Войти  |  Регистрация
Авторизация

Значение силового воздействия подземных вод в развитии оползневых процессов на карьерах



Одной из основных причин развития оползневых процессов на обводненных откосах бортов карьеров является изменение на пряженного состояния пород под влиянием гидростатических и гидродинамических сил. Влияние сил гидростатического взвешивания (давления), которое испытывают горные породы, залегающие ниже уровня подземных вод, сводится, в конечном счете, к уменьшению сил трения вдоль потенциальной поверхности скольжения и к снижению степени устойчивости откоса.
Гидростатическое взвешивание оказывает, например, существенное влияние на общую устойчивость борта при работе плавучих земснарядов или в условиях затопленных отработанных карьеров. Расчеты показывают, что степень устойчивости откоса оказывается наименьшей при подтоплении его примерно на 0,2—0,3 высоты.
Весьма существенным является воздействие воды как силового фактора в условиях наклонного и крутого падения слоев, когда водоносный горизонт вообще не вскрывается карьером или вскрывается лишь верхними уступами, т. е. когда не исключается возможность сохранения высоких напоров в пределах прибортовой зоны. При этом за счет гидростатического взвешивания и гидродинамического давления, а также набухания глинистых пород на контактах с водоносными породами коэффициент запаса устойчивости борта снижается на десятки и даже сотни процентов. Например, на Тигнинском угольном карьере (Забайкалье), при сохранении в лежачем боку напоров (до 40 м) на почву угольного пласта, коэффициент запаса устойчивости борта снижается в 2 раза; на восточном борту 5-го Волчанского карьера, при остаточных напорах в известняках 90—110 м (над подошвой угленосных отложений), снижение коэффициента запаса устойчивости борта составляет 50—60%.
Действием сил гидростатического взвешивания (в сочетании с набуханием) обусловлены и оползни уступов, которые возникают на карьерах при пригрузке участков высачивания подземных вод глинистым материалом, образующимся в результате осыпания и обрушения вышележащих пород. Пригрузка постепенно приводит к подпору фильтрующихся вод и к увеличению гидростатических сил. Так, на Коркинском угольном разрезе, на участке «Борода», где четвертичные отложения подстилаются обводненными опоками, обрушившиеся суглинки и глины пригружали опоковый слой, создавая тем самым подпор подземных вод; в результате происходило повторное оползание суглинков на уступы коренных пород (оползни-оплывины).
Наряду с гидростатическим взвешиванием, на устойчивость пород в откосах влияют и гидродинамические силы. В условиях высоких градиентов, особенно характерных для глинистых пород вблизи откоса, гидродинамическое давление может достигать значительных величин. Довольно часто такие условия встречаются при наклонном залегании пород, при наличии в подошве карьера недренируемых водоносных горизонтов. При отработке таких карьеров восходящая фильтрация через относительно водоупорные слои песчано-глинистых пород в сторону выработанного пространства приводит к уменьшению эффективного давления на скелет глинистых пород, а также к снижению прочности последних за счет набухания. Так, многочисленные оползни пород лежачего бока на карьерах Североуральских буроугольных месторождений были обусловлены совокупным действием сил гидродинамического давления и гидростатического взвешивания. Например, быстрое осушение верхнего угленосного пласта на четвертом Волчанском карьере не исключило повсеместного развития крупных оползней уже при глубине карьера около 40 м, причем оползни не прекращались до конца отработки угольного пласта. Оползание происходило по контакту нижней угленосной толщи с аргиллитами. Здесь до начала горных работ напоры подземных вод в породах лежачего бока совпадали с земной поверхностью. При вскрытии и осушении верхнего угольного пласта напоры несколько снизились в результате процессов перетекания, но оставались все же достаточно высокими. Так, в подстилающих разрабатываемый пласт породах на глубине 20 м от подошвы карьера (60 м от поверхности) напор достигал 45 м, Подсчитываем эффективное нормальное напряжение (рис. 42) по формуле
Значение силового воздействия подземных вод в развитии оползневых процессов на карьерах

где γп = (Δ—1) (1—n) — объемный вес глинистых пород с учетом взвешивания; Δ, n и m — удельный вес, пористость и мощность глинистых пород; γ0 — объемный вес воды), σэ получается близким нулю. Иначе говоря, гидродинамические, силы, развивавшиеся при восходящей фильтрации в сторону карьера, практически полностью снимали эффективные напряжения и тем самым — силы трения. Кроме того, снятие нагрузки приводило к резкому разуплотнению аргиллитов и к снижению их сопротивления сдвигу. Так, при разбуривании оползня на этом участке установлено увеличение влажности аргиллитов при приближении к поверхности скольжения до 40—50% (для верхних слоев влажность составляла 20—30%).
При отработке пятого Волчанского карьера недоучет влияния напорных вод, сохранившихся в пределах восточной угольной складки (из-за наличия антиклинальных поднятий и слабой проницаемости пород в зонах тектонических нарушений), и недостаточное осушение известняков в прибортовой зоне (напоры достигали 150—240 м) привели к тому, что уже при глубине карьера около 80 м восточный борт находился в оползневом состоянии. С увеличением глубины карьера влияние подземных вод на устойчивость бортов значительно возрастает. Как показывают расчёты, коэффициент запаса устойчивости нерабочего борта в предельном положении на пятом Волчанском карьере, при глубине его около 300 м, из-за влияния гидростатического взвешивания в угленосной толще и гидродинамического давления, обусловленного высокими напорами в известняках, снижается на 30—50% и более.
Значение силового воздействия подземных вод в развитии оползневых процессов на карьерах

Своеобразным проявлением гидростатических и гидродинамических сил является избыточное поровое давление, возникающее при дополнительном уплотнении водонасыщенных глинистых пород или при переходе неводонасыщенных пород из трехфазного состояния в двухфазное, Одной из причин возникновения порового давления в глинистых породах является снижение уровня подземных вод при дренировании месторождений, приводящее к уменьшению гидростатических сил и к увеличению нагрузки на глинистый пласт от веса вышележащих пород. В бортах карьеров, при отсутствии дополнительных нагрузок, поровое давление возникает редко, так как напряжения в пределах призмы возможного оползания вследствие выемки породы, как правило, меньше природных. Исключения отмечаются лишь для глубоких карьеров (200—400 м), на которых в пределах призмы возможного оползания оказываются глинистые породы, дополнительно уплотняющиеся при уменьшении гидростатического взвешивания за счет дренирующего эффекта карьера и водопонизительной системы. Например, расчеты показывают, что на Гостищевском месторождении КМА, где глинистые породы залегают на глубине до 400 м, величина избыточного порового давления в пределах призмы возможного оползания может достигать 30% от веса вышележащих пород.
Поровое давление может возникать при открытых разработках и в глинистых породах лежачего бока, пригружаемых внутренними отвалами. Именно в этом заключается основная причина оползневых деформаций нерабочих бортов, нагруженных отвалами, на некоторых карьерах Кузбасса. Обратными расчетами оползней установлено» что при постепенном нагружении борта, обеспечивающем рассеивание избыточного порового давления в глинистых породах (залегающих в нижней части оползающей толщи вскрышных пород), устойчивость нагруженного борта была бы заведомо гарантирована: расчетный коэффициент запаса устойчивости без учета порового давления равен 1,15—1,20.
Таким образом, при расчетах устойчивости бортов карьеров необходимо учитывать влияние гидростатических и гидродинамических сил на напряженное состояние пород. Расчет устойчивости обводненных откосов может производиться с использованием метода замены объемных гидростатических и гидродинамических сил эквивалентными контурными силами. Результирующая сила, учитывающая в совокупности влияние гидростатического и гидродинамического давлений, определяется по выражению
Значение силового воздействия подземных вод в развитии оползневых процессов на карьерах

где Hi — средний напор вдоль поверхности скольжения в пределах блока; уi — средняя ордината кривой скольжения в пределах блока, отсчитываемая от плоскости сравнения; ai — ширина блока; αi — угол наклона касательной к поверхности скольжения.
Сила Фi направлена нормально к поверхности скольжения и приложена в средней точке ее в пределах блока.
Коэффициент запаса устойчивости неподтопленного откоса с учетом гидростатических и гидродинамических сил определяется по формуле
Значение силового воздействия подземных вод в развитии оползневых процессов на карьерах

где Pi — вес блока пород вместе с заключенной в них водой; Li —длина участка поверхности скольжения в пределах блока; р — число блоков; φi — угол трепня и сила сцепления.
Аналогично осуществляется и учет влияния порового давления на устойчивость откосов.
Многочисленные оценки устойчивости бортов действующих и проектируемых карьеров, проводившиеся во ВНИМИ, показали, что предложенный метод учета гидростатических и гидро-динамических сил является вполне надежным и, вместе с тем, позволяет максимально упростить расчетную схему.
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