете) и повышает производи-

тельность. Фотосъемка выполняется фототеодолитом

снабженным насадкой из фотоаппарата "ФЭД" на черно-белые и цветные

стереопары. Обработка стереопар производится на стереоавтографе

построением, по стереоскопическим моделям, планов съемок с одновремен-

ным снятием пространственных координат, затем построением профилей по-

верхностей ослабления в плоскостях снимаемых бортов. Профили отстраи-