Войти  |  Регистрация
Авторизация

Влияние подземных вод на изменение механических свойств пород в откосах



Наиболее существенным оказывается влияние подземных вод на прочностные свойства водонасыщенных глинистых пород. При выемке вышележащих пород давление на глинистый слой вблизи откоса уменьшается, в результате чего в нем начинают развиваться процессы набухания, сопровождающиеся уменьшением прочности. Одним из наиболее распространенных последствий набухания являются циклические деформации, возникающие в откосах песчано-глинистых пород. В приповерхностной зоне откоса породы после вскрытия их горной выработкой интенсивно набухают, причем нередко почти полностью теряют свое сцепление. Под влиянием гидродинамического давления ослабленный слой пород оползает, вследствие чего уменьшается нагрузка на обнажившийся участок; набухание пород на этом участке усиливается, и через некоторое время оползает новый объем пород. Несмотря на то, что в каждом цикле оползанием захватывается небольшой объем, в конечном итоге в процесс вовлекаются значительные породные массы. Примером могут служить многочисленные деформации уступов песчано-глинистых отложений на Михайловском и Лебединском карьерах КМА.
Результаты компрессионных испытаний показывают, что набухание возникает при разгрузке глин до достаточно малого напряжения; так, при испытаниях глинистых пород Лебединского карьера KMA снижение нагрузок до 0,5 кгс/см2 практически не влияло на величину сдвиговой прочности глин. Поэтому для большей части пород набухание протекает весьма интенсивно лишь на участках, расположенных недалеко (десятки сантиметров — метры) от поверхности откоса; это особенно характерно для глинистых пород, отвечающих по составу супесям и суглинкам.
В глинах, обладающих сцеплением упрочнения, процессы набухания развиваются, лишь когда сила набухания превышает прочность жестких структурных связей, обусловленных цементирующими соединениями.
Скорость набухания зависит от фильтрационных свойств пород: наиболее быстро оно протекает в песчаных и пылеватых глинах. Например, на Михайловском карьере KMA наблюдалось интенсивное развитие циклических оползневых деформаций в неоком-волжских песчано-глинистых отложениях, исходное сопротивление сдвигу которых характеризуется средней силой сцепления 0,5 кгс/см2 и углом внутреннего трения 26°. Испытания образцов, отобранных из откоса нерабочего борта через 2 года после его заоткоски, с глубины не более 1,5 м от поверхности откоса, показали, что сила сцепления песчано-глинистых разновидностей снизилась до 0,2 кгс/см2; при этом влажность пород возросла на 6% по сравнению с естественной. Другим примером являются циклические оползания уступов глинистых пород на Кумертауском буроугольном карьере, неоднократно отмечавшиеся на участках, прилегающих к диапировым угольным складкам. Эти деформации также объясняются в основном процессами набухания, развивавшимися в глинистых породах после частичного снятия нагрузки от вышележащих пород, причем оползанию способствовали и геологические условия залегания пород.
Влияние подземных вод на изменение механических свойств пород в откосах

Особенно интенсивное набухание обычно отмечается на контактах глинистого слоя с водоноснымн породами, что может объясняться в первую очередь наличием здесь микротрещин (особенно в плотных глинах). Скорости набухания, при прочих равных условиях, также максимальны на контактах. Например, каолинитовые глины, встречающиеся в виде тонких прослоев в песчаной надугольной толще на Балаховском карьере Днепровского угольного бассейна (рис. 40), начинают набухать уже при напряжениях, меньших 2—3 кгс/см2. Прочность их по разуплотненному контакту характеризуется углом внутреннего трения φ=11° и силой сцепления C=1,5 тс/м2, а в неразуплотненном состоянии — φ=20°, C=7 тс/м2 (по данным УкрНИИпроскта). Исследования аргиллитов и алевролитов по разуплотненным контактам на Богословском карьере показали, что сцепление их при набухании уменьшается от 4 до 0,5 кгс/см2, а угол внутреннего трения — от 14 до 6°,
Набухание глинистых пород на контактах с водоносными горизонтами является одной из причин возникновения так называемых «контактных оползней». Примером являются оползни мостовых уступов, происходившие при отработке Балаховского карьера. Основные причины оползней были связаны с наличием в толще обводненных надугольных песков прослоев и линз каолинитовых глин, не зафиксированных при разведке, а также с наличием древних поверхностей скольжения в глинах на участках развития угольных диапировых складок, где каолинитовые глины залегали в виде замкнутых мульд, заполненных обводненными песками. После подрезки уступом одного из крыльев мульд и снятия вышележащих пород происходило набухание глинистых контактов с последующим образованием контактного оползня.
Процессы набухания в глинистых породах вызываются не только выемкой вышележащих пород. Так, эффективное давление на глины может уменьшаться под действием гидростатического взвешивания, а также гидродинамических сил, возникающих при восходящей фильтрации через глины. При этом набухание максимально в нижней части слоя, поэтому глинистые породы здесь оказываются нередко в мягкопластичном или текучем состоянии. Такие явления наблюдались в подугольных аргиллитах на Веселовском и на четвертом Волчанском карьерах Североуральского буроугольного бассейна. На Тигнинском угольном карьере при бурении скважины в его подошве через толщу (30 м) плотных аргиллитов и алевролитов (с естественной влажностью W=10/13%, сцеплением С=2,2/2,9 гкс/см2 и углом внутреннего трения φ=30/35°) на контакте с нижележащим напорным водоносным горизонтом была встречена зона разуплотненных углистых аргиллитов мощностью всего около 10 см, характеризующихся резко пониженными прочностными свойствами (W=25,6%, С=0,5 кгс/см2, φ=17°).
Из сказанного ясно, что набухание необходимо учитывать практически во всех случаях при оценках устойчивости уступов глинистых пород, когда поверхность скольжения проходит на небольшой глубине. Однако для глин с большой силой набухания (более 3 кгс/см2) оно может существенно влиять и на устойчивость борта карьера в целом. Ориентировочная оценка влияния набухания на снижение прочности глинистых пород может быть проведена в лабораторных условиях — путем испытаний на сдвиг глинистых образцов, выдержанных под водой при различных нормальных напряжениях. По результатам испытаний строятся графики сопротивления сдвигу, аналогичные представленным на рис. 41, используемые при расчетах устойчивости откосов. Однако в лабораторных условиях практически невозможно оценить скорость процесса набухания, поэтому лабораторные испытания полезно дополнять полевыми исследованиями прочности глинистых Пород. Так, на ряде карьеров KMA образцы песчаных глин для испытаний отбирались нами из уступов различного времени стояния, с разных глубин; это позволило выяснить, в частности, что процессы набухания в уступах протекают здесь наиболее интенсивно за первые 10—20 сут.
Влияние подземных вод на изменение механических свойств пород в откосах

Для глинистых пород, влажность которых ниже полной влагоемкости, дополнительное поступление воды (атмосферной или технической) может приводить к заметному снижению прочности и независимо от процессов набуханий, В частности, изучением сопротивления сдвигу лёссовидных суглинков на Кок-Янгакском угольном месторождении, выполненным в полевых и лабораторных условиях, установлено, что влажность этих пород в разные сезоны может изменяться от 20 до 34%. Соответственно наблюдается и периодическое снижение характеристик сопротивления сдвигу: угла внутреннего трения — от 21 до 12° и силы сцепления — от 0,7—0,8 до 0,1—0,2 кгс/см2, причем наиболее интенсивные изменения отмечаются в интервале значений влажности 20—28%, что примерно отвечает насыщению суглинков до максимальной молекулярной влагоемкости (полная влагоемкость — около 30—32%). Характеристики прочности пород оползневых участков, найденные обратными расчетами оползней, также показывают пониженные значения угла внутреннего трения (до 17°) в связи с увеличением влажности массива.
Все вышеизложенное относилось к существенно глинистым породам. Что касается чистых песчаных отложений, то подземные воды практически не оказывают влияния на изменение их прочностных свойств. Отметим, что наблюдающееся уменьшение сил внутреннего трения в песках при наличии восходящих потоков (так называемые «псевдоплывуны») объясняется не изменением свойств песков, а изменением их напряженного состояния под действием гидродинамических сил. В отчетах геологоразведочных организаций нередко встречаются выводы о «плывунных» свойствах самых разнообразных пород — от чистых песков до плотных песчаных глин, причем эти выводы чаще всего делаются только на основании таких явлений, как образование «пробки» разжиженных пород в скважинах или прорывы водонасыщенных песков в подземные горные выработки. Между тем на практике часто оказывается, что породы, охарактеризованные как плывунные, устойчивы в откосах даже в условиях свободного высачивания подземных вод. Это объясняется различием напряженного состояния пород (в частности, гидростатического и гидродинамического давлений) вблизи скважин или подземных выработок и вблизи фильтрующих откосов на карьерах.
Так, на Лебединском карьере KMA четыре из пяти основных комплексов пород, слагающих борта карьера, были охарактеризованы при разведке как плывуны. Однако после вскрытия плывунные свойства пород не проявились ни на одном из участков. Очевидно, в условиях открытых горных работ свойства истинных плывунов могут проявлять лишь некоторые пылеватые пески и супеси в откосах отвалов и гидроотвалов.
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent