/
Автор: Фисенко Г.Л.
Теги: геология полезные ископаемые горное дело месторождения горная промышленность
Год: 1956
Текст
'ГЛ
JU! Лисенко
устойчивость
ILi--
БОРТОВ
УГОЛЬНЫХ
КАРЬЕРОВ
. _ _
г. Л. ФИСЕНКО
УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ
УГОЛЬНЫХ КАРЬЕРОВ
УГЛЕТЕХИЗДАТ
Москва 1956
АННОТАЦИЯ
В книге рассматриваются причины образования
оползней на угольных карьерах Урала и мероприятия
по предотвращению этих явлений. В ней подробно
описаны оползни различных видов, условия их обра-
зования и меры борьбы с ними, приводятся данные
испытаний физико-механических свойств горных пород,
необходимых для расчета устойчивости бортов, и из-
лагается методика определения последних; рассмотрены
способы расчетов углов наклона бортов и уступов и
освещены вопросы дренирования угольных месторож-
дений, разрабатываемых открытым способом.
Книга предназначается для инженерно-технических
работников, ведущих проектирование и эксплуатацию
угольных карьеров.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Комплексная механизация открытых разработок, получившая
широкое развитие в последние годы, способствует быстрому ро-
сту открытого способа разработок как по объему добываемых
полезных ископаемых, так и по глубине карьеров.
В 1953 г. добыча угля открытым способом возросла почти
в б раз против 1940 г., а в 1955 г. — более, чем в 2 раза по срав-
нению с 1950 г. и достигла 16,6% общего объема добычи.
Разработка угольных месторождений открытым способом по-
лучит широкое развитие и в дальнейшем; в Директивах XX съезда
КПСС по шестому пятилетнему плану развития народного хозяй-
ства СССР на 1956—1960 гг. поставлена задача: «Обеспечить
дальнейшее развитие добычи угля открытым способом, доведя ее
в 1960 году примерно до 122 млн. тонн...».
Несмотря на то, что в 1955 г. глубина действующих карьеров
в Советском Союзе достигла 200 м, а новые угольные и рудные
карьеры проектируются глубиной до 500 м, вопрос устойчивости
бортов до сих пор не нашел конкретного решения, хотя актуаль-
ность этого вопроса отмечалась в отечественной литературе неод-
нократно. Даже при небольших глубинах открытых разработок
нередко наблюдаются случаи систематического оползания бортов
карьеров. С увеличением же глубины карьеров объемы оползней
значительно возрастают, достигая миллионов кубометров.
Так, в 1946 г. на Батуринском карьере треста Коркинуголь
при глубине работ 60 м образовался оползень, охвативший борт
лежачего бока по простиранию до 500 м, а объем оползающих
пород превысил 1 млн. м3. В 1950 г. на карьере № 4 треста Вол-
чанскуголь борт высотой 40 м был охвачен оползнем на всем
своем протяжении, превышающем 1,5 км, причем объем опол-
Р 3
зающих пород, составляющий вначале 5 млн. м3, при углубке
карьера увеличился вдвое. На Богословских карьерах как со сто-
роны лежачего, так и висячего бока оползнями охватывались
массивы от 5 до 10 млн. м3 и более.
Такие оползни причиняют огромный ущерб предприятиям,
нарушают нормальный технологический процесс добычных и
вскрышных работ, ведут к большим потерям готового к выемке
угля и вызывают необходимость многократной перевалки опол-
зающих масс. Успешной борьбе с оползнями препятствует недо-
статочная изученность вопроса устойчивости бортов и отсутствие
методов расчета, которые учитывали бы совокупное воздействие
всех факторов, влияющих на устойчивость последних.
Существующие способы расчета устойчивости откосов не учи-
тывают:
1) структуру пород (трещиноватость, слоистость, дизъюнк-
тивные нарушения);
2) переход горных пород в пластическое состояние при опре-
деленных напряжениях;
3) водное давление по наиболее слабой поверхности;
4) динамику процесса изменения физико-механических свойств
горных пород в откосах — их набухание и изменение прочности
с течением времени, а также не могут установить наиболее сла-
бую поверхность в массиве откоса.
Даже в методах В. В. Соколовского и С. С. Голушкевича,
имеющих фундаментальное теоретическое обоснование, рассмат-
ривается лишь чисто механическая сторона вопроса, не учиты-
вающая условий пластических деформаций горных пород и про-
цесса разуплотнения пород в откосах.
Недостаточная изученность данного вопроса привела к тому,
что в проектах Волчанского и Богословского карьеров не учиты-
валось влияние напорных вод на устойчивость лежачего бока, что
и привело к образованию больших оползней.
В 1950—1955 гг. Всесоюзным научно-исследовательским марк-
шейдерским институтом производились комплексные исследова-
ния устойчивости бортов на угольных карьерах по следующим
основным направлениям:
1) изучение физико-механических свойств горных пород в ла-
бораторных и полевых условиях;
2) изучение оползневых явлений бортов разрезов в различ-
ных геологических и гидрогеологических условиях;
4
3) .'iii.i'in» существующих методов расчета откосов и их даль-
нейшая разработка;
4) изучение состояния дренирования пород.
Основанием для изучения физико-механических свойств гор-
ных пород послужили работы проф. М. Н. Герсеванова, проф.
П П. Маслова, чл.-корр. АН СССР А. Цытовича и других со-
ветских ученых, а теоретическим обоснованием для разработки
методов расчета углов наклона бортов послужили работы чл.-
корр. АН СССР В. В. Соколовского и проф. С. С. Голушкевича,
создавших общие методы решения задач по предельному равно-
весию земляных масс.
Эти исследования были начаты в связи с проектированием
реконструкции и углубки до 350—500 м Коркинских угольных
карьеров.
Инициаторами организации таких исследований являлись ра-
ботники комбината Челябинскуголь и Уралгипрошахт инженеры
П. М. Трухин, | Г. М. Моргунов, I Д. Г. Борисенко, М. М. Боро-
дин, И. П. Пономарев, А. И. Дубов и др.
Автор настоящей книги, работая в качестве старшего научного
сотрудника Уральского филиала ВНИМИ, руководил этими ис-
следованиями, проводимыми на Урале, в которых также прини-
мали участие сотрудники ВНИМИ инженеры М. И. Глейзер,
П. А. Власов, техник А. Ф. Пошивалов, а в течение последних
трех лет инж. В. Т. Сапожников.
Проведенное исследование физико-механических свойств по-
казало, что прямолинейной зависимостью между нормальными
и касательными напряжениями при срезе можно пользоваться
лишь в небольших пределах, за которыми п&роды переходят в
пластическое состояние и не способны оказывать сопротивление
касательным напряжениям так же, как они оказывают его в упру-
гом состоянии. Проведение открытых разработок приводит к но-
вому распределению напряжений, а при отсутствии соответствую-
щего дренажа снижается и эффективное всестороннее давление,
вследствие чего рыхлые породы получают способность набухать,
уменьшать свою прочность и оползать.
Исследования установили, что одновременно с глубинными
оползнями коренных пород происходит оползание насыщенных
водой глин и суглинков, двигающихся по поверхности коренных
пород. Эти оползни причиняют карьерам значительный ущерб.
5
Исследование позволило установить основные причины ополз-
ней и схемы залегания поверхностей скольжения.
Изучение деформаций бортов и условий их возникновения
путем полевых наблюдений и использования теории сыпучей
среды позволило автору разработать простые расиетные приемы
по оценке устойчивости откосов, которые учитывают естественные
условия залегания пород в откосах, а также упругие и пласти-
ческие свойства последних и влияние водного давления.
Эти приемы были. использованы для расчета углов наклона
бортов карьеров в проектах реконструкции Коркинских, Бого-
словских и Волчанских угольных карьеров и в проектном задании
Кушмурунских карьеров. Исследование позволило дать рекомен-
дации о величинах углов наклона бортов и необходимых проти-
вооползневых мероприятиях на Батуринском, Ермолаевском, Си-
баевском меднорудном, Шелеинском никелевом и других карь-
ерах.
В предлагаемой книге обобщены результаты только перво-
го этапа исследований, а поэтому все стороны вопроса устойчи-
вости бортов не нашли полного освещения. Такие же вопросы,
как влияние минералогического состава горных пород на коэф
фициент внутреннего трения, электродренаж глинистых пород
и пр., поставлены только как проблемы, подлежащие ближайшему
разрешению.
Рассматриваемая работа является первой попыткой комплекс-
ного решения вопроса устойчивости бортов угольных карьеров и
нуждается во всесторонней проверке на практике.
Все замечания по книге автор примет с глубокой благодар-
ностью.
ГЛАВА I
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
§ 1. ЛИТОЛОГИЧЕСКИЙ, ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ
И МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ
Вмещающими породами угольных месторождений могут быть
все основные группы осадочных пород — обломочные, глинистые,
химические и органические.
Обломочные породы образовались в результате разрушения
магматических, метаморфических и осадочных пород, и круп-
ность обломков их превышает 0,01 мм. Породы, состоящие по
весу более чем на 50% из частиц, меньших 0,0 Г мм, относятся
уже к группе глинистых [33].
По величине частиц, слагающих обломочные породы, послед-
ние разделяют на грубообломочные, сложенные более чем на 50%
из обломков крупнее 1 мм, песчаные, состоящие более чем наполо-
вину из зерен от 1 до 0,1 мм и алевритовые породы, сложенные
в основном зернами от 0,1 до 0,01 мм.
Грубообломочные, песчаные и алевритовые породы по ве-
личине слагающих их частиц подразделяют на более мелкие
группы.
Обломочные породы подразделяются не только по величине
обломков, но и по их форме на окатанные (валуны, галька) и
остроугольные (остроугольные глыбы, щебень, дресва), а по со-
н'ржанию цемента на сцементированные (конгломераты, брекчии,
песчаники, алевролиты) и рыхлые (галечник, гравий, песок, але-
ири।ы).
На угольных месторождениях наибольшее распространение
имеют сцементированные песчаные и алевритовые породы — пес-
чаники и алевролиты.
Песчаники различаются по минералогическому составу облом-
ков и по цементу. Наибольшим распространением пользуются
кварцевые и аркозовые (полевошпатовые) песчаники с кварце-
вым, известковым, железистым и глинистым цементом.
7
В связи с тем, что полевые шпаты и слюда разрушаются
гораздо легче, чем кварц, они содержатся в значительном ко-
личестве лишь в песках и песчаниках, крупность зерен которых
более 0,5 мм. В песках и песчаниках с частицами менее 0,5 мм
нестойкие минералы оказываются разрушенными, и основным
компонентом в них является кварц.
У алевролитов цемент большей частью глинистый, и по своим
свойствам они приближаются к глинистым породам.
Несцементированные породы алевритового состава с примесью
глинистых частиц в присутствии воды образуют плывун. .
Глинистые породы состоят в основном из частиц менее
0,01 мм, содержат обычно свыше 30% частиц размером менее
0,001 мм и в большинстве случаев представляют собой смесь
выветрелых обломочных частиц и минералов, возникших при
кристаллизации коллоидно-химических- продуктов выветривания.
Такими минералами являются каолинит, монтмориллонит, бейде-
лит, гидрослюды и др.
Осадочные породы химического и органического происхожде-
ния на угольных месторождениях представлены в основном
углями, углистыми сланцами, известняками, ракушняком, опока-
ми и глиной.
§ 2 ОБЪЕМНЫЙ И УДЕЛЬНЫЙ ВЕС, ПЛОТНОСТЬ
И ВЛАЖНОСТЬ ПОРОД
Объемный вес горных пород определяется величинами удель-
ного веса минералов, составляющих породу, плотностью породы
и ее влажностью.
Если принять обозначения:
7 — объемный вес породы естественной влажности;
d — средний удельный вес минералов ее составляющих —
удельный вес грунта;
D — плотность породы или объем твердой фазы;
л —ее пористость;
W — влажность, выраженная в процентах к весу влажной на-
вески;
Wr — объемная влажность, выраженная в долях единицы, то
зависимость между этими физическими характеристиками
можно представить в следующем виде:
£> + л = 1; (1)
-r = dD + lTT; (2)
W-----100, (3>
7
* Принимая удельный вес воды равным единице.
8
т. е. пористость и плотность дополняют друг друга до единицы —
выражение (1); объемный вес горной породы естественной влаж-
ности является суммой объемного веса скелета горной породы
(dD) и объемной влажности, являющейся весом воды, заключен-
ной в единице объема породы естественной структуры и влаж-
ности; влажность, выраженная в процентах к весу влажной «на-
вески», являясь отношением веса воды, заключенной в породе,
к весу влажной породы, может быть выражена формулой (3) или
формулой (4)
W = Р~ АС 100 = — 100, (4}
Р Р v
где Р — вес влажной .навески” (пробы) породы;
Р* — вес сухой породы;
ДР —потеря веса при полной просушке породы.
Величина удельного веса горных пород зависит от удельного
веса минералов, их составляющих. В табл. 1 даны величины
удельного веса основных горных пород, слагающих угольные ме-
сторождения.
Таблица 1
Наименование пород Удельный вес Наименование пород Удельный вес
Кварцит и кварцевый песок . ... Песчаник . . Железистый кварцевый песчаник Известняк Суглинок 2,65 2,69 2,88 2,70 2,72 Каолин Алевролит Аргиллит . Глина четвертичная . . Глина опоковая 2,58 2,60-2,70' 2,55-2,70' 2,60—2,70' 2,45
Присутствие в горной породе органического материала умень-
шает, а присутствие железистых минералов увеличивает удель-
ный вес пород. Так, углистые аргиллиты Челябинского бассейна
имеют удельный вес 2,0—2,1, а сидеритизированные аргиллиты
и алевролиты — 2,8—3,0.
Величины объемного веса горных пород Уральских угольных
месторождений, разрабатываемых открытым способом, приведены
и гибл. 2.
Таблица 2
Наименование породы Плотность Объемный вес Наименование породы Плотность Объемный вес
Г» у рая глина . Суглинок . . Опоковая гли- на 0,60-0,80 0,60—0,80 0,35—0,50 2,0-2,3 2,0-2,3 1,5-1,7 Аргиллит Алевролит . . Песчаник . . 0,60-0,85 0,70-0,90 0,70-0,90 2,0-2,4 2,2-2,5 2,2-2,5
9
Горные породы, залегающие ниже уровня грунтовых вод, пол-
ностью насыщены водой; в них величина объемной влажности
равна пористости (1Г7 = и), и формула (2) после преобразования
получает вид:
1 1 + 0,01 lT(d- 1) ‘
По формуле (5) можно подсчитать объемный вес водонасы-
щенной породы, зная ее влажность и удельный вес.
§ 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГОРНЫХ ПОРОД С ВОДОЙ
Вода оказывает большое влияние не только на разрушение
горных пород, но и на их формирование, особенно в породах, со-
держащих много глинистых частиц — глину, суглинки, аргилли-
ты, алевролиты и песчаники с глинистым цементом.
Однако вода оказывает на горную породу не только механи-
ческое, но и химическое и электрическое влияние.
Сущность физико-химических процессов, протекающих в гор-
ных породах под влиянием электрических сил, возникающих на
поверхности раздела «вода — частицы горной породы», стано-
вится понятной при рассмотрении строения коллоидов, содержа-
щихся в породах.
Коллоидные частицы горной породы имеют размер 5—0,25^
и менее и несут обычно отрицательный электрический заряд.
Под влиянием этого заряда на их поверхности группируются
положительно заряженные частицы — катионы. Отрицательно за-
ряженная поверхность частицы и окружающие ее катионы обра-
зуют двойной электрический слой, а сами катионы составляют
так называемый адсорбционный слой, вокруг которого распола-
гается диффузный слой ионов, более удаленных от частицы и
менее с нею связанных.
Коллоидная частица, окруженная адсорбционным и диффуз-
ным слоем ионов, называется мицеллой [28, 36]. Ионы адсорбцион-
ного и диффузного слоев создают вокруг себя гидратные оболоч-
ки. Толщина диффузного слоя ионов и окружающих их гидрат-
ных оболочек зависит от состава катионов адсорбционного слоя,
называемых обменными катионами за их способность замещаться
(обмениваться) другими катионами при изменении среды.
Максимальная молекулярная влагоемкость глинистых пород
возрастает при замене обменных катионов большей валентности
катионами меньшей валентности. Например, величина максималь-
ной молекулярной влагоемкости каштановой почвы изменялась
в зависимости от состава обменных катионов по следующему
ряду [36]:
Li > Na > NH4 > К > Mg > Са > Н > Ba > Мп > Fe.
10
Из глинистых минералов наибольшей способностью погло-
щать воду обладают минералы монтмориллонитовой группы, за-
тем идет бейделит и каолинит. Большая способность поглощать
воду у минералов монтмориллонитовой группы по сравнению
с группой минералов каолина зависит от того, что монтморил-
лонит имеет кристаллическую решетку раздвижного типа, пакеты
которой могут раздвигаться под влиянием впитывания воды
в межпакетное пространство [36].
Наличие мощных гидратных оболочек вокруг глинистых ча-
стиц и внутри их придает им пористое (дисперсное) строение,
вследствие чего они имеют способ-
ность уплотняться при приложении
внешнего всестороннего давления или
при высушивании.
В противоположность глинистым
песчаные породы не имеют таких гид-
ратных оболочек и при воздействии
внешних нагрузок несжимаемы вплоть
до начала разрушения песчаных ча-
стиц, составляющих породу.
По этой способности к уплотнению
при воздействии нагрузок различают
грунты с жестким скелетом (несжимае-
мые песчаные породы) и с упругим
скелетом (сжимаемые глинистые поро-
Ды) [7].
Увеличение плотности горных пород
с упругим скелетом при увеличении уп-
лотняющей нагрузки характеризуется
рис. 1.
При разгрузке и наличии свободной
воды горные породы с упругим скеле-
том способны поглощать воду, набухать с увеличением объема и
становиться менее плотными (разуплотняться), что ведеткумень-
Рис. 1. Кривая увеличения
плотности горной породы
при увеличении уплотняю-
щей нагрузки:
/—кривая набухания при раз-
грузке; 2—кривая уплотнения при
нагрузке
шению их прочности.
Уплотняемость глинистых горных пород с возрастанием на-
грузок и степень их разуплотнения при снижении нагрузок зави-
сят от минералогического состава глин и состава обменных ка-
тионов.
Чем больше величина общей поглотительной способности глин
(гидрофильность), тем больше их способность к уплотнению и
набуханию (разуплотнению).
Уплотнение горных пород с упругим скелетом происходит не
только под влиянием внешней нагрузки, но и под влиянием ка-
пиллярного натяжения при их высыхании или снижении уровня
грунтовых вод ниже поверхности породы.
В этом случае капиллярное натяжение играет роль внешней
нагрузки, а величина его силы зависит от характера пористости.
И
В некоторых глинистых породах величина капиллярного под-
нятия достигает 6—8 м.
В отличие от глинистых пород, несцементированные пески
обладают небольшим капиллярным поднятием. В породах алев-
ритового состава капиллярное поднятие достигает 2 м.
Вторым основным видом взаимодействия воды с горными по-
родами, оказывающим существенное влияние на их устойчи-
вость в откосах, является растворимость некоторых пород (осо-
бенно карбонатных), под влиянием чего в прочных и устойчивых
породах образуются карстовые полости, заполненные водой или
илом, прорыв которых в горыые выработки приносит большой
ущерб открытым разработкам.
§ 4 ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
При изучении горных пород с точки зрения их устойчивости
в откосах можно пользоваться следующей классификацией видов
воды в горных породах, предложенной Е. М. Сергеевым [36].
I. Вода в форме пара.
II. Связанная вода:
1) прочно связанная или адсорбированная вода;
2) рыхло связанная или слабо связанная вода.
III. Свободная вода:
1) капиллярная вода:
а) вода углов пор,
б) подвешенная вода,
в) собственно капиллярная вода;
2) гравитационная вода:
а) просачивающаяся вода,
б) вода грунтового потока.
IV. Вода в твердом состоянии.
V. Кристаллизационная и химически связанная вода.
Вода в форме пара, в твердом состоянии, кристаллизационная
и химически связанная не имеет существенного влияния на устой-
чивость горных пород в откосах и поэтому в настоящей работе не
описывается.
Связанная вода имеет большое распространение в глинистых
породах, прочно связана с ними и не отнимается от них даже
в центрифуге, развивающей центробежное ускорение в 70 000 раз
больше ускорения силы тяжести. Ее разделяют на прочно свя
занную или адсорбционную воду, которая окружает непосредст-
венно частицу грунта и адсорбционный слой ионов, и слабо свя-
занную или пленочную воду, которая окружает в основном ионы
диффузного слоя. Связанная вода удерживается на поверхности
частиц молекулярными силами сцепления между частицами гор-
ной породы и воды.
Основным признаком пленочной воды в отличие от адсорб-
12
ционной является ее способность передвигаться под действием
молекулярных сил независимо от влияния силы тяжести.
Влажность горной породы, определяемая максимальным ко-
личеством связанной воды, называется максимальной мо-
лекулярной влагоемкостью горной породы.
Капиллярная вода заполняет капиллярные поры горной по-
роды, не занятые связанной водой, и разделяется на: 1) воду
углов пор или капиллярно-разобщенную (воздушными пузырь-
ками) воду; 2) подвешенную воду, заполняющую полностью все
капиллярные поры, но не имеющую связи с уровнем грунтовых
вод, и 3) собственно капиллярную воду, поднимающуюся от уров-
ня грунтовых вод.
Капиллярная вода подобно гравитационной воде передает
гидростатическое давление.
Влажность горной породы, у которой все капиллярные поры
заполнены водой, характеризует капиллярную влагоем-
ко с т ь.
Капиллярная вода, поднимающаяся над уровнем грунтовых
вод, имеет отрицательное гидростатическое давление и способ-
ствует увеличению связности породы. При скоплении на земной
поверхности воды, проникающей в горную породу и соединяю-
щейся с капидлярной водой, последняя может переходить в на-
порную воду, что резко понижает устойчивость откосов и ведет
к их оползанию.
Гравитационная вода движется под влиянием силы тяжести
и создает гидростатическое давление, величина которого на любой
глубине равна разности отметок между свободной поверхностью
воды и данной точкой, и гидродинамическое давление подвижного
потока, градиент которого равен разности потенциалов, прихо-
дящейся на единицу длины.
Гравитационная вода в основном заполняет поры и трещины
песчаных пород, и небольшое ее количество находится в порах
глинистых пород.
Максимальное количество связанной, капиллярной и грави-
тационной воды, которое может вместить горная порода при пол-
ном заполнении пор, выраженное в процентах, называют пол-
ной влагоемкостью породы. Ниже уровня грунтовых вод
горные породы находятся в состоянии полной влагоемкости. При
длительном обводнении состояние полной влагоемкости прини-
мают и породы, находящиеся выше уровня грунтовых вод.
Представление о соотношении количества воды различных
видов, содержащейся в горных породах, дает табл. 3, составлен-
ная по данным Е. М. Сергеева. Из таблицы видно, что песок
содержит в основном гравитационную воду, а в глине и суглин-
ках ее очень мало или совсем нет.
Капиллярная вода в глинах и суглинках составляет до 18—
34% веса сухой породы.
13
Таблица 3
Наименование горной породы Максималь- ная гигро- скопич- ность Максималь- ная моле- кулярная влагоем- кость Капилляр- ная влаго- емкость Полная влагоем- кость
в процентах к сухой породе
Кварцевый песок 0,24 0,76 2,52 13,3
Тяжелый лёссовидный суглинок . 9,22 14,81 32,4 32,6
Валунный суглинок .... 3,18 11,82 34,4 47,0
Лёсс • Тяжелая безвалунная глина четвер- 5,16 13,10 39,5 46,0
тичного возраста 10,53 13,10 47,5 47,5
Вид воды, содержащейся в горной породе, определяет спо-
собы ее дренирования. Тогда как гравитационная вода может
быть сдренирована путем естественного стока к дренажным вы-
работкам, капиллярную воду можно лишь частично отжать из
горной породы весом вышележащих пород при дренаже до на-
чала разработок. При необходимости большего осушения капил-
лярную воду можно сдренировать путем электродренажа.
§ 5 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О НАПРЯЖЕНИЯХ
Понятие о механических характеристиках горных пород и
их влиянии на устойчивость откосов нельзя составить, не зная
основных положений о напряжениях.
Напряжением называется сила, приходящаяся на единицу
площади. Оно может создаваться как внешними силами, источ-
ник которых находится за пределами рассматриваемого контура,
так и силами, находящимися в пределах рассматриваемого кон-
тура (объемными силами). Но относительно какой-либо площад-
ки все силы, в том числе и объемные, активно действующие на
данную площадку, необходимо рассматривать как внешние.
Действию внешних сил (активных), распределенных по дан-
ной площадке, противостоят внутренние силы, которые уравно-
вешивают первые, так как в противном случае не получается
устойчивого состояния в пределах рассматриваемой площадки,
а имеется движение.
В условиях равновесия рассматриваемого контура к нему
могут быть приложены только такие внешние силы, которые пол-
ностью уравновешиваются внутренними силами, максимальные
величины которых определяются прочностью материала. Таким
образом, прочность материала можно понимать как способность
воспринимать внешние усилия.
Усилия, прикладываемые к заданным площадкам, могут иметь
различные направления.
14
Напряжения р, направленные под углом а к заданной пл о
шадке, могут быть разложены на нормальные % и касательные х
компоненты (рис. 2).
ап—р sih a; T=pcosa. (6)
Если рассматривать напряжения в элементарном ртолбике
сечением S под воздействием двух противоположно направленных
сил Р, направление которых совпадает с осью столбика (рис. 3),
то напряжение по поперечному сечению столбика будет равно:
(7)
а напряжение р по любому другому сечению, наклоненному к
оси столбика под углом а, выразится как
р — Oj sin a. (8)
Касательные и нормальные напряжения по этой площадке
можно представить в виде
зл = з1 sin2 a; *t = <3j sin a cos a = -y sin 2a. (9)
По характеру приложенных к рассматриваемому образцу
усилий различают: линейное напряженное состояние, когда
напряжения создаются силами, действующими по одной прямой
линии; плоское напряженное состояние, когда силы действуют
по двум направлениям, лежащим в одной плоскости, и объем-
ное напряженное состояние, когда силы действуют по трем на-
правлениям, не лежащим в одной плоскости.
В теории напряжений большое значение имеет понятие о
главных площадках и главных напряжениях.
Главными площадками считают такие, по которым касатель-
ные напряжения отсутствуют.
В теории упругости доказывается, что в каждой точке любого
напряженного тела можно провести три взаимно перпендику-
лярные главные площадки, через которые передаются три глав-
ных (нормальных) напряжения.
При линейном напряженном состоянии два напряжения из
трех главных равны нулю; при плоском напряженном состоянии
одно главное напряжение равно нулю; при объемном напряжен-
ном состоянии ни одно из главных напряжений не равно нулю.
В практике горного дела породы обычно находятся в объем-
ном напряженном состоянии — в условиях всестороннего сжатия,
а поэтому положительным считается сжимающее напряжение. На-
ибольшее главное напряжение обозначается знаком at, наимень-
шее з3, а среднее по величине з2
15
по площадкам, па-
напряжений, уста-
Для решения вопроса об устойчивом состоянии горных пород
необходимо знать напряжения по любым площадкам в массиве.
Зависимость между величинами главных напряжений и величи-
нами касательных и нормальных напряжений
раллельным направлению одного из главных
навливается из следующих соображений.
Поскольку площадка параллельна
одному из главных напряжений, напри-
мер а2, то угол а, составляемый этой
Рис. 2 Напряжения на эле-
ментарной плошадке
Г
Рис. 3. Напря-
жения в эле-
ментарном
столбике
площадкой с направлением at, равен нулю и согласно выраже-
нию (9)
% = 0 и х2==о.
С двумя другими главными напряжениями эта площадка
-составляет углы а и (90 — а), а касательные и нормальные на-
пряжения от и а3 составляют:
вЯ1 — «1 sin* a; onj — а3 sin2 (90 — а) = а3 COS* а;
01 sin 2а; т3 = а3 sin 2 (90 — а) ---------о, sin 2а.
Суммарные касательные и нормальные напряжения по пло-
щадке, параллельной направлению о2, будут равны:
°я = °i sin8 а 4" °зcos2 а>
х = (°i -e»)sin2a.
(Ю)
Аналогично запишутся и выражения для <з„ и т по площад-
кам, параллельным другим главным напряжениям.
Напряжения по площадкам, параллельным одному из главных
напряжений, легко определяются графически при помощи кругов
напряжений.
В прямоугольной системе координат (рис. 4), где по оси абс-
16
Рис. 4. Определение напряжений гра-
цисс обкладываются нормальные напряжения <зп , а по оси орди-
нат касательные напряжения т, от начала координат в соответст-
вующем масштабе откладываются отрезки, равные главным на-
пряжением, и на их концах, как на диаметре, проводится окруж-
ность с центром на оси абсцисс; тогда абсцисса любой точки Af,
ьзятой на окружности, будет выражать нормальное напряжение,
а ордината — касательное
напряжение, действующее по
площадке, наклоненной к на-
правлению главного напря-
жения под углом а (на гра-
фике этот угол образуется
осью абсцисс и отрезком, со-
единяющим данную точку с
концом диаметра круга, со-
ответствующим большему
главному напряжению).
Из рис. 4 непосредст-
венно следует, что фическим путем
’ = ~~ (°1 — °з) Sin 2а; = а3 + у (а, — а,)---Г (о, - б3) COS 2а
или, вынося за скобки — (oj — а,), получим
2
= а! -г -у (’I - Зз) (1 - COS 2а);
заменяя cos 2а равным значением (1—2 sin1 а),
получим
= °з + («1 — Оз) sin2 а
или
Зл e °i sin2 а 4- а3 COS2 а.
Точки на круге, построенном на концах напряжений и <з3,
будут соответствовать напряжениям на площадках, параллельных
направлению _ з2; точки на круге, построенном на концах напря-
жений о, и о2, будут соответствовать напряжениям на площад-
ках, параллельных направлению <з3, а точки на круге, построен-
ном на концах напряжений а., и а3, будут соответствовать напря-
жениям на площадках, параллельных направлению а, . Напря-
жения на площадках, пересекающих направления всех трех глав-
ных напряжений, будут определяться точками, располагающимися
на графике между кругами напряжений, построенными на глав-
ных напряжениях (точка N на рис. 5).
2 Г. Л. Фисенко 17
В общем случае напряженного состояния материала; когда
все три главных напряжения в рассматриваемой точке не равны
нулю, имеем
01 — а3
°яшах Gflinin а®* ”^max 2 ’
при ЭТОМ
°1 > °2 >
°3-
, Рис. 5. Три круга напряжений
Так как в условиях объемного напряженного состояния наи-
большие касательные напряжения создаются на площадках, па-
раллельных направлению
среднего по величине глав-
ного напряжения, а сечение,
перпендикулярное к этим
площадкам, оказывается в
плоскости наибольшего и
наименьших главных напря-
жений (т. е. в плоскости а,
и с3) и величина °2 не уча-
ствует в определении ттвг,
то при расчетах напряжений
вокруг вытянутых горных
выработок создается воз-
можность решать плоскую
задачу, используя в расчетах только а, и а3, располагающиеся
в плоскости, перпендикулярной к оси выработки. При этом необ-
ходимо отличать плоскую задачу объемного напряженного состоя-
ния от плоского напряженного состояния, когда напряжения соз-
даются только по двум направлениям.
§ 6. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД
Горные породы, как и все другие материалы, разрушаются
путем отрыва под влиянием нормальных напряжений растяжения
или путем среза под влиянием касательных напряжений. Сопро-
тивление горных пород этим видам напряжений и определяет их
прочность.
При характеристике прочности горных пород необходимо раз-
личать прочность в куске и в массиве, прочность по наслоению
и под углом к наслоению (в куске), прочность по поверхностям,
ослабленным отдельностью, трещиноватостью и слоистостью
(в массиве), и прочность при растяжении, сжатии и срезе.
Характеристики прочности горных пород приведены в табл. 4.
Графическое изображение дает более полную характеристику
прочности, чем табличные данные, в особенности для пород, у ко-
18
Таблица 4
Характери- стика агрегатного состояния - Характер напряжения
Растяжение Срез Сжатие
Прочность в куске 1. В направлении, перпендикуляр- ном наслоению, кг 1см2 2. Вдоль слоев, кг/см'2 1. По * наслоению, кг/см2 2. Под углом к на- слоению при различ- ных нормальных на- пряжениях, кг/см2 1. В направлении, перпендикулярном т наслоению, кг/см2 2. Совпадающим с плоскостью наслое- ния, кг/см2 3. Под углом к на- слоению, KljCM2
Прочность в массиве 1. При наличии бокового защемле- ния, т/м2 2. При отсут- ствии бокового за- щемления, т/м2 1 По контактам слоев, т/м2 2. По поверхностям, ослабленным отдель- ностью и трещинова- тостью, т]м2 3. По дизъюнктив- ным нарушениям, т/м2 4. По поверхностям, не совпадающим с по- верхностями ослабле- ния, т/м2 1. При направлении, совпадающем с нор- малью к поверхно- стям ослабления или при отклонении от нормали на угола<р, т/м2 2. При отклонении направления Gj от йормали к поверхно- стям ослабления ta угол а > р, т/м2
торых сопротивление срезу возрастает с увеличением нормальных
напряжений, распределенных по плоскости среза.
В целом горные породы характеризуются относительно не-
Рис. 6. Паспорт прочности горной породы в куске
большими величинами сопротивления отрыву и значительно боль-
шими сопротивлениями срезу.
На рис. 6 прочность горной породы изображена линией АВС.
Точка А соответствует временному сопротивлению растяжению,
а точки на отрезке ВС соответствуют величине касательных на-
пряжений при соответствующих нормальных напряжениях зи ьря
срезе.
2* 19
Зависимость между напряжениями при срезе на небольшом
отрезке ВС считают прямолинейной, а угол наклона этого от-
резка к оси абсцисс называют углом внутреннего трения р. Тан-
генс угла равен коэффициенту трения tgp =f.
Паспорт прочности строят по результатам испытаний горных
пород на срез.
Коэффициент трения из результатов двух срезов при двух
нормальных напряжениях о® и а„получается следующим образом:
или
Д*=/Ч>, (12)
откуда коэффициент трения является коэффициентом пропорцио-
нальности между приращениями нормальных и касательных на-
пряжений при срезе.
Отрезок k, отсекаемый линией ВС на оси ординат, характе-
ризует сцепление горной породы и выражается следующим обра-
зом:
k = TC-fac„ или Л = (13)
т. е. сцепление горной породы надо понимать как сопротивление
срезу при отсутствии нормальных напряжений. Полное сопротив-
ление срезу равно
Т= N tgp+ kLt (14)
где Т — срезывающая сила (параллельная плоскости среза);
£ N — нормальная сила (перпендикулярная к плоскости среза);
L — площадь среза'.
Разделив все члены уравнения (14) на площадь среза, полу-
чим уравнение равновесия, выраженное в напряжениях:
•t = ontgp + ^. (15)
Так как при пересечении кругами напряжений отрезка ВС
величины напряжений не могут выйти за пределы прочности
породы, то следует считать, что точки М и С являются точками
касания кругов к отрезку ВС. Эти круги называются предель-
ными, так как при напряжениях, характеризующихся ими, про-
исходит разрушение породы (срез).
Вышеупомянутые точки касания М и С будут соответство-
вать предельным напряжениям, при которых происходит срез.
20
I
Наибольшие и наименьшие главные напряжения, соответству-
ющие предельным кругам, напряжений, находятся в зависимости
с нормальными и касательными напряжениями при срезе и ме-
ханическими характеристиками прочности, которую легко вывести
из соотношений отрезов на рис. 6:
_L tgpa-l-+^£ (16)
cos р 2 5 2 v '
ИЛИ
= 2k ctg (45° - y) + ctg2 (45° —£) * (17)
Площадка, по которой происходит срез, располагается под
углом 45°----- к направлению наибольшего главного напряжения
и называется площадкой скольжения. На рис. 6 она выражена
линиями MD и СЕ.
При перемещении центра предельных кругов в сторону на-
чала координат наименьшее и наибольшее главные напряжения
постепенно уменьшаются. Перейдя за начало координат, наимень-
шее главное напряжение приобретает отрицательное значение,
т. е. становится растягивающим. Наибольшее значение растяги-
вающего напряжения не может превышать величину временного
сопротивления растяжению, которое на графике откладывается
по оси абсцисс в сторону отрицательных значений (точка А). Та-
ким образом, предельный круг напряжений, у которого наимень-
шее главное напряжение равно временному сопротивлению рас-
тяжению, является последним слева (со стороны отрицательного
напряжения).
Так как горные породы обладают относительно небольшими
величинами временного сопротивления растяжению, то огибаю-
щая предельных кругов напряжений может пересекать ось орди-
нат ниже, чем пересекает ее продолжение отрезка ВС.
Предельный круг напряжений, у которого =0, соответствует
напряженному состоянию разрушения образца при одноосном
сжатии, а площадка скольжения, по которой происходит разру-
шение, наклонена под углом 45°—к оси образца. Поэтому вы-
сота последнего должна быть не менее, чем
h > a ctg ^45° — -у), (18)
где а — сторона основания образца или диаметр образца, если
образец имел цилиндрическую форму.
21
Следовательно, линия АВМС (рис. 6) выражает прочность
горной породы в куске при испытании на растяжение, на сжатие
и на срез при любых нормальных напряжениях.
Если у образцов, испытываемых на сжатие, отношение высоты
к длине основания менее величины ctg (45°-), в том числе и
при испытании кубиков, то напряжения одноосного сжатия испы-
тывают только их краевые части. При удалении же от краев по-
рода находится в условиях всестороннего сжатия, вследствие чего
возрастает сопротивление сжатию от краев образца к его середи-
не, что ведет к увеличению общей величины последнего при
уменьшении отношения высоты к длине основания.
В отличие от испытаний на сжатие между шероховатыми пли-
тами разрушение образцов горных пород при испытании между
гладкими плитами или при смазке оснований парафином проис-
ходит путем отрыва по площадкам, параллельным оси образца.
Напряжения отрыва создаются, по всей вероятности, под влия-
нием неравномерных поперечных деформаций в образце.
Так как сопротивления отрыву незначительны, то для этого
достаточно даже небольших растягивающих напряжений, обра-
зующихся при неравномерных поперечных деформациях. Если
нормальное напряжение больше ON (рис. 6), то сопротивление
горных пород разрушению в условиях неравномерного всесто-
роннего сжатия полностью определяется величиной сцепления и
углом внутреннего трения.
При напряжениях, характеризующихся отрезком АВ графика
напряжений, прочность горной породы будет определяться со-
противлением отрыву.
Рассматривая напряженное состояние обнаженного массива
горных пород на открытых разработках, можно убедиться, что
область, в которой возникают растягивающие напряжения, незна-
чительна.
Так как все горные породы, исключая пластичные, в той или
иной степени трещиноваты, в расчетах напряженного состояния
массива горных пород сопротивлением отрыву можно пренебречь
и учитывать только сопротивление сжатию и срезу, которые опре-
деляются сцеплением и коэффициентом внутреннего трения. Ис-
ходя из вышеизложенного, можно считать, что сцепление и коэф-
фициент внутреннего трения являются основными механическими
характеристиками прочности горных пород.
§ 7. СЦЕПЛЕНИЕ ГОРНОЙ ПОРОДЫ В КУСКЕ
Как уже указывалось выше, сцепление горной породы можно
понимать как сопротивление срезу при отсутствии нормальных
напряжений.
Прочность горных пород в целом характеризуется большой
прочностью отдельных ее частиц и более слабой связью между
22
частицами, поэтому разрушение породы и ее деформация проис-
ходят в форме скольжения по наиболее слабым поверхностям,
которые не пересекают частиц породы, а проходят через их кон-
такты, поры и плоскости отдельности. Поэтому поверхности сколь-
жения в горных породах шероховаты, и по ним создаются силы
трения.
Следовательно, разрушению горной породы путем сдвига про-
тиводействуют силы сцепления и силы трения.
В горных породах различают первичное сцепление (&i), сцеп-
ление упрочения (Ау) и сцепление, определяемое капиллярным
натяжением (Аю). Общая величина сцепления горной породы
(k) складывается из трех величин:
Л = ki -f- ky
Величина первичного сцепления зависит от состава и плотно-
сти горной породы, так как обусловлена действием сил молеку-
лярного притяжения между частицами.
При уплотнении происходит сближение частиц и увеличение
в единице объема числа связей между ними, что и приводит
к повышению первичного сцепления.
Сцепление упрочения возникает в горных породах под влия-
нием их цементации железистыми соединениями, кремнеземом,
известью и др. Оно не возрастает при уплотнении горной породы,
а напротив, может быть уменьшено или полностью устранено,
если даже при всестороннем сжатии будет превзойдено предель-
ное главное напряжение.
Представление о величине сцепления упрочения горных пород
дает разность между сопротивлением срезу или сжатию образ-
цов пород естественной структуры и приготовленных из них паст
той же самой плотности, какую имела порода естественной струк-
туры. Н. Я. Денисов считает, что сцепление упрочения с течением
времени возникает также под влиянием соединения глинистых
частиц в агрегаты без уплотнения породы.
Сцепление, обусловливаемое капиллярным натяжением, про-
является как дополнительное сопротивление срезу за счет сил
трения, развивающихся под влиянием капиллярного давления.
Это сцепление проявляется при небольших нормальных напряже-
ниях, когда на поверхности породы образуются вогнутые мениски.
Для пород, погруженных в воду, перенасыщенных водой или
имеющих большую плотность, сцепление, обусловленное капил-
лярным натяжением, не проявляется совсем.
В разных породах каждый из трех видов сцепления имеет раз-
личную относительную величину. Так, в крепких песчаниках с
железистым или кремнистым цементом сцепление упрочения не-
сравнимо больше первичного сцепления, а третий вид сцепления
в них вовсе отсутствует; в плотных аргиллитах, алевролитах и
23
глинах основным видом сцепления является первичное сцепление,
у глинистых пород большой пористости и влажности значительную
относительную величину приобретает сцепление от капиллярного
натяжения.
Глинистые породы (опоковые глины, суглинки, лёссы и др.),
обладающие сцеплением упрочения, в естественном строении име-
ют комковатую структуру и при сжатии пальцами рассыпаются
на мелкие кусочки, а при смятии в руке превращаются в пластич-
ную полужидкую пасту.
Влажные глинистые породы, не имеющие сцепления упроче-
ния, при сжатии в пальцах не рассыпаются на кусочки, а сразу
деформируются пластически. При смятии в руках их структура
не изменяется.
Испытаниями горных пород угольных месторождений Урала
установлено, что триас-юрские глинистые отложения (аргиллиты,
алевролиты и песчаники на глинистом цементе), имеющие оди-
наковую плотность, обладают первичным сцеплением, величина
которого, характеризуемая графиком (рис. 7), одинакова для всех
рассматриваемых случаев.
Если специальных испытаний горной породы на срез или сжа-
тие не проводилось, графиком, приведенным на рис. 7, можно
пользоваться для определения приближенной величины сцепления
горной породы по ее плотности и влажности. Но уже при наличии
в породе сцепления упрочения величина • общего сцепления будет
больше, чем определенная по графику.
Исследованиями установлено, что сцеплением упрочения обла-
дают опоки, опоковые глины, суглинки, сидеритизированные ар-
гиллиты и алевролиты, песчаники на известковом и железистом
цементе и угли. Величины сцепления испытанных пород приве-
дены в табл. 5 (§9).
§ 8. ПРЕДЕЛЫ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНОЙ ПОРОДЫ
ПРИ КАСАТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ
Как уже говорилось выше, сопротивление срезу возрастает
при увеличении нормальных напряжений на плоскости среза как
для образца, так и для массива горной породы. Прочность по-
следнего характеризуется линиями /, II и III (рис. 8). Но это
увеличение происходит до определенных пределов, так как ли-
ния, выражающая зависимость между касательными и нормаль-
ными напряжениями при срезе, довольно скоро выполаживается
и идет параллельно оси абсцисс. Для водонасыщенных пород с
упругим скелетом это выполаживание свидетельствует о том, что
часть нормального напряжения воспринимается заключенной в
них водой, а вследствие этого уменьшаются сила трения и общее
сопротивление срезу. Характер выполаживания линии, выражаю-
щей зависимость между с„ и т при испытании на срез, зависит от
прочности, гранулометрического и минералогического состава по-
24
г7г
I
429
I
I
I
I
I
I
I
I
74. I
» Сцепление к?(см*
1»70
I а7(
I
I обб
I «65
I
I
«•I
1 ®4Л
s Яргилпит jga»
а Йлевролит I
о ' 'Песчаник на гпинис Т
том цементе ,
Рис. 7. График зависимости между величинами сцепления
глинистых горных пород и их плотностью и влажностью
род и от размера образцов — чем меньше образец, чем больше
песчаных фракций в породе, и чем она прочнее, тем медленнее
выполаживается указанная линия.
Когда наибольшее главное напряжение, возникающее в мо-
мент испытания, становится больше уплотняющей нагрузки, под
которой произошла стабилизация образцов, обладающих только
первичным сцеплением, происходит выполаживание линии, вы-
ражающей зависимость между касательными и нормальными на-
пряжениями при срезе водонасыщенных образцов пород естест-
Рис. 8. Паспорт прочности полускальной горной
породы в куске и в массиве:
/—прочность по кливажу; II—прочность по трещинам; III—проч-
ность по контакту слоев
венной структуры. Последние начинают уплотняться в процессе
испытания, из них отжимается вода, а внутри образцов разви-
вается гидродинамическое давление. Чем больше величина этого
давления в уплотняющемся при срезе образце, тем меньше пере-
дается нормальное давление на частицы породы (минеральный
скелет) по плоскости среза, что уменьшает силы трения по этой
плоскости.
Как показывают испытания пород на срез, силы трения и сцеп-
ления противодействуют касательным (срезающим) силам не
одна после другой, а одновременно. При уменьшении сил
трения по поверхности скольжения уменьшается и общее сопро-
тивление срезу горной породы. При влиянии внутреннего гидро-
динамического давления при срезе формула (15) принимает
следующий вид:
. = tgp(a„ -D)4-k, (19)
где D — интенсивность внутреннего гидродинамического дав-
ления.
У горных пород, обладающих одновременно первичным сцеп-
лением и сцеплением упрочения, величина наибольшего главного
26
напряжения, при котором наступают уплотнение образца и отжим
воды, кроме испытанной породой уплотняющей нагрузки, зависит
еще и от величины сцепления упрочения, являющегося следствием
цементации породы вяжущими веществами. Но эта величина наи-
большего главного напряжения, так же как и для пород, обла-
дающих только первичным сцеплением, является вполне опреде-
ленной, соответствующей прочности данной породы.
Величину наибольшего главного напряжения, при котором на-
чинаются уплотнение горной породы и отжим воды, т. е. нару-
Рис. 9. Паспорт прочности глинистой породы
большой влажности
шается внутренняя структура минерального скелета породы, в
дальнейшем будем называть предельным главным напряжением
и обозначать буквой oi (рис. 9).
Если при расчетах устойчивости откосов не учитывать пре-
дельного главного напряжения, то можно запроектировать отко-
сы, которые будут подвергаться оползням.
Таким образом, на паспорте прочности глинистой горной по-
роды большой влажности необходимо различать следующие зоны,
характеризующиеся относительными величинами напряжений: при
напряжениях, соответствующих линии ВС, происходит немедлен-
ное обрушение массива или разрушение образца; если напряже-
ния по наиболее слабой поверхности не выходят за пределы, опре-
деляемые зоной OMEF, то массив откоса будет сохранять устой-
чивое состояние.
При напряжениях, характеризующихся зоной CBMEN, массив
откоса будет испытывать медленную пластическую деформацию,
т. е. будет подвержен оползаниям. При напряжениях в пределах
зоны NEF произойдет уплотнение горной породы, ведущее к уве-
личению ее прочности.
У полускальных горных пород, не обладающих сцеплением,
обусловленным капиллярным натяжением, линии ВС и MEN
в области небольших напряжений подходят близко друг к другу,
27
а при увеличении напряжений расходятся (см. рис. 8). У полу-
скальных пород высокой плотности и у скальных пород при на-
пряжениях, характеризующихся областью NEF, происходят про-
цессы перекристаллизации, ведущие, так же как и процесс уплот-
нения, к увеличению прочности пород.
В горных породах нарушенной структуры выполаживание ли-
нии, выражающей зависимость между нормальным и касательным
напряжениями при срезе, происходит медленнее, чем в образцах
естественной структуры, вследствие наличия незаполненных водой
макропор. После полного насыщения водой, т. е. при той степени
уплотнения насыпного грунта, когда он при определенных напря-
жениях переходит из трехфазной среды (порода—вода—-воздух)
в двухфазную (порода—вода), в этих породах также развивается
внутреннее гидродинамическое давление, которое снижает силы
трения и ведет к оползанию откосов насыпей и отвалов. В этом
состоянии уплотненный грунт нарушенной структуры не отличает-
ся от водонасыщенной горной породы, обладающей только пер-
вичным сцеплением.
Между предельным главным напряжением и основными меха-
ническими характеристиками существует определенная зависи-
мость. Для породы однородного состава щ тем больше, чем боль-
ше величина сцепления.
Испытания горных пород на срез, произведенные ВНИМИ,
показали, что между величиной сцепления и предельным главным
напряжением существует зависимость, которую для водонасыщен-
ных глинистых горных пород приближенно можно выразить фор-
мулой:
а; _-------, (20)
(1-tg p)^l-tg-£j
где k0—сумма первичного сцепления и сцепления упрочения,
горной породы в куске.
Область устойчивого состояния горной породы необходимо
устанавливать опытным путем.
Ориентировочное построение области устойчивого состояния
для водонасыщенных горных пород с упругим скелетом показано
на рис. 10.
§ 9. КОЭФФИЦИЕНТ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ
Коэффициент внутреннего трения является второй основной
характеристикой прочности пород. Величина его зависит от шеро-
ховатости поверхностей (трения) кусков раздробленной горной
породы и поверхностей среза, располагающихся в массиве горных
пород. Последняя определяется гранулометрическим составом по-
роды. Чем больше песчаных и чем меньше глинистых фракций,
28
тем больше шероховатость поверхностей скольжения, а следова-
тельно, больше и величина коэффициента внутреннего трения.
Рис. 10. Предельное наибольшее главное напряже-
ние и область устойчивого состояния горной породы
Для породы одного и того же минералогического и грануло-
метрического состава коэффициент внутреннего трения является
величиной постоянной и йе зависит от влажности породы. Но это
постоянство проявляется лишь при напряжениях, не превышаю-
щих пределов устойчивого состояния. В противном случае в силу
развивающегося внутреннего гидродинамического давления в по-
родах уменьшается эффективное нормальное давление, передаю-
щееся на частицы породы, что ведет к уменьшению сил трения
по поверхности среза.
Характер влияния влажности горной породы на коэффициент
трения становится понятным при рассмотрении рис. 11.
Произведенными испытаниями на срез водонасыщенных об-
разцов горных пород с упругим скелетом одного и того же мине-
ралогического и гранулометрического состава, но разной влаж-
ности (прочности), установлено, что линии, выражающие проч-
ность пород различной влажности, подобны между собой
(рис. 11).
Если срезать при одинаковых нормальных нагрузках образцы
различной прочности (влажности), то для более влажной породы
угол внутреннего трения будет получаться меньше.
При испытании трех образцов, имеющих объемную влажность
0,37; 0,34 и 0,31, при одинаковых напряжениях, равных 1,0; 2,5
и 4,0 кг/см2, углы внутреннего трения должны получиться 7°30z;
23° и 30° (см. рис. 11). Но поскольку характер напряжений во
всех трех испытаниях был неодинаков, то и результат испыта-
ний следует считать неправильным, так как в третьем испытании
при всех трех срезах наибольшие главные напряжения не пре-
вышали <3| , а во втором испытании при третьем срезе и в первом
испытании при втором и третьем срезах они уже были значитель-
но больше si.
29
Рис. 11. Зависимость угла внутреннего трения от величины
нормальных напряжений при срезе
38-
X-
34-
32-
30-
26-
26-
2Ь-
22-
20-
-------1 , I - '-I------1 ' ' "I-- 1 о /.
О Ю 20 30 АО 50 60 Фракций
0.005 и менее
Рис. 12. Зависимость между углом внутренного трения
и процентным содержанием фракции/ <0,005
0
Согласно предложенной автором методике испытаний на срез,
угол внутреннего трения горной породы определялся по отрезку
линии, выражающей зависимость между ол и т при срезе, кото-
рый лежит между осью ординат и биссектрисой координатного
угла. На этом отрезке з. не превышает <31 , и коэффициент вну-
треннего трения проявляется в полной мере.
По этой методике угол внутреннего трения для всех трех об-
разцов получился одинаковый, а пределы напряжений, в кото-
рых можно применять этот угол, не одинаковы.
Испытаниями горных пород на срез установлена зависимость
между гранулометрическим составом породы и ее углом внутрен-
него трения (рис. 12). Характеризующей фракцией, которая опре-
деляет величину угла внутреннего трения, оказалась фракция
<.0,005 мм.
Величины углов внутреннего трения горных пород различного
литологического наименования даны в табл. 5.
Таблица 5
Литологическое наименование горной породы Место отбора образцов Величина сцепления в зависимости от плотности Угол внутрен* него трения, град.
Плотность Сцепление. кг/см*
Бурая глина Коркинский 0,6 —0,8 0,25*—1,50 28
Суглинок Карьер То же 0,6 —0,8 0,25-1,50 32
Опоковая глина » 0,35-0,50 0.4 —1.8 30
Аргиллит тонкоотмученный • 0,60-0,85 0,4 -30.0 25
Аргиллит • 0,60-0,85 0,4 -30,0 30
Алевролит • 0,7 -0,9 2,0 —45,0 33
Песчаник глинистый .... » 0,7 —0,9 2,0 -45,0 36
Бурый уголь • 0,75 12,0-35,0 36
Аргиллит тонкоотмученный . Волчанскнй 0,56-0,77 0,4 -3,6 25
Алевролит карьер № 2-бис То же 0,65-0,76 0,5 -3.0 32
Песчаник глинистый .... 0,7 -0,8 2,0 -8,0 35
Бурый уголь Ермолаев- 0,40-0,43 0,2 -<2,5 36
Песок с углем скнй карьер То же 0,62 0,40 35
Суглинок . ж 0,56-0,69 0,20-0,55 33
Глина опесчаненная 0 55-0,74 0,32-1.56 31
Глина бурая 0,55-0,65 0,2 -1,4 27
Глина жирная 0,55-0,75 0,85-3,30 20
Мелкозернистый песок гли- нистый Маячный 0,75-0,85 0,9 -5,0 32
Каолиновая глина с углем . кд То же 0,48-0,60 0,7 -1,2 28
Каалиновая глина 9 0,52-0,75 0,45-2,90 16
31
О степени влияния минералогического состава на величину
коэффициента внутреннего трения горной породы достоверных
сведений не имеется.
В. А. Приклонский [28] указывает на значительное уменьше-
ние коэффициента внутреннего трения у горных пород, в состав
которых входит монтмориллонитовая глина.
Уменьшение коэффициента внутреннего трения у монтморил-
лонитовой глины объясняется в значительной степени строением
ее кристаллов, имеющих форму тонких плоских удлиненных че-
шуек размерами 100—300 м и в длину и 1—3 толщину, и
большой ее дисперсностью, при которой каждая частица породы
обволакивается мощной гидратной оболочкой, снижающей вну-
треннее трение.
У каолиновой глины частицы значительно толще: при длине
в 100—500 мр толщина их составляет около 20 жрь [36], а поэтому
у них и коэффициент внутреннего трения больше.
§ 10 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД
В МАССИВЕ
Изложенные выше свойства основных механических характе-
ристик горных пород в куске дают представление и о механиче-
ских характеристиках горных пород в массиве, которые, так же
как и для горных пород в куске, определяются углом внутреннего
трения по любой поверхности и величиной сцепления, зависящей
от степени связности горной породы по наиболее слабой поверх-
ности.
Прочность горных пород по поверхности ослабления в масси-
ве по сравнению с прочностью в куске характеризуется следую-
щими положениями:
1. Угол внутреннего трения уменьшается по контактам слоев
и по дизъюнктивным нарушениям со значительной амплитудой
перемещения и вследствие заполнения разрывов сильно насы-
щенными водой продуктами истирания или глинами. Сцепление
по этим поверхностям можно считать равным нулю.
2. На поверхности, ослабленной трещинами, угол внутреннего
трения остается таким же, как и в куске, а сцепление умень-
шается в зависимости от степени трещиноватости и закономер-
ности расположения трещин.
По исследованиям ВНИМИ, угол внутреннего трения по кон-
тактам слоев, по которым происходило скольжение в период об-
разования складок, составляет 20—25°, а сцепление— 1—3 т/л<2.
Характер изменения прочности горной породы в массиве по
контактам слоев, по поверхностям, ослабленным трещинами или
отдельностью, представлен графически на паспорте прочности
горной породы в куске (см. рис. 8).
32
§ 11 МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРНЫХ
ПОРОД В ОТВАЛАХ
После разрушения (раздробления) горные породы теряют
сцепление, и устойчивость их в откосах характеризуется только
углом внутреннего трения.
Углы откосов отвалов раздробленных горных пород равны
так называемому углу естественного откоса, который зависит от
литологического состава пород, формы и размеров кусков, влаж-
ности пород и высоты откоса.
Углы естественных откосов пород в отвалах на угольных карь-
ерах представлены в табл. 6.
Таблица 6
Характеристика отвалов Высота отвалов, м Углы естест- венных откосов, град
Внешние отвалы мезозойских пород в свежей отсыпке 1 8-16 35—38
Отвалы тех же пород после 3 — 4 лет 9-11 32-36
Отвалы тех же пород после 6—7 лет • . . . . 10-11 30-36
Внутренние отвалы мезозойских пород .... 20-30 34-37
1ерриконики . . . 30—60 34—37
Отвалы бурого угля (башкирского) 25 34-36
Отвалы глин и суглинков 12-24 34-36
Отвалы глин и суглинков через 5 лет 10-12 32-36
Угол естественного откоса отвалов, сложенных крупными угло-
ватыми глыбами крепких пород, достигает 40—45°.
Глинистые влажные горные породы в отвалах уплотняются и
снова приобретают сцепление. По испытаниям Свердловского гор-
ного института, отвалы пород на Богословских карьерах имеют
сцепление от 1 до 2 кг!см2, а угол внутреннего трения составляет
34—36°. Величина сцепления пород в отвалах в зависимости от
уплотняющей нагрузки, по исследованиям ВНИМИ, представ-
лена в табл. 7.
Таблица 7
Наименование породы Величина сцепления в зависимости от уплотняющей нагрузки, kzIcm2
2.5 5.0 7.5 10,0 12,5
Суглинок 0,8 1,2 1,6 2,3
Бурая глина 0,9 1,6 — 3,2 —
Серая глина (гидрослюды) 2,1 2,6 3,0 3,4 3,7
Желтая песчаная глина . . 0,9 1,5 —— 2,5 3,5
Каолиновая глина .... 1,1 1.7 2,3 2,8 3,3
3 Г. Л. Фисенко
33
При большой высоте отвалов наиболее слабые куски разру-
шаются и заполняют макропоры. В первый момент это приводит
к уплотнению и оседанию отвалов, а в дальнейшем, когда породы
переходят из трехфазной среды в двухфазную, появляются
оползни.
Так, на Ермолаевском карьере глины и суглинки, имеющие
влажность до 20—22%, оползали при высоте отвала 16—24 м
и угол отвалов составлял 9—14°.
ГЛАВА 11
ФОРМИРОВАНИЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Для правильного решения вопроса устойчивости горных пород
в откосах необходимо иметь отчетливое представление о тех изме-
нениях, которые происходили в горных породах со времени их
отложения до момента вскрытия горными выработками. Это по-
зволит понять изменения; происходящие в горных породах при
горных разработках вследствие нарушения их напряженного со-
стояния, и даст основание для разделения месторождений на
группы в зависимости от их склонности к оползням.
Как известно из курса общей геологии, в развитии Земли
наблюдается чередование эволюционных этапов, когда происходит
накопление осадков , и их постепенное преобразование в горные
породы, и революционных этапов, когда происходят относительно
быстрые подвижки земной коры, смятие осадочных отложений
в складки и образование горных массивов.
Процесс накопления и изменения осадков в геосинклинальных
и платформенных областях происходит по-разному. Так, если в
областях континентальных платформ осадки не претерпевают
больших изменений и мощность осадочных образований редко
превышает сотни метров, то в областях геосинклиналей она до-
стигает 10—15 км, а осадки претерпевают большие преобразо-
вания.
Ниже изложены основные элементы формирования угольных
месторождений, оказывающие существенное влияние на устой-
чивость горных пород в откосах и требующие более детального
освещения при разведке месторождений, подлежащих разработке
открытым способом.
§ 1 ОТЛОЖЕНИЕ ПОРОД И ИХ УПЛОТНЕНИЕ
С ПОГРУЖЕНИЕМ ВГЛУБЬ ЗЕМЛИ
В зависимости от гранулометрического состава в период отло-
жения в водной среде угленосные породы сильно различаются по
плотности. Грубообломочное и песчаные породы с жестким
3' 35
скелетом уже в период их отложения приобретают плотное сло-
жение, которое увеличивается в дальнейшем лишь за счет це-
ментации.
Глинистые и алевритовые породы с упругим скелетом в пе-
риод их отложения в водной среде имеют вид ила или студне-
образной массы.
Глинистые частицы в водной среде находятся в коллоидной
форме и оседают на дно водоемов в виде студнеобразной массы
при свертывании коллоидных растворов. При этом каждая ча-
стица окружена мощной гидратной оболочкой, удерживаемой
электрическими силами на поверхности раздела с водой, а порис-
тость отложений на их поверхности достигает 90%.
По мере накопления осадков слои пород, свободно залегаю-
щие на земной поверхности, постоянно покрываются более моло-
дыми осадками, что приводит к увеличению всестороннего сжа-
тия пород под влиянием веса вышележащих отложений. Уплот-
няющая нагрузка определяется выражением
зг = ЩТ-1), (21)
где Н— глубина от земной поверхности;
7 — средняя величина объемного веса пород.
Под влиянием этой нагрузки глинистые горные породы (с уп-
ругим скелетом) подвергаются уплотнению с уменьшением их по-
ристости и влажности.
Между пористостью пород п и глубиной их погружения от
земной поверхности существует следующая зависимость:
п = пое~ьн, (22)
где п — пористость;
nG — средняя пористость поверхностных глин;
b — константа;
h — глубина залегания пласта.
В геосинклинальных бассейнах, где мощность осадочных пород
достигает 10—15 км и более, давление, испытываемое горной по-
родой, достигает 1,5—2,2 тыс. кг!см2, а плотность горных пород
с упругим скелетом — 95%.
В процессе преобразования иловатые и студнеобразные отло-
жения превращаются в каменные породы, временное сопротив-
ление сжатию которых достигает 150 кг)см2 и более. Л. Б. Рухин
называет этот процесс окаменением [33].
Песчаные горные породы (или породы с жестким скелетом)
почти не изменяют своей плотности даже при нагрузках, вызы-
вающих разрушение частиц, но все же их плотность с течением
времени увеличивается за счет цементации как глинистым мате-
риалом, приносимым водой при ее отжиме из слоев глинистых
36
пород, так и другими цементирующими материалами, как, на-
пример, кремнистыми, карбонатными и др.
При уплотнении глинистых горных пород существенное значе-
ние имеет их слоистость.
Характерной особенностью угленосных горных пород является
более или менее частая чередуемость слоев пород различного
гранулометрического и литологического состава, при которой на-
блюдается определенная цикличность осадконакопления.
На уральских месторождениях чаще всего встречается сле-
дующее чередование пород в одном цикле: конгломераты, пес-
чаники, алевролиты, аргиллиты, уголь — уголь, аргиллиты, алев-
ролиты, песчаники.
Подобные циклы повторяются многократно, образуя отложе-
ния чередующихся водоносных и водоупорных слоев пород.
Чередуемость водоносных (грубообломочных, песчаных и
угольных) и водоупорных (глинистых) слоев, мощность и вьь
держанность их распространения по площади являются важными
факторами как при уплотнении пород с погружением от земнрй
поверхности, так и при их разуплотнении в период поднятия и
размыва угленосных отложений. Чередуемость слоев играет боль-
шую роль в образовании оползней и влияет на дренаж угольных
месторождений.
Уплотнение глинистых пород с погружением является след-
ствием процесса их обезвоживания, который происходит в сле-
дующем порядке.
В первый период уплотнения, когда все породы имеют боль-
шую пористость и значительную водопроницаемость, под давле-
нием вышележащих отложений уплотняется грунтовой скелет и
избыточная вода движется снизу вверх.
Это движение обусловливается:
разностью водного давления в сжимаемом пласте породы,
в пределе достигающего величины
£> = // + йТ, (23)
где //—разность отметок между поверхностью воды и по-
верхностью осадочных отложений;
А —глубина от поверхности осадочных отложений до
уплотняемого пласта;
7 — средняя величина объемного веса осадочных отло-
жений;
и высотой водного столба над сжимаемым пластом, равной
величине H+h.
Гидродинамический градиент в пределе может достигать ве-
личины
7 = Л (7-1) (24)
т
где т — мощность уплотняемого слоя.
37
Во второй период уплотнения, когда глинистые отложения
приобретают значительную плотность и коэффициент фильтрации
становится столь малым, что движение воды снизу вверх сквозь
всю толщу пород будет затруднительно или совсем невозможно,
обезвоживание глинистых слоев происходит путем отжима воды
в слои песчаных и грубообломочных пород, по которым вода дви-
жется до обнажения этих слоев или до пересечения их тектониче-
скими нарушениями.
Таким же путем происходит уплотнение слоев глинистых пород
при организации дренажа до начала открытых горных разрабо-
ток, если среди этих пород имеются породы высокой влажности.
§ 2. ТЕКТОНИКА, ОТДЕЛЬНОСТЬ И ТРЕЩИНОВАТОСТЬ
Вторым естественно-историческим фактором, влияющим на
изменение механических свойств горных пород, являются текто-
нические процессы, во время которых происходит образование
складок, возникают пликативные и дизъюнктивные нарушения,
отдельность и трещиноватость.
Наблюдения за характером складок горных пород, образовав-
шихся под влиянием тангенциальных тектонических напряжений,
показывают, что слоистый массив при образовании складок рас-
слаивается на отдельные однородные слои или на группы разно-
родных слоев небольшой мощности, самостоятельно изгибающихся
в складки. При этом происходят межслоевые подвижки.
Вследствие межслоевых подвижек в период образования скла-
док образуются поверхности скольжения, сцепление по которым
имеет ничтожную величину, а коэффициент внутреннего трения
значительно снижается. Эти поверхности способствуют образова-
нию оползней при падении слоев в сторону выемки.
Кроме поверхностей скольжения по контактам слоев, в период
складкообразования под влиянием тангенциальных напряжений
образуются системы поверхностей, по которым породы легко рас-
калываются и срезаются, — так называемая кливажная отдель-
ность. По плоскостям отдельности часто развивается и открытая
трещиноватость, называемая кливажной трещиноватостью.
Отдельность по контактам слоев, кливажная отдельность и
трещиноватость придают массиву горных пород, подвергающихся
тектоническим процессам, блоковое строение и уменьшают их
прочность по поверхностям развития отдельности и трещинова-
тости. Кроме кливажных трещин, в массиве горных пород под
влиянием тектонических процессов образуются сплошные тре-
щины разломов и дизъюнктивные нарушения, по которым сцеп-
ление массива отсутствует.
По тектоническим нарушениям, заполненным истертым гли-
нистым материалом, насыщенным водой, коэффициент внутрен-
него трения значительно снижается по сравнению с трением по
другим направлениям.
38
§ 3. ПОДНЯТИЕ УГЛЕНОСНЫХ ОТЛОЖЕНИИ
И ИХ ВЫВЕТРИВАНИЕ (РАЗУПЛОТНЕНИЕ)
Поднятие смятых в складки угленосных отложений, их раз-
мыв морем и эрозия являются третьим естественно-историческим
фактором формирования угольных месторождений геосинклиналь-
ного типа.
При этом верхняя часть складок постепенно разрушается, сно-
сится водами, а породы, погруженные на большую глубину, по-
степенно разгружаются от вышележащих пород, и напряжения
всестороннего сжатия в них уменьшаются.
В связи с этим верхние горизонты пород с упругим скелетом
до глубины 70—100 м получают возможность насыщаться водой
и уменьшают свою плотность и прочность. Как показывают ре-
зультаты испытаний горных пород на компрессию, при разгрузке
до напряжения а, плотность горной породы остается выше, чем
она была при этом же напряжении во время погружения и уплот-
нения. Иными словами, после размыва плотность и прочность
ранее уплотненной горной породы остается выше, чем у залегаю-
щей на той же глубине горной породы, не подвергавшейся уплот-
нению.
Разуплотнение аргиллитов, алевролитов и песчаников на гли-
нистом цементе исследовано на Коркинском месторождении.
Комплекс слоев горных пород, представляющих почву мощ-
ного пласта бурого угля, в период генезиса был погружен до
глубины более 2000 м. После тектонических процессов и размыва
эти слои оказались обнаженными в южной части Коркинского
карьера с постепенным погружением на север.
При изучении физико-механических свойств горных пород
было установлено увеличение плотности и прочности аргиллитов,
алевролитов и песчаников на глинистом цементе до глубины 70—
100 м (рис. 13). Если у аргиллитов и алевролитов на глубине
15—20 м величина плотности находится в пределах 60—70%,
а сцепление — 0,2—2,0 кг/см2, то на глубине 70—100 м они до-
стигают соответственно 80—85% и 20—30 кг!см2. У песчаника
сцепление возрастает от 1,8—2,0 до 40—45 кг]см2. На глубинах,
превышающих 100 м, изменения плотности глинистых пород на
Коркинском месторождении не наблюдается. Вполне очевидно,
что для данного месторождения глубина разуплотнения ограни-
чивается указанным пределом.
Изложенным выше процессам окаменения, смятия в складки,
размыву и разуплотнению подвергаются породы геосинклиналь-
ного типа месторождений. Месторождения платформенного типа
не претерпевают глубоких погружений, тектонических процессов
больших размывов, поднятий и разуплотнения.
Размыву подвергаются лишь отложения небольшой мощно-
сти, поэтому глинистые породы месторождений континентальных
S9
платформ в основном имеют плотность, соответствующую глуг
бине их современного залегания.
Песчаные отложения могут иметь повышенную плотность за
н
Рис. 13. Плотности горных пород в зависимости от глубины (по Коркино)
счет цементации, но нередко, даже на месторождениях древнего
возраста, песчаные отложения континентальных платформ оста-
ются несцементированными и имеют свойства плывунов.
40
§ 4 ПОКРОВНЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ
Угленосные отложения в большинстве случаев покрываются
более молодыми безугольными отложениями глин, суглинков, пе-
сков и галечников. Последние называются покровными отложе-
ниями и отличаются небольшой плотностью и прочностью, не-
редко вызывая первые оползли на угольных карьерах.
Эти отложения часто залегают в виде сменяющих друг друга
небольших линз пород различного литологического и грануло-
Рис. 14. Диапировые складки:
/-суглинок; 2— галечник/ 3—глина влажная; 4—глина песчаная; 5— бурый уголь, 6— песок;
7—глина опока; <?—трещиноватая опока
метрического состава. Их линзообразное залегание затрудняет
дренирование и способствует более скорому разуплотнению в от-
косах и оползанию.
При неравномерном отложении более тяжелых и плотных
песчаных глин и суглинков на иловатых отложениях опоковых
глин или на гелевидных отложениях третичных бурых углей и
углистых аргиллитов образуется так называемая диапировая
складчатость, примеры которой приведены на рис. 14.
Диапировые складки являются существенным элементом фор-
мы залегания покровных отложений и оказывают большое влия-
ние на образование оползней, способствуя скольжению пород по
наклонным плоскостям наслоения, образованных этой складча-
тостью, и затрудняя дренирование покровных отложений.
Линзы мелкозернистых иловатых песков превращаются при
обводнении в плывуны, залегающие среди покровных отложений,
и создают значительные трудности при вскрышных работах и
проходке дренажных выработок.
§ 5 ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
На устойчивость бортов угольных карьеров, кроме физико-ме-
ханических свойств горных пород и формы их залегания, решаю-
щее влияние оказывают и гидрогеологические условия, завися-
щие от рассмотренных выше естественно-исторических факторов
41
формирования месторождений, а также от климата, современного
рельефа местности и наличия поверхностных водоемов.
Литологический состав пород, их тектоника и трещиноватость
определяют статические запасы вод, влияют на динамические при-
токи и условия дренирования.
Подвергавшиеся тектоническим процессам трещиноватые слои
угля и песчаников, как, например, в Челябинском и Волчанском
месторождениях, имеют значительные статические запасы вод и
одновременно с этим являются хорошими коллекторами и про-
водниками воды при дренировании. На месторождениях, не под-
вергавшихся процессам смятия в складки (Ангренском, Куш-
мурунском и др.), песчаники и угли содержат незначительное
количество гравитационной воды и при организации дренажных
работ не могут служить коллекторами, являясь плохими провод-
никами последней.
Выдержанность литологического состава и чередование водо-
носных и водонепроницаемых слоев также оказывают большое
влияние на дренируемость пород. Слои водоносных (водопрово-
дящих) пород, выдержанные на большом протяжении, упрощают
организацию дренажных работ, а при частом выклинивании и
залегании их в виде линз дренаж осложняется. Частое чередо-
вание водоносных и водопроницаемых или слабопроницаемых об-
водненных глинистых и песчано-глинистых слоев способствует
лучшему дренированию, наличие же глинистых слоев большой
мощности создает затруднение в дренировании.
Рельеф местности существенно влияет на обводнение месторож-
дений. Так, резко выраженный рельеф, не содержащий бессточ-
ных впадин, способствует хорошему стоку вод атмосферных осад-
ков и ведет к уменьшению обводненности пород, слагающих ме-
сторождение, а бугристо-котловинный микрорельеф, исключая
сток поверхностных вод, способствует заболачиванию поверхно-
сти и увеличению обводненности пород. Месторождения, располо-
женные выше местного базиса эрозии, менее обводнены, и зер-
кало грунтовых вод расположено глубоко, тогда как на место-
рождениях, расположенных в ровной местности, уровень грунто-
вых вод располагается выше и часто совпадает с земной поверх-
ностью.
Рельеф местности способствует образованию поверхностных
водоемов, а последние, если они расположены в районе карьера,
служат источниками обводнения горных выработок.
Климатические условия также существенно 'влияют на обвод-
нение горных пород, так как количество атмосферных осадков,
испаряемость, характер дождей (ливневые или затяжные), период
снеготаяния наряду с рельефом местности определяют количество
воды атмосферных осадков, попадающей в горные породы.
Наличие покровных слабо водопроницаемых пород, залегаю-
щих над трещиноватыми или закарстованными, уменьшает филь-
трацию поверхностных вод в горные породы.
42
При открытых разработках очень часто большую опасность
представляет незначительный подток воды по дизъюнктивным
нарушениям, трещинам или тонким линзам водоносных пород,
подводящим воду к борту карьера, что приводит к подпитыванию
контактов слоев или рыхлых глинистых пород, склонных к набу-
ханию. Нередко источники такого рода трудно обнаружить, и
они, подпитывая породы в течение длительного времени, приводят
к образованию оползней там, где их не ожидают.
§ 6. РАЗДЕЛЕНИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПО СКЛОННОСТИ
К ОПОЛЗНЯМ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД
При геологическом, гидрогеологическом и инженерно-геологи-
ческом изучении угольных месторождений, подлежащих разра-
ботке открытым способом, необходимо исходить из следующего
подразделения последних по физико-механическим свойствам гор-
ных пород:
1) месторождения, сложенные сильно уплотненными или ме-
таморфизованными скальными и полускальными трещиноватыми
породами, не подвергающимися или слабо подвергающимися
разуплотнению при разгрузке, которые в гидрогеологическом от-
ношении характеризуются хорошей способностью к дренированию
вследствие большой трещиноватости пород;
2) месторождения, сложенные слабо уплотненными полускаль-
ными и глинистыми породами, склонными к разуплотнению при
снижении нагрузок, которые в основном характеризуются хорошей
водоотдачей полускальных трещиноватых слоев и наличием водо-
непроницаемых слоев, способствующих сохранению напорных вод
в бортах карьеров;
3) месторождения, сложенные рыхлыми горными породами,
не подвергавшимися уплотнению, отличающиеся слабой водоот-
дачей и наличием несцементированных песков и плывунов.
Если на месторождениях первого типа решающее влияние на
устойчивость бортов оказывают структура пород и залегание
слоев, трещин и дизъюнктивных нарушений, а гидрогеологические
факторы имеют второстепенное значение, то на месторождениях
второго типа на устойчивость бортов влияют все рассмотренные
выше факторы. При изучении физико-механических свойств гор-
ных пород преобладающее значение имеет установление пределов
устойчивого состояния горных пород. Если имеются слои пород,
предельное главное напряжение которых менее величины Яу, то
такие месторождения необходимо дренировать до начала разра-
боток. При изучении гидрогеологии в первую очередь устанав-
ливают слои с хорошей водоотдачей и их чередование с водо-
упорными слоями. Примерами месторождений второго типа яв-
ляются Челябинское, Волчанское и Богословское. По особенно-
43
стям гидрогеологических условий их следует подразделять на
легко дренируемые, где часто чередуются слои водоносные и водо-
непроницаемые, и трудно дренируемые, где разрабатываемый
пласт подстилается и покрывается обводненными слоями большой
мощности, плохо отдающими воду, или водоносными породами,
имеющими большие статические запасы воды и связанными с
водоносными горизонтами за пределами месторождения.
Примерами месторождений третьего типа являются месторож-
дения Днепровского и Южноуральского буроугольных бассейнов.
Отсутствие легко дренирующихся слоев затрудняет дренирование
неуплотненных отложений глин, суглинков, мелкозернистых пес-
ков и углей. Решающее влияние на устойчивость бортов на этих
месторождениях имеет дренаж пород. Из элементов структуры
пород сохраняет некоторое влияние падение слоев пород, осо-
бенно при плохом дренаже.
Если месторождения первого типа являются наиболее благо-
приятными с точки зрения устойчивости бортов, а третий тип от-
личается крайне неблагоприятностью, то месторождения второго
типа являются промежуточными между ними.
ГЛАВА III
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
ЗАЛЕГАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
§ 1 РАЗВЕДКА СТРУКТУРЫ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Для правильного решения вопроса об устойчивости бортов
и уступов и предотвращения их обрушений необходимо знать сле-
дующие структурные элементы массива:
1) направление и углы падения слоев горных пород не только
в пределах контура отработки, но и за его пределами на рас-
стоянии не меньшем, чем глубина разработки;
2) элементы залегания всех дизъюнктивных нарушений;
3) элементы залегания систем кливажных трещин и отдель-
ностей.
Документирование и установление всех этих элементов струк-
туры необходимо производить систематически от начала пред-
варительной разведки до полной отработки месторождения, ис-
пользуя все скважины и горные выработки.
При изучении дизъюнктивных нарушений и трещиноватости
следует использовать не только все подземные и открытые гор-
ные выработки, но также и ранее установленные закономерности
залегания структурных элементов на соседних действующих карь-
ерах.
При производстве горных работ следует систематически до-
кументировать структуру обнажающихся пород на специальных
структурных планах и вносить коррективы в проект, если струк-
тура существенно отличается от принятой в проекте.
Между тем вопросу изучения структуры пород как при раз-
ведке, так и при эксплуатации месторождений не уделяется долж-
ного внимания. Приведем несколько примеров.
1. При разведке одного из участков Коркинского месторожде-
ния с восточной стороны этого участка было установлено дизъ-
юнктивное нарушение с большой амплитудой, ограничивающее
45
промышленную зону с востока. В геологическом отчете по деталь-
ной разведке участка на геологических разрезах изображалось
примерное положение борта карьера, в пределы которого входили
и породы за восточным нарушением.
Однако данных об условиях залегания пород за этим нару-
шением не приводилось. В результате отсутствия этих данных
проектные организации не могли окончательно установить пре-
дельное положение восточного борта и решить вопрос о сохран-
ности железнодорожной станции, располагающейся недалеко от
борта, которая при падении пород за нарушением в сторону карь-
ера подлежала сносу, а при падении в обратную сторону — оста-
валась.
2. С западной стороны участка открытых разработок на Кор-
кинском месторождении разведкой было обнаружено дизъюнк-
тивное нарушение, за которым предполагалось падение слоев от
карьера и в том же направлении, как и до нарушения. Горными
работами было установлено, что никакого нарушения в этой части
нет, а слои пород собраны в синклинальную складку и падают
в сторону карьера, а не наоборот. Это положение существенно
изменяет положение предельного контура карьера с западной
стороны. '
3. В районе третьего разреза Богословского месторождения
горными работами было вскрыто дизъюнктивное нарушение, па-
дающее в сторону забоя под углом 42—45°, по которому должно
было произойти обрушение. Отработка участка без необходимых
мер предосторожности привела к обрушению угольного забоя
и одного породного уступа, в результате чего было потеряно около
60 тыс. т готового к выемке угля.
Для получения необходимых данных и окончательного реше-
ния вопроса о величине оптимальных углов наклона бортов и
отдельных уступов необходимо выполнять следующие работы:
1) развить сеть разведочных скважин не только на участке,
подлежащем разработке открытым способом, но и за его грани-
цами на полосу шириной не менее проектируемой глубины откры-
тых разработок;
2) по результатам разведки произвести особенно тщательную
увязку слоев и определить элементы их залегания в зоне пре-
дельного положения бортов, где углы наклона последних наи-
большие;
3) при проведении всех горных выработок особенно тщательно
прослеживать структуру пород и установить элементы залегания
дизъюнктивных нарушений, разрывов, трещин и отдельности;
4) для суждения о закономерности залегания дизъюнктивных
нарушений, разрывов, кливажных трещин и отдельностей исполь-
зовать все данные детальной разведки на данном участке и экс-
плуатационной разведки на соседних действующих участках;
5) в период разработки участка систематически вести доку-
ментарно структурных элементов и вносить коррективы в проект.
/б
§ 2. ПОЛНОТА РАЗВЕДКИ ВСЕХ ПЛАСТОВ И ГОРИЗОНТОВ
При разработке угольных месторождений открытым способом
разведка всех пластов и горизонтов должна быть выполнена
полнее, чем при разработке подземным способом, при котором
возможна эксплуатационная разведка и экстраполяция. Приведем
несколько примеров.
1. На глубоких горизонтах Ксркинских карьеров нижние пачки
разрабатываемого пласта состоят из тонких прослойков угля,
перемежающихся породными прослойками. При проектировании
разработок оконтуривание промышленных пачек на этих гори-
зонтах оказалось недостаточным для установления предельного
положения борта со стороны лежачего бока, так как при выемке
в случае возможного улучшения качества угля нижних пачек
пришлось бы производить подрезку слоев, а это не допускалось
из-за возможности образования оползней. Произвести же после-
дующий «разгон» борта не представлялось возможным ввиду рас-
положения на нем основных съездов большого протяжения. В свя-
зи с этим возникла необходимость производства дополнительной
разведки глубоких горизонтов и лучшего оконтуривания промыш-
ленных запасов.
2. На месторождениях, состоящих из нескольких свит, раз-
деленных породными слоями значительной мощности, необходима
одновременная детальная разведка всех угольных свит, подлежа-
щих разработке открытым способом. Если, например, вторая
угольная свита месторождения не подлежит разработке открытым
способом, то можно на ней располагать внутренние отвалы пер-
вой свиты. Отсутствие детальной разведки второй свиты в период
разработки первой свиты может привести к излишним затратам
огромных средств, так как, если вторая свита подлежит открытой
разработке, а на ней располагались внутренние отвалы, будет
необходима вторичная перевалка последних, если же вторая свита
не подлежит разработке открытым способом, а порода первой
свиты вывозилась на внешние отвалы, — налицо опять-таки зна-
чительный перерасход средств и труда, которого можно было из-
бежать, создавая внутренние отвалы на второй свите.
§ 3. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД
Физико-механические свойства горных пород являются факто-
ром, определяющим устойчивость бортов карьеров.
Основными физико-механическими характеристиками горны?;
пород, определяющими устойчивость откосов и используемыми
в расчетах углов наклона бортов и уступов, являются объемный
вес, сцепление и коэффициент внутреннего трения в естественном
залегании пород. Такие свойства, как влажность, пористость,
плотность, гранулометрический состав, водопроницаемость, опре-
деляют собой величины основных характеристик, но непосред-
ственно в расчетах не используются. Так как определение меха-
47
нических характеристик более трудоемко, чем определение физи-
ческих характеристик, то при разведке необходимо по трем-шести
скважинам определять одновременно механические и физические
характеристики и установить между ними зависимость для каж-
дого месторождения. В 10—15% общего числа глубоких скважин
необходимо определить физические характеристики пород и по
ним установить механические свойства пород, пересеченных этими
скважинами.
1. Определение физических характеристик
Горные породы большинства угольных месторождений, раз-
рабатываемых открытым способом, в естественном залегании
можно рассматривать как двухфазную среду, состоящую из по-
ристого материала самой породы и воды, полностью заполняю-
щей поры. Преобладающая часть воды в горных породах являет-
ся капиллярной или же гигроскопической и пленочной, а поэтому
при отрыве от массива образцы горных пород сохраняют свою
естественную влажность (т. е. вода не вытекает из породы).
Свободная гравитационная вода, заполняющая трещины и
поры несцементированных песков, составляет незначительную
часть в общем объеме воды, а поэтому при определении объем-
ного веса всегда считают, что весь объем равномерно заполнен
горной породой, до предела насыщенной водой. Существует мне-
ние, что воды атмосферных осадков увеличивают объемный вес
породы, чем способствуют образованию оползней, в действитель-
ности роль атмосферных осадков заключается в том, что они
переводят капиллярную воду пород в уступах в напорную воду,
которая и оказывает решающее влияние на устойчивость рыхлых
пород.
Объемный вес образцов горных пород можно определять или
путем измерения линейных размеров образцов, изготовленных в
форме прямоугольного параллелепипеда или цилиндра, и их взве-
шивания, или путем отбора образцов специальными грунтоно-
сами определенного объема с последующим их взвешиванием,
или путем гидростатического взвешивания.
При гидростатическом взвешивании запарафинированных об-
разцов объем определяют по формуле
V = P2-P8-^=A (25)
Тп
где Pj — первоначальный вес образца естественной влажно-
' сти;
Рг — вес в воздухе запарафинированного образца;
Р3 — вес в воде запарафинированного образца,
уп — объемный вес парафина.
48
Для контроля эти определения необходимо производить парал-
лельно по двум кусочкам одного и того же образца породы.
Разность значений объемного веса в параллельных опреде-
лениях не-должна превышать 0,05 г!см?.
Естественную влажность горных (пород удобно определять
в процентах к весу влажной «навески» Р:
Г = 100%. (26)
Образец породы измельчается до крупности не более 3 мм,
пробы (навески) по 15—20 г каждая набираются в две бюксы,
взвешиваются и ставятся на просушку в сушильный шкаф на
2—3 часа при температуре 105—110°. Высушенные навески взве-
шиваются и снова ставятся на 30 мин. в сушильный шкаф для
контрольной просушки, после которой взвешивание повторяют.
Если усушка в последние полчаса не превышает 0,2%, то сушку
прекращают и последний вес навески считают «весом сухой на-
вески».
Удельный вес определяют общепринятыми методами. По объ-
емному весу у, влажности W и удельному весу d определяют
объемную влажность 1ГТ и плотность образцов горных пород.
Если в образце породы объемом V(cm3) и весом Р(г) находи-
лось ДР (г) воды, то эта вода занимает объем Д V, равный Д Р,
считая объемный вес воды равным 1. Объемная влажность опре-
делится как отношение
1ГТ = —==—= -^ = 0,01И7-ь (27)
7 V V 100V ' '
Плотность горных пород D понимается как степень запол-
нения единицы объема обезвоженной горной породой, т. е.
(28)
а а
где d — удельный вес породы;
7е — объемный вес обезвоженной породы.
В породе, до предела насыщенной влагой, сумма плотности
и объемной влажности равна единице, т. е. объемная влажность
равна пористости. Сравнение объемной влажности с пористостью
в водонасыщенных образцах служит контролем точности опреде-
ления величин у; d\ W\ W и D.
Методика определения гранулометрического состава и водо-
проницаемости в литературе освещена достаточно полно и здесь
не приводится.
4 Г Л Фисенко 49
2. Определение основных механических характеристик путем
лабораторных испытаний горных пород на срез
Рис. 15. Схема лабора-
торных испытаний на срез
Основные механические характеристики горных пород — сцеп-
ление и коэффицент внутреннего трения — определяют путем
испытания на срез на специальных срезных приборах, позволяю-
щих создавать независимо нормальные и касательные напряже-
ния. Однако существующие конструкции этих приборов рассчи-
таны только на испытание слабых горных пород с небольшими
величинами сцепления. С другой стороны, независимое создание
нормальных и касательных напряжении
при срезе имеет значительные методиче-
ские недостатки. Наиболее удобным для
испытания как слабых, так и прочных по-
род является срезное устройство, предло-
женное и примененное автором в Ураль-
ском филиале ВНИМИ, которое позво-
ляет производить срезание образца, изго-
товленного в виде прямоугольного парал-
лелепипеда или цилиндра, при различных
соотношениях нормальных и касательных
напряжений. Изменение этих соотноше-
ний достигается изменением угла между
плоскостью среза и направлением прило-
жения силы, создаваемой прессом.
Срезной прибор состоит из одной па-
ры чугунных уголков 7, ориентирующих
плоскость среза под углом 45° к направ-
лению приложений силы, двух стальных
клиньев, грани которых сходятся под уг-
лом 15°, позволяющих создавать наклон
плоскости среза под углом 60 и 30°, и че-
тырех стальных пластинок с болтами, зажимающими образец
с боков (рис. 15). Для испытания цилиндрических образцов ис-
пользуются уголки с цилиндрической внутренней формой.
Передача давления от пресса 2 на срезное устройство осу-
ществляется через стальные ролики 3, обеспечивающие минималь-
ное трение между прессом и срезным прибором, причем нагрузка
прикладывается с постепенным возрастанием. Одновременно £ от-
счетом нагрузок по микрометренной головке фиксируются и де-
формации образца (относительные перемещения уголков в пло-
скости среза). В отличие от общепринятых конструкций, рекомен-
дуемый срезной прибор позволяет одновременно увеличивать в
определенном соотношении касательные и нормальные напряже-
ния. Как отмечалось в главе I, зависимость между нормальными
и касательными напряжениями при срезе можно считать прямоли-
нейной в пределах между осью ординат и биссектрисой коорди-
натного угла, а поэтому при испытаниях необходимо, чтобы не
50
менее двух-трех точек, характеризующих прочность горной по-
роды при срезе, попали в эту область. Так как прочность горной
породы до испытания неизвестна, то при независимом приложе-
нии нормальных и срезывающих нагрузок это условие чаще
всего оказывается невыполненным. Предложенный прибор позво-
ляет создать любое соотношение нормальных и касательных на-
пряжений для каждого среза пород любой прочности путем из-
менения угла наклона плоскости среза. Порядок лабораторных
испытаний на срез принимается следующий:
1) для одного полного испытания подготавливается 3—5 оди-
наково ориентированных кусков в форме прямоугольных парал-
лелепипедов размером 10X10X15 см3 или цилиндров диаметром
70 мм и длиной 100 мм. В зависимости от крепост^ пород и мощ-
ности имеющихся в лаборатории прессов можно применить и дру-
। ие размеры образцов. Для испытания рыхлых пород указанные
размеры образцов уменьшать не рекомендуется;
2) при помощи пресса на срезном приборе каждый из этих
образцов срезается по плоскости, параллельной длинным граням
и наклоненной к направлению усилия; при каждом наклоне этой
плоскости производится пэ одному или два среза;
3) при испытании образца, по мере его нагружения, фикси-
руется деформация; интервал нагрузки, через который берется
отсчет по индикаторной головке, устанавливается в зависимости
от прочности образца. До наступления среза достаточно произ-
вести 8—12 отсчетов;
4) образцы срезаются при их естественной плотности и влаж-
ности;
5) после среза измеряется угол наклона поверхности среза,
и с последней отбирается проба для определения влажности;
6) для каждого среза определяются нормальное и касательное
напряжения по формулам:
= cosa
о
р . »
t = — Sin a
S
где P— усилие при срезе, создаваемое прессом;
S — площадь среза;
a—угол между направлением усилия и нормалью к пло-
скости среза.
Эти величины определяются непосредственным замером;
7) на графике (рис. 16) по оси абсцисс откладываются
а по оси ординат т и определяется положение точек, соответству-
ющих отдельным срезам. Эти точки, соединенные плавной кривой
линией, отображают зависимость между касательными и нор-
мальными напряжениями при срезе. На участке между линиями,
4* 51
выходящими из начала координат под углами 45 и 60° к оси
абсцисс, указанную кривую можно заменить хордой и ее наклон
к оси абсцисс принять за угол внутреннего трения; отрезок, отсе-
каемый этой хордой на оси ординат, выражает в соответствующем
масштабе величину сцепления.
Рис. 16. Примеры графиков испытаний горных пород на срез, сжатие
и растяжение:
а—опоковая глина (W — 42,2%; у — 1,48; “ 0>625, k — 0,75 кг/см2, р = 22° 30'; «сж —
- 1,85 кг/см3), d—аргиллит {W - 17,03; т - 2,05; - 0,350, k - 0,82 лге/сж2; р = 25°30';
арас “ °*w кг1см'> сСж “ 2’64 кг!смЧ
При изучении физико-механических свойств горных пород
большое значение имеет установление пределов устойчивого со-
стояния, т. е. пределов напряжений, при которых не происходит
деформаций -во времени без увеличения напряжений. Их опреде-
ление связано со значительными трудностями, так как пределы
упругого или устойчивого состояния горных пород не определя-
ются появлением остаточных деформаций, которые наблюдаются
даже при напряжениях, составляющих менее половины от раз-
рушающих.
Трудность определения пределов устойчивого состояния за-
ключается также в том, что слабоуплотНенные горные породы,
которые оказывают решающее влияние на устойчивость бортов,
при испытании под нагрузкой, особенно при срезе, способны
уплотняться и увеличивать свою прочность, т. е. увеличивать
величину сцепления.
Чтобы образец в процессе испытания не уплотнялся, следует
увеличивать его размеры и ускорять нагружение.
Уральским филиалом ВНИМИ применялись следующие при-
емы установления пределов устойчивого состояния.
А. Для пород, обладающих сцеплением упрочения, предел
упругости определялся как предел прямой пропорциональности
между напряжениями и деформациями по графику напряжений
и деформаций. Предельное главное напряжение «и для этих по-
52
род устанавливалось по вдавливанию двух соосных штампов в
плоский образец (рис. 17).
Б. Для глинистых пород большой влажности, не обладающих
сцеплением упрочения, на графике напряжений и деформаций
трудно найти границу между
упругими и пластическими дефор-
мациями, а поэтому для них пре-
делы упругого или устойчивого
состояния устанавливались при
испытании на универсальной раз-
рывной машине Р-5, устройство
которой обеспечивает автоматиче-
ское падение нагрузки при дефор-
мации образца с течением вре-
мени. Порядок испытаний был
принят следующий.
1. К образцу прикладывали
Рис. 17. Схема испытания по оп-
нагрузку, превышающую пределы ределению с/ по вдавливанию
устойчивости. штампа
2. Под влиянием нагрузки с те-
чением времени он деформировался. По мере деформации на-
грузка уменьшалась, и ее падение продолжалось до тех пор,
пока не прекращалась деформация.
Рис. 18. График определения допусгимых напряжений
по деформации и падению нагрузки при испытании
образцов на срез на разрывной машине Р-5
3. Производился отсчет времени нагрузки и деформации, и
по ним строились графики деформаций и падения нагрузок во
времени (рис. 18).
4. После этого нагрузка увеличивалась до полного среза.
В каждом полном испытании на срез для установления пре-
делов устойчивого состояния в таком порядке нагружали каждый
53
образец. При таком порядке испытания образцов на срез на пас-
порте прочности горной породы (рис. 19) получаются линия мо-
ментальных срезов ВС и линия предельных касательных напряже-
ний MEN, при которых не происходит деформации образца. Для
Рис. 19. Ограничение области напряжений, при которых не
происходит пластической деформации горной породы
пород, не обладающих сцеплением упрочения, предельное главное
напряжение oi определяют также путем вдавливания соосных
штампов машиной Р-5, прилагая вначале нагрузку, превышаю-
щую и наблюдая постепенную деформацию и падение на-
грузки до предельной устойчивой (см. рис. 18).
Зона напряжений, при которых данная горная порода сохра-
няет устойчивое состояние, на паспорте прочности ограничивается
осями координат <зп , т , линией MEN, полученной путем испы-
таний, и линией FE, проведенной под углом (45° ^-) к оси
абсцисс от точки F, отстоящей от начала координат на расстоя-
нии
При напряжениях, характеризующихся областью NEF, вели-
чины касательных напряжений также не превышают предельных
устойчивых, и при них происходит проседание откоса вследствие
уплотнения пород в основании последнего, но полная поверхность
скольжения при этом не создается.
При испытании образцов на срез с предварительным уплотне-
нием зона устойчивого состояния ограничивается величиной
уплотняющего напряжения oi и строится таким же путем, как
и по точке, полученной на машине Р-5 (см. рис. 19).
54
Величины зоны устойчивого состояния, построенные по ре-
зультатам испытаний на машине Р-5 и с предварительным уплот-
нением, совершенно одинаковы, что является критерием объек-
тивности установления пределов устойчивости. Особенно убеди-
тельным является то, что при испытании на срез с предваритель-
ным уплотнением интенсивность уплотняющей нагрузки является
наибольшим главным напряжением, при котором стабилизиро-
вался образец. Если же при испытании на срез наибольшее глав-
ное напряжение становится больше интенсивности уплотняющей
нагрузки, то напряжения выходят за пределы устойчивости.
3. Полевые испытания
Лабораторными испытаниями можно определить механические
характеристики горных пород в куске. При расчете углов откоса
эти характеристики могут быть использованы только для уста-
новления пределов упругого состояния. Для установления же
условий предельного рав-
новесия необходимо знать
механические характери-
стики в массиве. Для их
определения по контактам
слоев и по поверхностям,
ослабленным трещинами,
необходимо производить
полевые испытания. Испы-
тания призм объемом до
2 м3, оконтуренных в мас-
сиве, производились в
двух направлениях: 1) ис-
пытание прочности горных
пород по наиболее слабым
контактам по наслоению,
когда положение поверх- Рис. 20. Схема полевых испытаний проч-
ности скольжения не зави- «ости горной породы по контактам слоев
сит от направления при-
ложенного усилия (в пределах изменения на 20—25°), и 2) испы-
тание прочности горных пород по ослабленным направлениям,
когда с изменением направления приложенного усилия изме-
няется положение поверхности скольжения, и каждая срезаемая
призма по поверхности среза имеет свои структурные особен-
ности.
Испытание слабых контактов по наслоению производится ана-
логично описанным выше лабораторным испытаниям на срез с
той, однако, разницей, что при лабораторных испытаниях измене-
ние угла производилось за счет изменения наклона плоскости
среза при неизменном направлении силы, создаваемой прессом,
тогда как при натурных испытаниях (рис. 20) положение плоско-
55
сти среза неизменно (напластование пород), а направление силы,
создаваемой гидравлическим домкратом, меняется.
структурных особенностей
б
Определение механических характеристик вкрест напластова-
ния или под углом к напластованию пород производится по схе-
ме, изображенной на рис. 21. В этих испытаниях плоскость среза
определяется случайным сочетанием
оконтуренных призм, а сцепле-
ние— большим или меньшим раз-
витием трещин по поверхности
среза. Поэтому для призм объе-
Рис. 21. Схема определения прочности горной породы в массиве
под углом к наслоению:
а—испытания на горизонтальной полке уступа карьера: б—испытания в дренажных
штреках или в стенке откоса
мом около 1 м3, подвергнутых испытаниям, совместное определе-
ние сцепления' и коэффициента внутреннего трения невозможно.
В качестве исходного положения для обработки наблюдений
было принято, что коэффициент внутреннего трения в пределах
упругого состояния не зависит от структурных элементов, а опре-
деляется гранулометрическим составом пород по плоскости
среза. Средняя величина этого коэффициента принимается по
результатам лабораторных испытаний, а сцепление по поверх-
ности среза выражается формулой
k == p(sing-COSatgp) (эд
где S— площадь среза;
а —угол между подошвой домкрата и плоскостью среза;
Р — угол внутреннего трения испытуемого комплекса по-
род;
р — приложенное усилие.
Более точное определение механических характеристик гор-
ных пород в массиве производится по результатам маркшейдер-
ской съемки участков естественных и искусственных обрушений.
56
Теоретическое обоснование этого способа вытекает из того
положения, что при боковом обнажении открытой горной выра-
боткой массив горных пород удерживается в равновесии силами
сцепления и трения, действующими по наиболее слабой поверх-
Рис. 22. Определение механических характеристик
по съемке обрушений:
/—положение поверхности до обрушения; 2—после обрушения
ности (рис. 22). Сумма сил, удерживающих массив в момент
обрушения, равна сумме сил, сдвигающих его:
+ (31)
где
Tt = Pt sin а/, Nt = Pz cos a.; Pt —
a — расчетная ширина столбика, м;
f —объемный вес пород в массиве до обрушения, т/мг;
ht — высота столбика, м;
а, — угол наклона площадки скольжения, град.;
Р{ — вес столбика пород, гп;
N,— его нормальная составляющая, т\
7) — его касательная составляющая, действующая по пло-
щадке скольжения, т;
L — площадь поверхности скольжения (при плоской задаче
равна длине линии скольжения), м.
После обрушения массива, когда силы сцепления по наиболее
слабой поверхности перестают действовать, установление нового
равновесия обрушившихся масс наступает тогда, когда сумма ка-
сательных сил уравновешивается силами трения:
(32)
По равенству (32) определяются коэффициент внутреннего
трения пород, а после подстановки f в равенство (31) опреде-
ляется величина сцепления k.
57
При определении сцепления необходимо брать величину по-
верхности скольжения без включения трещины отрыва, часто
образующейся в верхней части обрушающегося массива.
Этот способ позволяет определять основные характеристики в
том случае, когда обрушение по простиранию выемки имеет дли-
ну, превышающую в 2—3 раза высоту откоса.
Пример. На рис. 22 изображено обрушение борта траншеи, прове-
денной по простиранию залегания слоев пород рядом с осью синклиналь-
ной складки. Через несколько дней произошло обрушение борта по на-
слоению пород Механические характеристики по контактам слоев полу-
чились равными* сцепление k — 2,6 т/м**; коэффициент внутреннего трения
f — 0,36, что соответствует уг'лу внутреннего трения 20°.
Порядок расчета следующий: 1) на геологическом разрезе, построен-
ном через середину обрушения в масштабе 1 *500, обрушившееся тело
разделялось на ряд вертикальных полос шириной по 10 мм\ 2) через их
середины вниз от поверхности скольжения проведены отрезки, равные
средней высоте полоски; 3) эти отрезки в соответствующем масштабе
принимались равными весу столба породы шириной, равной ширине по-
лоски:
Pi = Л;я7,
4) проектируя их на нормали к основаниям полос, получали давления
на эти основания, а проектируя на линию основания, находили касатель-
ную силу от веса полоски. Весь расчет выполняется графически.
При расчете коэффициента трения использовалась только сумма от-
резков Tj и Nh а при определении сцепления суммы ХГг- и 2N/ умножа-
лись на множитель С, равный
г М
с = “’Тои ’
где а — ширина полоски, м,
М — знаменатель масштаба чертежа.
4. Определение приближенной величины сцепления по испытанию
образцов горных пород на сжатие
При отсутствии описанных выше приборов для испытания гор-
ных пород на срез можно установить приближенные величины
механических характеристик по макроскопическому определению
гранулометрического состава и испытанию удлиненных образцов
на одноосное сжатие. При этом надо помнить, что характеризу-
ющей является глинистая фракция размером от 0,005 и менее.
Для определения угла внутреннего трения можно использовать
табл. 5 и график зависимости угла внутреннего трения от грану-
лометрического состава (см. рис. 12).
Величина сцепления получается из построения круга напря-
жений, диаметр которого равен временному сопротивлению сжа-
тию высокой призмы; второе главное напряжение равно нулю.
Касательная, проведенная к этому кругу под углом р к оси абс-
цисс, отсекает на оси ординат отрезок, равный сцеплению
(рис. 23).
58
Высота призмы, испытываемой на сжатие, должна быть не
менее actg (45° ~), где а — сторона квадратного основания
призмы или диаметр цилиндрического образца. При этой высоте
разрушение образца происходит в виде среза по наиболее слабой
плоскости, наклоненной к оси образца под углом (45°— ~ ). При
меньшей высоте разрушение
-одноосному сжатию со
свободными гранями, так
как внутренняя часть его
находится в условиях все-
стороннего сжатия и
вследствие этого общее со-
противление сжатию уве-
личивается, а круг напря-
жений, построенный на
отрезке, равном временно-
му сопротивлению сжатию
низкой призмы, не соот-
образца не соответствует простому
ветствует • кругу, в кото- Рис. 23. Приближенное определение вели-
ром <*з=0. чины сцепления но испытаниям на сжатие
Ориентировочные вели-
чины сцепления угленосных пород глинистого состава, обладаю-
щих только первичным сцеплением, можно определять по графику,
изображенному на рис. 7, характеризующему зависимость между
величиной сцепления водонасыщенных образцов горных пород
глинистого состава и их плотностью или объемной влажностью,
являющейся дополнением до единицы к величине плотности. Для
этого необходимо определять только влажность и объемный вес
породы. У горных пород, обладающих сцеплением упрочения,
величина сцепления больше указанной в графике.
5. Отбор образцов
Отбор образцов из скважин для испытания на срез произво-
дится в следующем порядке.
1. Керн извлекается из колонки с соблюдением определенных
предосторожностей, предотвращающих его излом.
2. Извлеченный керн очищается ножом от грязи и размокшего
верхнего слоя.
3. Затем керн внимательно осматривается и из него выреза-
ются (ножом или ножовкой) однородные куски длиной не менее
утроенного диаметра керна, но с таким расчетом, чтобы из этого
куска можно было сделать два одинаковых образца длиной l,5d *.
Если позволяет мощность однородного слоя, вырезают два
куска длиной 3d с тем, чтобы подготовить четыре образца.
♦ d —диаметр образца, принятый для испытания на срез
59
4. В скважине, проходимой специально для этой цели, образ-
цы отбираются из каждого слоя, причем в мощных однородных
слоях они берутся через 3—5 м.
5. Очищенный от грязи и размокшего слоя керн смачивается
расплавленным парафином и обертывается слоями парафиниро-
ванной бумаги и марли, смоченных парафином с таким расчетом,
чтобы не допустить между парафинирующей оберткой воздушных
пузырьков.
6. Запарафинированные образцы укладываются в ящик и за-
сыпаются опилками.
При отборе образцов ведется журнал, в котором записываются
номера образцов, глубина их взятия и литологическое наимено-
вание породы. Эти же данные записываются на двух этикетках,,
из которых одна приклеивается под парафиновым слоем, а вто-
рая снаружи.
Для предотвращения .увлажнения образцов рыхлых пород
(слабоуплотненных глин, суглинков, рыхлых песчаников и др.)
бурение скважин необходимо вести с применением густого гли-
нистого раствора в качестве промывочной жидкости.
Образцы пород, вырубленные в горных выработках, парафи-
нируются, упаковываются и документируются таким же* способОхМ^
только вместо глубины скважины указываются соответствующие
координаты места отбора.
При отборе образцов последним можно придавать форму и
размеры, не требующие дополнительной обработки.
§ 4. ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ
Современные требования к гидрогеологической изученности
угольных месторождений, подлежащих разработке открытым
способом, сводятся в основном к определению возможных общих
притоков воды в карьер или дренажные выработки.
С точки зрения устойчивости бортов главной задачей является*
установление предполагаемого времени формирования депресси-
снной воронки, определяющей величины напоров в различных
точках массива пород, окружающих карьер, и в установлении
дренируемости пород. Изучением должны быть установлены
гидрогеологические условия месторождения, на основе которых
можно было бы разрабатывать методы дренирования и осуще-
ствлять их эффективное внедрение, что предотвратит разуплот-
нение пород и их оползание.
При изучении гидрогеологических условий месторождений по-
лезных ископаемых, подлежащих разработке открытым способом,,
можно рекомендовать работу С. П. Прохорова [31], одобренную
институтом ВСЕГИНГЕО (Всесоюзный институт гидрогеологии
и инженерной геологии).
60
Изучение гидрогеологических условий месторождения нераз-
рывно связано с изучением физико-механических свойств горных
пород, их структуры и формы залегания и должно освещать сле-
дующие общие вопросы:
1) основные черты режима поверхностных и подземных вод,
площадь распространения, условия залегания, области питания
и дренажа водоносных горизонтов;
2) ожидаемые изменения естественного режима подземных
вод в процессе вскрытия ^эксплуатации месторождения и влия-
ние этих изменений на условия равновесия горных пород;
3) оценка инженерно-геологических условий и разработка ме-
роприятий по дренированию месторождения.
Для полного изучения гидрогеологических условий месторож
дений используются данные опытных полевых и лабораторных
работ, опытные данные по дренажным выработкам, материалы
регионального изучения и теоретического расчета.
При опытных полевых гидрогеологических работах необхо-
димо получить следующие данные:
1) мощности чередующихся слоев и их коэффициент филь-
трации. Коэффициент фильтрации водоносных слоев следует опре-
делять путем откачек из скважин и горных выработок, а коэффи-
циент фильтрации водоупорных слоев — лабораторным путем.
2) пьезометрические уровни всех водоносных горизонтов;
3) взаимосвязь водоносных горизонтов (слоев) между собой,
их выдержанность и распространение по площади;
4) взаимосвязь водоносных горизонтов с поверхностными во-
доемами и водоносными породами за пределами месторождения;
5) статические запасы водоносных горизонтов в пределах ме-
сторождения и связанных с ними водоносных горизонтов за его
пределами и их пополнение;
6) возможность изоляции водоносных слоев месторождения
ют водоносных слоев за его пределами.
Опытные откачки производятся из специальных гидрогеоло-
гических скважин, закладываемых в наиболее характерных и
наиболее обводненных пунктах месторождения (вблизи поверх-
ностных водотоков и водоемов, на участках поверхностного про-
явления карстов, в местах пересечения наибольшего числа водо-
носных пластов и в местах понижений последних).
При геологическом, гидрогеологическом и инженерно-геологи-
ческом изучении угольных месторождений, подлежащих разра-
ботке открытым способом, необходимо исходить из классификации
месторождений, приведенных в § 6 главы II.
С точки зрения устойчивости бортов главное внимание необ-
ходимо уделять изучению гидрогеологических условий с целью
изыскания рациональных и эффективных способов дренажа.
ГЛАВА IV
ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ откосов
ГОРНЫХ ПОРОД
Изменение естественного напряженного состояния горных по-
род при производстве открытых горных разработок может при-
вести к обрушениям или оползаниям бортов карьера, приносящим
большой ущерб предприятию.
Обрушение и оползание откосов происходит при нарушении
условий равновесия горных пород по наиболее слабой поверхно-
сти, имеющейся во всяком напряженном теле.
Для предотвращения деформаций бортов карьеров необходимо
правильно устанавливать углы наклона откосов и проводить ряд
инженерно-геологических мероприятий, вытекающих из условий
равновесия горных пород в откосах. Ниже излагаются основные
условия устойчивости откосов.
§ 1. УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ НЕСВЯЗНЫХ (СЫПУЧИХ)
ГОРНЫХ ПОРОД В ОТКОСАХ
Горные породы, не имеющие связи между отдельными части-
цами (сцепления), называются сыпучими. К ним относятся сухие
пески, разрушенные скальные и полускальные породы, разру-
шенные сухие глины. Сыпучая среда сохраняет устойчивость в от-
косах, заложенных под углами естественного откоса, при любых
высотах, встречающихся на практике.
Частица несвязной породы удерживается на свободной по-
верхности естественного откоса (рис. 24) под действием силы
трения S=fPcos«, уравновешивающей касательную составляю-
щую силы тяжести T=Psina.
T = S
или
Psina =/Pcosa,
62
откуда
tga=f,
(33)
т. е. тангенс угла естественного откоса равен коэффициенту
трения между поверхностями кусков разрыхленной породы.
Учитывая равенство /=tgp, будем иметь
tg а == tg р или а — р
(34)
т. е. для разрушенных горных пород угол естественного откоса
равен углу внутреннего трения.
Рис. 24. Равновесие частицы на поверхности
свободного откоса сыпучей породы
Равенство (34) выражает предельное равновесие сыпучей
среды. Нарушение этого условия создает возможность образова-
ния осыпи или обрушения.
По любым поверхностям внутри массива естественного откоса
в. сыпучей среде силы, удерживающие массив, больше сил сдви-
гающих, а на свободной поверхности откоса эти силы равны. Сле-
довательно, свободная поверхность откоса, сложенного сыпучими
породами, является наиболее слабой.
§ 2 УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ СВЯЗНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
В связных горных породах до определенной высоты можно
строить вертикальные откосы (угол наклона равен 90°). Высота
(йГ9о), при которой откос может держать вертикальную стенку,
называется предельной или критической. При увеличении высоты
откоса для сохранения устойчивости необходимо уменьшать угол
откоса.
Для суждения об устойчивости откоса, сложенного породами,
обладающими сцеплением и внутренним трением, в его массиве
отыскивают наиболее слабую поверхность и сравнивают силы,
удерживающие SS z и сдвигающие 12 Т откос, которые действуют
по этой поверхности. Наиболее слабой является та поверхность,
63
2S-
по которой действуют силы с наименьшим отношением —. Если
последнее равно единице, то поверхность, по которой действуют
такие силы, называется предельно-напряженной или поверхностью
скольжения. Таким образом, предельный угол наклона откоса
в связных породах устанавливается по равновесию на наиболее
слабой поверхности, отыскиваемой внутри массива откоса.
Сдвигающие силы, действующие по этой поверхности, обус-
ловливаются силой тяжести массива
нее. В связи с большой высотой от-
косов при открытых разработ-
ках дополнительная .нагрузка на
наземных
пород, залегающих выше
последние в виде
Рис. 25. Равновесие по наиболее слабой поверхности в
массиве откоса связных пород
сооружений, землеройных машин и средств транспорта прини-
мается в расчет лишь при оценке устойчивости отдельных усту-
пов, в расчетах же устойчивости бортов в целом ими обычно пре-
небрегают.
Для оценки устойчивости откоса по поверхности, залегающей
в массиве, поступают следующим образом (рис. 25):
1) участок откоса АВ, ограниченный этой поверхностью, раз-
бивается вертикальными пунктирными линиями на ряд полос
Л 2, 3,...,13 равной ширины (а метров);
2) высота полос условно принимается за их вес и расклады-
вается на касательные Т 1 и нормальные W i составляющие к по-
верхности скольжения;
3) все отрезки касательных и нормальных составляющих,
измеренных в миллиметрах, суммируют отдельно, а суммы умно-
жают на масштаб векторов Т t и N t, который равен
__сщМ
~ 1000 9
где у — объемный вес пород;
М — знаменатель масштаба, в котором построен чертеж;
64
4) измеряют длину расчетной поверхности L и составляют
отношение
(35)
CYTi к 7
где /—коэффициент внутреннего трения пород по расчетной
поверхности;
k — сила сцепления, приходящаяся на единицу площади
расчетной поверхности.
Знаменатель уравнения (35) представляет сумму сил сдви-
। ающих, а числитель — удерживающих массив по этой поверх-
ности. При этом первый член числителя является суммой сил тре-
пня, зависящих от суммы нормальных составляющих всех выше-
лежащих пород и от коэффициента внутреннего трения пород по
этой поверхности, а второй член — суммой сил сцепления, зави-
сящей от площади расчетной поверхности и от удельной силы
сцепления по этой поверхности.
Если суммы сдвигающих и удерживающих сил равны, то от
кос находится в предельном состоянии, при котором начинается
оползание или обрушение массива. Наиболее слабая поверхность,
по которой п=1, называется поверхностью скольжения.
Положение и форма наиболее слабой поверхности скольжения
в массиве откоса зависят от наличия слоистости, трещиноватости,
дизъюнктивных нарушений и их залегания в откосе, механических
характеристик горных пород по поверхностям ослабления и под
углом к этим поверхностям, объемного веса породы, величины
)гла откоса и его высоты.
§ 3 ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ СКОЛЬЖЕНИЯ
Плоская поверхность скольжения наблюдается в откосах сло-
женных слоями пород, углы падения которых больше угла вну-
треннего трения по контактам слоев и меньше угла рабочего
откоса уступа, что приводит к подрезке контактов между слоями.
На угольных карьерах скольжение по подрезанным контактам
между слоями происходит в тех случаях, когда падение их дости-
гает 25—30°, а при наличии скопления воды на площадках подре-
занных уступов скольжение по контактам слоев происходит и при
углах падения 12—15°.
Скольжение пород по плоской поверхности происходит и при
подрезке дизъюнктивных нарушений, падающих в сторону вы-
емки под углами более 35—40°, превышающими угол внутрен-
него трения пород, и при наличии ярко выраженной трещинова-
тости, падающей в сторону выемки под углами более 40—45°.
Круглоцилиндрическая поверхность скольжения наблюдается
при однородном или слоистом строении массива откоса, когда
3 Г Л Фисенко 65
слои падают в сторону последнего. При этом в верхней части
откоса наблюдается поверхность отрыва, высота которой состав-
ляет
//80 = - ctg (45°
7 \ /
(36)
В покровных отложениях она совпадает с поверхностями от-
дельности, проявляющейся в вертикальной плоскости, а в слои-
стом массиве — с трещиноватостью или кливажем. Криволиней-
ная часть поверхности скольжения вверху наклонена под углом
45°——к вертикали и пересекает откос у его подошвы под углом
45°— — ,
2
В общем виде отдельные площадки скольжения располага-
ются под углом (45 — ~) к направлению наибольшего главного
напряжения, а поверхность скольжения является огибающей этих
площадок.
При сложном строении массива откоса, имеющего поверхно-
сти ослабления в виде контактов между слоями, трещин и дизъ-
юнктивных нарушений, поверхность скольжения является плав-
ной огибающей поверхностей ослабления, выходящей в основание
откоса; при этом в большинстве случаев поверхность скольжения
является более крутой в верхней и пологой в нижней части от-
коса.
§ 4. УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ В ОТКОСАХ ГОРНЫХ ПОРОД,
НАХОДЯЩИХСЯ В ПЛАСТИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ
Всякая горная порода при определенной величине всесторон-
него сжатия может перейти в пластическое состояние, при кото-
ром нарастание ее деформации под влиянием касательных напря-
жений происходит в течение длительного времени без увеличения
напряжений.
Пластическим деформациям горные породы подвергаются в
тех случаях, когда величина наибольшего главного напряжения
в породе превышает предельное наибольшее главное напряжение
(см. главу I), свойственное данной породе.
В условиях пластического состояния сопротивление горных
пород касательным напряжениям не соответствует формуле (15),
по которой сопротивление сдвигу по любой элементарной пло-
щадке увеличивается прямо пропорционально нормальным на-
пряжениям
Для условий пластического состояния сопротивление горной
породы сдвигу до сих пор не имеет аналитического выражения и
66
устанавливается опытным путем по испытаниям горных пород на
срез.
По результатам этих испытаний строится паспорт Прочности
горных пород, подобный изображенному на рис. 19. По этому
паспорту можно определять предельные устойчивые касательные
напряжения при соответствующих нормальных напряжениях.
Предельными касательными напряжениями считаются такие,
при которых не происходит пластической деформации при задан-
ном нормальном напряжении.
Оценка устойчивости откоса, сложенного породами, находя-
щимися в пластическом состоянии, производится по формуле
^тдоп
^действ
(37)
где Ет:доп — сумма допустимых касательных напряжений;
Е^действ —• сумма возникающих действительных напряжений.
Подробнее этот вопрос рассмотрен в главе X.
§ 5. УСТОЙЧИВОСТЬ СЫПУЧИХ ПОРОД В ОТКОСАХ
ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ ВОДЫ ЧЕРЕЗ ОТКОС
При фильтрации воды через откос сыпучих пород равновесие
частиц на его поверхности, кроме коэффициента трения пород,
зависит от величины гидродинамического градиента I фильтрую-
щегося потока. Последний имеет значение объемной силы, при-
ходящейся на единицу объема горной породы. Направление этой
силы совпадает с касательной к депрессионной кривой при ее
пересечении с поверхностью откоса (рис. 26).
Равнодействующая двух сил — веса частицы, облегченного
весом вытесненной воды (у—1), и гидродинамического градиен-
та — отклоняется от вертикали на угол 6, величина которого опре-
деляется формулой
tg 8 =----. (38)
6 (7 -1) + I sin ₽ v
Эта формула легко выводится из рис. 26.
Принимая во внимание равенство для депрессионной поверх-
ности
/ — sin
получим окончательна
tg 3=-----, (39)
2 (у — 1 + sin1 ₽) 2 (7 —cos’fl) ' '
где — угол наклона поверхности фильтрующего потока при
его выходе на поверхность откоса.
5* 67
При наличии фильтрационного потока угол откоса сыпучи к
пород должен соответствовать уравнению
а < (Р “ 8). (40)
Если условие (40) не соблюдается, то отдельные частицы по-
роды выносятся фильтрационным потоком из откоса, что приво-
дит к ослаблению основания откоса и его обрушению или опол-
занию.
Рис. 26. Свободный откос сыпучих пород при фильтрации водного
потока
Это воздействие потока на откос называется суффозией, кото-
рая является основной причиной образования оползней и обру-
шений откосов, сложенных несвязными или слабосвязными пес-
чаными породами.
§ 6. ВЛИЯНИЕ ВОДНОГО ДАВЛЕНИЯ НА УСТОЙЧИВОСТЬ
СВЯЗНЫХ ПОРОД в откосах
На устойчивость откосов, сложенных слабоуплотненными не
трещиноватыми породами, вступающими во взаимодействие с во-
дой при их разгрузке, решающее влияние оказывает наличие
воды как поверхностной, скапливающейся в местах понижения
прибортовой полосы земной поверхности, на площадках уступов,
на подошве карьера, так и грунтовой.
При оценке устойчивости бортов карьеров следует учитывать
следующие факторы:
1) возможность прорыва напорных вод;
2) снижение эффективного нормального давления породы на
поверхность скольжения, что уменьшает силы трения, удерживаю-
щие откос в равновесии;
3) разуплотнение пород при их разгрузке и поглощении воды,
что ведет к уменьшению их прочности;
4) вынос несцементированных или слабосцементированных
частиц (суффозия).
68
Горные породы глинистого состава способны уплотняться с
уменьшением их влажности при увеличении нагрузки сжимаю-
щей породы и разуплотняться с поглощением воды при уменьше-
нии нагрузки.
В естественных условиях залегания горные породы на любой
глубине сжаты весом столба вышележащих пород, облегченного
водным давлением. При этом поверхности равных давлений воды
являются плоскими или с затуханием в глубину повторяют рельеф
земной поверхности.
При проведении горных выработок одновременно с изменением
напряженного состояния горных пород, обусловленного их весом
?(//?), изменяется и водное давление. Пьезометрический на-
пор D i в каждой точке во всех направлениях имеет одну и ту же
величину, и при больших обнажениях он не должен превышать
наименьшего нормального давления пород в данной точке,
так как в противном случае при наличии больших обнажений
пород произойдет прорыв воды в сторону последнего. Это гово-
рит о необходимости уменьшения водного давления в каждой
точке борта до величины
(41)
При обеспечении условия (41) прорыв воды будет предотвра-
щен, но водное давление уменьшит устойчивость откоса, снижая
нормальное давление пород по поверхности скольжения. Условие
равновесия пород по наиболее слабой поверхности при наличии
водного давления принимает вид:
и = (42)
где ая —нормальное давление пород в любой точке поверх-
ности скольжения;
^ — пьезометрический напор в этих точках;
— сумма касательных сил, действующих по поверхно-
сти скольжения.
Если после проведения выемки по любой поверхности в от-
косе п>1, обрушения откоса не произойдет и начнется инфиль-
трация воды в выемку под влиянием гидродинамического дав-
ления, образовавшегося при проведении выемки. В условиях не-
прерывного подтока воды и снижения эффективного давления на
породы от величины Ну— Do, существовавшей до проведения
выемки, до величины hy — Dt, образовавшейся после проведе-
ния выемки, которая может стать равной нулю, в откосе и в по-
дошве откоса породы начинают разуплотняться вплоть до пре-
вращения их в текучее состояние.
Скорость разуплотнения пород зависит от их минералогиче-
ского и гранулометрического состава и от величины коэффици-
69
ента фильтрации; чем больше коэффициент фильтрации, тем ин-
тенсивнее подток грунтовой воды к борту.
Слабоуплотненные песчано-глинистые отложения — суглинки,
песчаные и песчано-галечниковые глины, слабоуплотненные алев-
ролиты и слабые песчаники на глинистом Цементе в большей,
а мощные слои плотных жирных глин и аргиллитов в меньшей
степени поддаются разуплотнению. Скорость разуплотнения по-
род значительно увеличивается, если в прибортовой полосе зем-
ной поверхности и на подошве откоса имеются скопления воды
или слои пород с большим коэффициентом фильтрации, не обна-
женные выработкой, ускоряющие подток воды к откосу. Нахо-
дясь в таких условиях, последний неминуемо обрушится или
оползет.
В этом заключается главная причина образования оползней
бортов на угольных карьерах.
ГЛАБА V
ВИДЫ ОПОЛЗНЕВЫХ ЯВЛЕНИЙ НА УГОЛЬНЫХ
КАРЬЕРАХ
§ 1. ВИДЫ ДЕФОРМАЦИИ БОРТОВ И УСТУПОВ
Все явления деформации бортов и уступов на угольных карь-
ерах можно подразделить на четыре вида: осыпи, обрушения,
оползни и оплывины.
Осыпи образуются в результате выветривания пород на по-
верхности откоса, проявляющегося в виде отрыва отдельных ча-
стиц, кусков и глыб от массива и скатывания их к подошве от-
коса. Осыпи образуются при углах откоса, превышающих углы
внутреннего трения пород (углы естественного откоса), когда
частица, потерявшая связь с массивом, не может удерживаться
на поверхности откоса силами трения. Более мелкие частицы
сносятся потоками вод атмосферных осадков и при углах, мень-
ших угла естественного откоса.
Обрушения отличаются от осыпей тем, что они захватывают
значительные массивы пород. Залегание поверхности отрыва по-
род от основного массива круче угла внутреннего трения, а по-
этому после преодоления сил сцепления оторвавшийся массив не
может удерживаться по этой поверхности силами трения и ска-
тывается вниз к подошве откоса в течение нескольких секунд или
минут.
При оползнях поверхность скольжения залегает в массиве
в среднем под углом, меньшим угла внутреннего трения, прису-
щего комплексу пород, подвергающихся оползанию, а величины
напряжений по поверхности скольжения на значительной ее части
находятся за пределами упругих деформаций. Вследствие этого
и происходит пластическая деформация пород — оползень, про-
должающийся от нескольких десятков минут до нескольких меся-
цев, а при вовлечении новых массивов и до нескольких лет.
Оплывины происходят вследствие насыщения водой разрых-
ленных глин и суглинков до состояния текучести, при котором
последние растекаются по площадкам уступов под углами 4—6°
71
и менее. При значительном накоплении такого материала он сво-
бодно стекает на нижние уступы, огибая пороги коренных пород.
Отдельные виды деформаций бортов трудно четко разграни-
чить. Поэтому разделяющая их граница может быть только
условной. Так, осыпи и обрушения различаются по относительной
величине обрушающихся массивов, а обрушения и оползни — по
скорости деформации, зависящей от характера напряженного
состояния пород по поверхности скольжения. Существует непре-
рывный переход от быстро происходящих «чистых» обрушений,
когда по всей поверхности
отрыва величины напря-
жений не выходят за пре-
делы упругих, а поверх-
ность скольжения распо-
лагается круче естествен-
ного откоса, к «чистым»
оползням, длящимся ме-
сяцы и годы при неболь-
ших скоростях смещения,
когда по всей поверхности
скольжения породы нахо-
дятся в пластическом со-
стоянии, и эта поверхность
располагается значительно
положе угла внутреннего
трения пород в упругом
состоянии.
В зависимости от сте-
пени насыщения горных
пород водой наблюдается
непрерывный переход от
Рис. 27. Примеры обрушений уступов: оползней к оплывинам.
/—песчаники; 2—алевролиты; 5-аргиллиты, 4—отвалы ПрИ увеличении ВЛЗЖНО-
глин, 5-плоскость скольжения (обрушения); 5—дизъ- r J
юнктивяые нарушения; 7—обрушившийся блок СТИ СКОрОСТЬ Перемещения
возрастает.
Осыпи и оплывины являются наиболее простыми формами
деформаций бортов и не требуют каких-либо подразделений.
Обрушения происходят как по поверхностям ослабления мас-
сива дизъюнктивными нарушениями, трещинами и слоистостью,
падающими в сторону выемки, так и по поверхностям, не свя-
занным с какими-либо ослаблениями в массиве.
На месторождениях, сложенных плотными трещиноватыми
породами, при правильно организованном внутреннем и внешнем
дренаже большей частью происходят только обрушения пород.
На угольных карьерах наблюдаются следующие виды обру-
шений:
1) обрушения по поверхности -напластования пород, когда
угол падения подрезанных слоев превышает 25—30° (рис. 27,а);
72
2) обрушения по поверхностям, ослабленным трещиновато-
стью, при залегании трещин под углом круче 45° (рис. 27,6);
3) обрушения покровных отложений по криволинейным по-
верхностям, когда высота вертикального уступа превышает
10—15 м;
4) обрушения по другим поверхностям ослабления.
Наиболее сложной распространенной формой деформаций
бортов угольных карьеров являются оползни. Их можно подраз-
делить на следующие виды:
1) оползни уступов, сложенных глинами и суглинками;
2) оползни насыщенных водой навалов рыхлых пород по по-
верхности коренных пород;
3) оползни коренных пород по подрезанным контактам;
4) глубинные оползни коренных пород лежачего бока;
5) глубинные оползни пород висячего бока;
6) оползни внутренних и внешних отвалов.
Ниже рассматриваются различные виды оползней, наблюдаю-
щихся на угольных карьерах.
§ 2. ОПОЛЗНИ И ОБРУШЕНИЯ УСТУПОВ, СЛОЖЕННЫХ
ГЛИНАМИ И СУГЛИНКАМИ
При проведении траншей или при выемке экскаваторами типа
механической лопаты очередной заходки в четвертичных и тре-
тичных отложениях суглинков и глин уступы высотой, до 10—15 м,
даже в условиях заболоченной местности, сохраняют в течение
некоторого времени устойчивость без производства специальной
заоткоски. Уступ при этом имеет форму, изображенную на
рис. 28,а.
С течением времени на уступах, находящихся в различных
гидрогеологических условиях, происходит изменение формы обна-
жения.
1. Если уровень грунтовых вод залегает ниже подошвы откоса
и вблизи верхней бровки уступа отсутствуют скопления воды, то
с течением времени происходит постепенное разрушение верхней
части уступа под влиянием высыхания пород и у его подошвы
образуется осыпь. Постепенно уступ выполаживается и приобре-
тает устойчивую форму (рис. 28,6).
2. Если в прибортовой полосе имеется вода, обрушение усту-
пов, сложенных глинами, происходит очень быстро. Так, напри-
мер, в Коркино уступы высотой 8—10 м обрушаются через 2—3
дня после заполнения водой впадин на верхней площадке в лив-
невый период.
Если место скопления воды находится в некотором удалении
от борта (в 3—4 раза превышающем высоту борта), обрушение
уступа происходит циклами, постепенно приближаясь к месту
скопления воды.
73
На верхнем уступе западного борта Коркинского карьера, где
в 30—40 м параллельно верхней бровке уступа проходила водо-
сточная канава, менее чем за один год обрушился участок по-
верхности шириной в 15—20 м (рис. 29).
Рис. 28. Уступ в глинах и суглинках (Коркинский карьер):
Лг—после выемки экскаватором, б—после образования осыпи
При этом виде обрушения на поверхности параллельно верх-
ней бровке уступа появляется ряд вертикальных трещин и на-
блюдается одновременное оседание отколовшегося массива. С те-
чением времени трещины расширяются и углубляются, оседания
увеличиваются и происходит обрушение.
Рис. 29. Обрушение верхнего уступа на западном борту
Коркинского карьера:
/—водоотводная канава
Обрушившийся массив сильно разрыхляется и приобретает
способность поглощать большое количество воды. Разрыхленные
и насыщенные водой глины принимают угол откоса в 12—14°. Так
как при обрушении уступа верхняя его часть остается близкой
к вертикальному положению, то цикл обрушения повторяется
и с каждым циклом происходит медленное уменьшение высоты
обрушающегося уступа.
3. Третий вид оползней, особенно развитый на нерабочих бор-
тах, где уступы не обновляются, образуется, когда на уступы,
сложенные бурыми глинами и суглинками, стекают атмосферные
воды со значительной поверхности и обрушающиеся глины созда-
ют подпор вод, стекающих по слою трещиноватых кремнистых
опок, подстилающих отложения глин и суглинков.
74
Являясь хорошим проводником воды, опоковый слой способ-
ствует осушению вышележащих глин и суглинков при наличии
свободного стока воды в борт карьера или в дренажные выработ-
ки. При обеспечении свободного выхода воды из опокового слоя
уступы, даже достигающие высоты 10—12 м, не обрушаются,
а лишь осыпаются.
При создании подпора опоковых вод уровень грунтовых вод
повышается и глины насыщаются водой и обрушаются. Этот
подпор создается не только обрушающимися глинами, но и осы-
пающимися.
На южном борту Коркинского карьера в районе так назы-
ваемого активного оползня за период с 1942 по 1950 г. ширина
полосы, подвергшейся обрушению, достигла 56 м. Насыщенные
водой обрушившиеся глины и суглинки, сползая на нижележащие
уступы коренных пород, создали оползневый склон площадью
около 40 тыс. м2.
На Коркинском и Батуринском карьерах после выемки за-
ходки обнажается опоковый слой, и вода свободно вытекает из
него. С течением времени вследствие отсутствия заоткоски у под-
ножья уступа образуется осыпь, преграждающая выход воде из
опокового слоя, и на этих участках происходит обрушение уступа.
Если не создавать обнажения этого слоя, то последующее обру-
шение произойдет более интенсивно. На участках этих карьеров,
где нет опоковых вод, уступы высотой до 1'5 м сохраняют устой-
чивость на протяжении 2—3 лет, а на участках, где имеются опо-
ковые воды, оползни продолжаются и в настоящее время.
Для предотвращения оползней уступов, сложенных глинами
и суглинками, в условиях, аналогичных Коркинскому и Батурин-
скому карьерам, необходимо проводить следующие мероприятия:
а) ликвидировать все впадины, в которых может .скапливаться
вода в прибортовой полосе шириной не менее 100 м от верхней
бровки карьера;
б) на участках, где имеется выход вод из опоковых и других
водоносных слоев, не допускать подпора последних осыпающи-
мися или обрушающимися породами. Для этого необходимо рас-
полагать откосы уступов под углом 40—45°; при оставлении усту-
пов на' длительное время или при небольшой высоте уступов —
укладывать трубы и крытые лотки поперек уступа в местах вы-
хода воды;
в) воду, поступающую на площадку уступа из опокового слоя,
отводить по канавкам к водосборнику, а оттуда производить от-
качку или перепускать по лоткам к водосборникам на нижних
горизонтах.
При выдержанном залегании водоносного слоя следует про-
ходить дренажный штрек параллельно борту. При невыдержан-
ном (холмистом) залегании опокового слоя дренажные штреки
часто оказываются неэффективными. Так, в районе «активного
оползня» на Коркинском карьере в 1943 г. была пройдена система
75
дренажных горных выработок, включающая ряд шурфов, сбитых
горизонтальными выработками. В эти выработки почти не по-
ступала вода, а оползень продолжался до 1953 г., т. е. до тех пор,
пока не был обновлен борт.
При выемке пород, в которых были пройдены дренажные вы-
работки, оказалось, что опоковый горизонт залегает в виде чере-
дующихся холмов и впадин. Вода текла по впадинам опокового
слоя в борт карьера и в дренажные штреки, находящиеся выше
этого горизонта, не поступала. Поэтому дренажные выработки
никакого влияния на устойчивость борта не оказывали. При хол-
мистом залегании водоносного слоя с небольшим дебитом, когда
нерационально организовывать водоотлив из этого слоя, можно
применись перепуск воды через поглощающие скважины, пробу-
Рис. 30. Оползни глин и суглинков на Ермолаевском карьере:
/—навал пород; 2— бурые суглинки; 5—направление движения воды
репные в пониженных участках водоносного слоя, в дренирую-
щиеся водоносные слои нижележащих коренных (угленосных)
пород.
4. На Ермолаевском карьере, где мощность бурых глин и суг-
линков большая, и они залегают на водонепроницаемых породах,
отдельные участки борта высотой до 27 м, имеющие углы откоса
30—35°, подвергаются систематическим оползням (рис. 30). На
земной поверхности, вблизи борта, отдельные участки не имеют
впадин, в которых могли бы накапливаться воды атмосферных
осадков. Причиной образования оползней на этих участках яв-
ляется подток грунтовой воды по суглинкам, пескам и галечни-
кам с возвышенности, располагающейся недалеко от борта.
В скважине, пробуренной в 50 м от борта на совершенно ровном
месте, вода встречена на глубине 2 м. Грунтовые воды выходят
в борт на глубине 2—5 м от поверхности.
Непрерывный подток воды к борту способствовал разуплот-
нению пород в борту, уменьшению их прочности и образованию
оползней.
Для уяснения сущности процесса разуплотнения пород при
непрерывном подтоке воды полезно привести следующее описание
взаимодействия воды и рыхлой глинистой породы, данной проф.
76
IL M Герсевановым [7]: «...при отрытии котлована для фунда-
мента ниже уровня грунтовых вод вода должна поступать в кот-
лован либо вместе с грунтом, либо в виде открывающихся клю-
чей. Однако .подобное явление возможно лишь в том случае, когда
грунтовой скелет состоит из жестких частиц».
Если в грунтовой массе с упругим скелетом (глина, суглинки)
вырыть котлован или ров, явление будет совершенно иное: «Грун-
товый скелет на дне котлована в естественном состоянии сжат
весом всего слоя земли, лежащего выше уровня дна. При устра-
нении этого веса скелет на дне котлована немедленно расширил-
ся бы, если бы в его порах не было воды. Но благодаря присут-
ствию воды и весьма малой расширяемости ее по сравнению
с расширяемостью упругого скелета на дне образуются вогнутые
мениски, которые своим давлением на скелет заменяют давление
снятого слоя грунта. Таким образом, влажность грунта в первое
время останется неизменной. Но в силу образования менисков
на поверхности дна напор в грунтовой воде в этом месте снизится
Ро
на величину -у
где Ро — давление от снятого слоя грунта; в
силу этого начнется движение воды из всей окружающей грун-
товой массы к котловану, и дно начнет разбухать и увлаж-
няться».
Этот процесс разбухания рыхлых горных пород вокруг прове-
денной выработки при наличии подтока воды и ведет с течением
времени к образованию оползней глин, суглинков и подобных им
пород, даже при углах откоса, меньших углов внутреннего тре-
ния этих пород. Наличие неоднородного строения отложений глин
и суглинков только способствует более быстрому их разбуханию
и образованию оползней.
Если уступы высотой более 8—10 м сложены глинами и суг-
линками и их необходимо оставлять на длительное время, то
даже при обеспечении внутреннего дренажа в зависимости от
высоты уступа и состава пород им устанавливаются углы откоса
35—45°, так как образующиеся осыпи при насыщении водами
атмосферных осадков тоже могут создавать оползни.
5. На западном борту Коркинского карьера наблюдается опол-
зень, который может характеризовать явление выноса частиц
породы из откоса (суффозию). На глубине около 25—28 м от
земной поверхности под четвертичными бурыми глинами и суг-
линками и третичными опоковыми глинами залегает слой трещи-
новатой кремнистой опоки мощностью до 1 м. Слой опоки водо-
носный, слегка всхолмлен, вода поступает в борт в местах пони-
жения слоя. Опоковый слой подстилается слоем песчаника на
глинистом цементе, который в свежем обнажении имеет значи
тельную прочность, но при отсутствии всестороннего давления на
него очень легко размокает и выносится водой. При обнажении
опокового слоя и песчаника (рис. 31,а) песчаники легко размо-
77
кают и выносятся водой, вследствие чего происходят естествен-
ная подработка уступа и последующее его обрушение.
Для борьбы с оползнями такого рода на участке выхода воды
из опоки и предотвращения размыва песчаника применяют от-
сыпку из щебня или гравия до уровня водоносного слоя
(рис. 31,6) или подошву уступа располагают по размывающемуся
Рис. 31. Оползень-суффозия на западном борту Коркинского
карьера и меры защиты:
/—бурые суглинки; 2—трещиноватая опока; 5—песчаник, /—гравий
слою песчаника (рис. 31,в), а вытекающую из опокового слоя
воду собирают в желоба и по ним перепускают на нижележащие
горизонты до водосборника.
§ 3. ОПОЛЗНИ НАСЫЩЕННЫХ ВОДОЙ НАВАЛОВ ГЛИН
ПО ПОВЕРХНОСТИ КОРЕННЫХ ПОРОД
Если глубина открытых разработок не выше предельной глу-
бины упругого состояния горных пород и дренажные работы про-
изведены, то борт карьера, имеющий угол наклона, равный углу
внутреннего трения пород, будет в целом устойчивым. Но с те-
чением времени отдельные участки борта могут перейти в пла-
стическое состояние или обрушиться под влиянием развития тре-
щиноватости на крутых участках и обводнения дождевыми и та-
лыми водами.
Таким путем на устойчивых откосах постепенно накапливается
оползневый материал.
Такие оползни, движущиеся по поверхности коренных пород
и огибающие все их пороги, наблюдаются на Коркинском и Пер-
вом Волчанском карьерах. Они имеют местный характер, но при
неправильном ведении горных работ увлекают значительные мас-
сы пород и приносят большой ущерб предприятию.
Рассмотрим несколько примеров оползней этого вида.
78
1. Оползень борта на участке № 2 Южного Коркинского карьера
Этот оползень образовался в 1946 г. после последовательных
обрушений верхних уступов, сложенных рыхлыми породами.
В период Первого обследования летом 1950 г. он охватывал уча-
сток площадью до 15 тыс. ж2 (по простиранию до 60 м и по па
дению до 300 ж). Контур борта ко времени первого наблюдения
(рис. 32) изображен сплошной, а контур его отработки до воз-
никновения оползня — пунктирной линией. На этом же рисунке
представлены векторы смещения реперов за один год наблю-
дений.
Наблюдениями установлено следующее:
1) наибольшие величины подвижек реперов наблюдаются на
участках наибольшей высоты навалов рыхлых пород;
2) среди смещающихся реперов по линии наблюдений имеются
и неподвижные, если они заложены в невысоком навале глин;
3) покровные отложения в естественных условиях, залегающие
до глубины 15—18 м от земной поверхности, оползли на этом
участке по откосу борта до глубины 90 м и продолжают медленно
ползти дальше со скоростью до 250 мм в год;
4) небольшая ширина оползня по простиранию (50—60 м)
указывает на сравнительно небольшую мощность сползающего
материала.
Наблюдения показали, что все смещения реперов приурочены
к оползням навалов глин на уступах борта, коренные же породы
остаются неподвижными.
В период наблюдений по 4-й линии реперов обрушились два
первых уступа борта, что подтвердило характер и причину обра-
зования оползня на данном участке. При экскавации пород и
укладке путей на площадках уступов создаются впадины, напол-
няющиеся водой во время дождей и снеготаяния; сток воды из
этих впадин отсутствует.
Лужи не пересыхали в течение всего летнего периода. Вслед-
ствие насыщения пород водой и произошло обрушение двух пер-
вых уступов, после которого разрыхленные породы получили
возможность еще большего насыщения водой. С этого времени
насыщенные водой глины начали непрерывно двигаться вниз по
склону, а последующие обрушения верхних уступов увеличивали
массу сползающих глин.
2. Оползень на южном борту Коркинского карьера
В 1942 г. на южном борту Коркинского карьера в районе
первого углеподъемника возник так называемый активный опол-
зень, продолжавшийся до 1954 г. Строение этого участка борта
изображено на рис. 33, где пунктиром обозначен контур отработки
борта, а сплошной линией — контур борта по состоянию на пе-
риод наблюдений в 1951 г.
79
Рис. 32. Оползень навалов глин на участке № 2 Южного Коркчнского карьера
&>
Sa
Фисенко
Рис. 33. „Активный* оползень на Коркинском карьере:
а—векторы смещения в вертикальной плоскости реперов, заложенных на поверхности оползня; б—геологический
разрез по оползню
оо
Коренные породы на этом борту сдренированы выработками,
пройденными в лежачем боку.
Начиная с 1942 г., незаоткошенные покровные отложения на
этом участке периодически обрушаются и оползают вниз.
Этому обрушению способствует как подток воды по опоковому
слою и водосток к этому участку по земной поверхности, так и
отсутствие заоткоски верхнего уступа, сложенного глинами и суг-
линками. С 1942 по 1950 г. подверглось обрушению около 55 м
массива борта вкрест простирания и около 50—70 м по прости-
ранию. Обрушившиеся и оползающие породы захватили площадь
около 36 тыс. .м2.
Рис 34. Общий вид «активного* оползня
Общий угол откоса борта на участке составляет в западной
части 14°, в восточной части 21°. Поверхность оползня — бугри-
сто-котловинная, исключающая сток поверхностных вод.
Отдельный участок поверхности этого оползня представлен
на рис. 34.
В 1950 г. между реперами № 9 и 10 6-й линии наблюдений
был пройден шурф глубиной 6,5 м, который пересек 4,5 м навалов»
суглинков, 0,-5 м навалов угленосных пород и 1,5 м ненарушенного
массива коренных пород.
В шурфе было заложено семь реперов. За период с 3/Х 1950 г.
по 10/VIII 1951 г. шурф был срезан по контакту суглинков с ко-
82
ренными породами, при этом верхняя часть, пройденная в на-
валах суглинков, сместилась до 900 м, а нижняя часть, пройден-
ная в подрезанном треугольнике, сместилась до 300 мм.
Векторы смещений реперов, заложенных в шурфе и по по-
верхности оползня, изображены на рис. 33 и 35. Наблюдения до-
вольно убедительно показывают, что на этом участке движутся
суглинки и местами увлекают подрезанные слои угольных пород
вследствие незначительного сцепления пород по контактам слоев,
для сдвижения которых достаточно небольших касательных
усилий.
Репер № 5, заложенный в верхней части борта в покровных
отложениях, за 11 месяцев переместился на 6,845 м, почти не из-
менив своей высоты, что указывает на его движение по естествен-
ной поверхности угленосных пород. Скорости движения реперов,
заложенных в средней и нижней части оползня, в несколько раз
меньше, чем скорости сдвижения реперов, заложенных в покров-
ных отложениях.
Направление векторов смещения реперов совпадает или с на-
слоением пород, или с поверхностью борта, или с поверхностью
уступов, по которым движутся насыщенные водой глины и суг-
линки. Выпирания и поднятия реперов в нижней части оползня
не происходит.
В восточной части этого оползня, где падение пластов круче,
чем в западной, и достигает 20° внизу и 40° вверху, давлением
сползающих глин и суглинков полностью срезаны все треуголь-
ники, оставленные в почве выработки, и весь борт движется по
подрезанным контактам между слоями угленосных пород.
После подготовки нового горизонта по углю образовавшийся
новый подрезанный треугольник в почве выработки очень скоро
сдвигается и начинает перемещаться в направлении к угольному
забою. Это движение прекращается после образования дамбы
в угольной траншее.
При проходке новой траншеи скорость движения реперов до-
стигала 330 мм в сутки. Характер изменения скорости движения
реперов на этом участке иллюстрируется рис. 36. Направление
векторов смещения реперов совпадает с наслоением пород от низа
оползня до верха. Выпирания реперов в нижней части не проис-
ходит.
Натурными испытаниями прочности горных пород установ-
лено, что сцепление по наиболее слабым контактам слоев со-
ставляет 1—3 т/м2, а угол внутреннего трения — 20—25°. Поэтому
в условиях залегания слоев, подобных рассматриваемому участку,
для скольжения по наслоению достаточно небольших касательных
усилий, создающихся на крутой верхней части поверхности сколь-
жения (где наблюдались скорости до 530 мм в сутки). Накопле-
ние глинистого материала на крутой части поверхности скольже-
ния создается в результате систематического обрушения верхних
уступов, сложенных глинами и суглинками.
6* 83
Рис. 35. Разрез по шурфу, пройденному в оползне:
а—векторы смешений в вертикальной плоскости, б—разрез по шурфу, /-навалы суглинков; 2— навалы мезозойс-
ких пород; 3—мезозойские породы
Выход воды из опокового слоя в некоторой степени способ
ствует ослаблению контакта, по которому происходит скольжение,
в результате просачивания воды по навалам суглинков.
3. Оползни в районе углеподъемника № 1-бис
Коркинского карьера
Западнее активного оползня в районе углеподъемника
№ 1-бис на южном борту Коркинского карьера, начиная с 1944 г.,
в результате обрушения верхних уступов возник ряд оползней.
Вначале они увлекали небольшую массу пород, но потом объеди-
нились z и создали угрозу углеподъемнику. К моменту возникно-
вения этого оползня на уступах борта находились навалы породы
высотой до 15—17 м, расположенные грядами, вытянутыми па-
раллельно бровкам уступов, которые создавали возможность скоп-
ления воды, подпитывания подрезанных контактов слоев и их
ослабления.
В 1945 г., когда оползень создал угрозу повреждения дейст-
вующего углеподъемника, на этом участке были спланированы
навалы пород на уступах, и борту был придан равномерный склон
под углом 18—20°, обеспечивающий сток поверхностных вод.
С целью локализации оползня, начиная с горизонта 190 м (глу-
бина 45 л0, начали оставляться целики угля мощностью в 15—
20 м и длиной по простиранию до 600 м. В этих целиках было
потеряно более полмиллиона тонн готового к выемке угля. После
проведения этих мероприятий оползень прекратился. Строение
борта на этом участке изображено на рис. 37.
Инструментальными наблюдениями установлено, что покров-
ные отложения у верхней бровки испытывают небольшие дефор-
мации, но при наличии заоткоски эти деформации не развива-
ются до образования активного оползня.
Целики ни в какой мере не способствовали локализации
оползня, так как при отсутствии заоткоски и стока вод разрыхлен-’
ные суглинки получают возможность беспредельного насыщения
водой и могут растекаться на больших площадях по горизонталь-
ной площадке и свободно сползать с уступа на уступ.
4. Оползни на западном борту Волчанского карьера № 1
На западном борту Волчанского карьера № 1, где вследствие
осушения пород лежачего бока глубинные оползни коренных по-
род не происходят и угол борта лежачего бока при глубине раз-
работок до 50—60 м достигает на отдельных участках 30°, систе-
матически происходит сползание по контактам слоев подрезанных
треугольников, оставленных в почве выработки. Вследствие этих
оползней происходят большие потери угля (на рис. 38 они за-
штрихованы).
При падении слоев под углом 30° в сторону выемки устойчи-
вость уступов по подрезанным контактам обеспечивается лишь
85
99
SO StoIS2O2SM
в
Рис. 36. Разрез через восточную часть активного оползня:
а—график скоростей движения реперов; д’—векторы смещения реперов; в—разрез по линии наблюдений
a
л/
Рис. 37. Оползень глин у подъемника № 1-бис Коркинского карьера:
а—векторы смещения; разрез по линии наблюдения
при условии недопущения застоев воды и отсутствии навалов по-
род на площадках уступов.
При наличии внешнего дренажа навалы пород на уступах
можно создавать лишь тогда, когда угол падения слоев меньше
угла внутреннего трения по контактам слоев, т. е. положе 20—25°,
а при обеспечении соответствующего запаса устойчивости вну-
тренние отвалы можно создавать лишь при падении слоев положе
15°. На Волчанском карьере № 1 при отсутствии внешнего дре-
нажа на подрезанных треугольниках создавались навалы попут-
ной породы при падении слоев до 30°.
Рис. 38. Оползень навалов на Волчанском карьере Хе 1:
/—песчаная глина; 5—навалы, 3—уголь; 4—аргиллит; 5—глинистый песчаник; 6—конгломерат
Естественно, что в таких условиях трудно рассчитывать на
устойчивость этих треугольников. Вследствие наличия впадин на
площадках уступов и скопления воды оползание подрезанных тре-
угольников, нагруженных навалами, по контактам слоев происхо-
дит и при падении слоев под углом менее 15°.
Исследования устойчивости бортов на Коркинском карьере по-
казали, что в условиях обводнения площадок уступов, сложенных
подрезанными слоями, сползание при падении слоев в 15—20°
происходит и без дополнительной нагрузки в виде навалов (во-
сточный борт участка «Борода»),
Из рис. 38 видно, что величина породных навалов на подре-
занных треугольниках на Волчанском карьере № 1 незначительна
по сравнению с потерями угля, образующимися вследствие опол-
89
зания верхних треугольников вместе с находящимися на них на-
валами пород. При этом следует учитывать, что эта порода пере-
катывается с уступа на уступ по мере углубления работ, т. е. один
и тот же объем породы создает потери угля на ряде уступов.
Эта же порода неоднократно поднимается из угольной траншеи
на вышележащие уступы и с течением времени снова оползает.
Трудно представить себе еще более непроизводительную работу,'
чем многократная переэкскавация небольших объемов породы,
сползающей на подрезанных треугольниках лежачего бока.
5. Оползень-оплывина на участке «Борода»
Коркинского карьера
На участке «Борода» восточного борта Коркинского карьера
в июне 1950 г. произошел оползень-оплывина, охвативший до
20 тыс. м? поверхности борта (рис. 39, 40).
Породы на этом участке залегают в форме синклинальной
складки, вытянутой с юга на север. Падение слоев западного
крыла 30—35°, восточного — 50—60°. Породы представлены че-
редующимися слоями аргиллитов, алевролитов, песчаников и угля,
а покровные отложения — частично опоковыми глинами и в боль-
шей степени бурыми суглинками. Мощность последних на этом
участке достигает 8—10 м.
Слой трещиноватых опок, подстилающий покровные отложе-
ния, залегает на размытой поверхности угленосных пород и на
протяжении всего восточного борта значительно водообилен.
На глубине 70—75 м от земной поверхности складка проре-
зана квершлагом, пройденным с запада до оси синклинали, бла-
годаря чему чередующиеся слои пород аргиллитов, алевролитов,
песчаников и угля оказались осушенными до этой глубины. Кроме
того, в восточном борту севернее участка «Борода» пройдена
шахта № 29-бис глубиной 200 м, осушившая коренные породы
восточного борта. Обеспечение подземного дренажа предотвра-
тило образование глубинных оползней коренных пород как на
западном борту, где имелась значительная подрезка при угле
откоса борта 30—35°, так и на восточном.
Водоупорность размытой поверхности угленосных пород пре-
дотвращает фильтрацию воды из опокового слоя в сдренирован-
ные слои коренных пород, поэтому вода из этого слоя вытекает
в борт в виде отдельных ключей и растекается по уступам. К мо-
менту первого обследования, на всех трех вскрышных уступах ле-
жали насыщенные водой навалы суглинков и опоковых глин.
Накопление глинистого материала происходило в течение дли-
тельного времени вследствие ряда обрушений покровных отло-
жений. Обрушившиеся глины и суглинки насыщались водой, вы-
текающей из опокового слоя, и расползались сначала по первой
площадке, а затем сползали на площадку второго rf третьего
уступов (рис. 41).
90
Рис. 39. Профиль оплывины па участке «Борода* Коркинского карьера:
/—контур отработки уступов, 2—контур борта при первой съемке; 3—контур борта после
оплывины; 4—оползень, 5— алевролит, 6—песчаники; 7—угопь с породой, 8—-уголь; 9— водонос-
ная опока; 10—apiиллит
Рис. 40. Общий вид оплывины
91
Гис. 41. Вид отдельных участков поверхности оплывины
92
Вода, пробивая себе дорогу в этих глинах, стекала в угольную
траншею. Общий вид борта в этом участке до глубины 37 м пред-
ставляет собой оползневый склон. Через месяц после первой ин-
струментальной съемки поверхности участка на первом уступе
борта была взята одна экскаваторная заходка, причем*порода
не погружалась на транспорт, а сваливалась на насыщенные во-
дой навалы. Последнее вызвало бурную активизацию оползня,
и в течение трех дней оползающие массы полностью заполнили
третий породный уступ и перекрыли три нижних угольных уступа.
Повторных наблюдений реперов, заложенных на уступах бор-
та, произвести не удалось, так как все они были заложены на
навалах и снесены в угольную траншею. Повторная съемка по
временным точкам, заложенным в местах нахождения реперов,
наблюдавшихся в первой серии, показала, что все участки корен-
ных пород, выступающие на профилях (над бровками уступов
коренных пород), оказались на прежних местах как по высоте,
так и по расстоянию от начального репера. Последнее подтверж-
дает, что коренные породы в движении не участвовали, а двига-
лись лишь насыщенные водой суглинки и глины, огибающие при
движении «пороги» коренного массива.
§ 4. ОПОЛЗНИ И ОБРУШЕНИЯ УСТУПОВ КОРЕННЫХ ПОРОД
ПО ПОДРЕЗАННЫМ КОНТАКТАМ МЕЖДУ СЛОЯМИ
При подрезке контактов слоев на угольных карьерах уступы
высотой в 10—15 м обрушаются при падении слоев под углами
35—40°. Если же на площадках уступов в течение длительного
времени находится вода, то скольжение по наслоению пород про-
исходит и при падении слоев в 10—12°.
Исследование показало, что поверхности скольжения приуро-
чены к контактам трещиноватых водопроводящих или водоносных
песчаных пород со слоями глин, аргиллитов или алевролитов. При
этом у поверхности контакта водопроводящих пород с глинами,
аргиллитами и алевролитами тонкий слой толщиной не более
1—1,5 см насыщается водой до текучего состояния (влажностью
до 40—50%).
Вода, застаиваясь на верхней площадке уступа, профильтро-
вывается до водопроводящего слоя, стекает по нему и смачи-
вает в течение длительного времени нижележащий водонепрони-
цаемый глинистый слой, что приводит к размоканию его поверх-
ности (рис. 42).
Оползни этого вида наблюдаются там, где имеется скопление
воды на площадках уступов.
На восточном борту Коркинского карьера на протяжении 1 км
из опоки выходит вода в пяти-шести местах и, растекаясь по всем
уступам, образует большие скопления (рис. 43). В этих местах
при падении слоев в сторону выемки происходят систематические
93
оползания уступов по контактам слоев. Такие оползни происходят
и на других участках бортов Коркинского, Волчанского и Ермола-
евского карьеров.
Характерным для оползней этого вида является то, что век-
торы движения реперов, заложенных по поверхности оползня,
Рис. 42. Оползень по подрезанному контакту
параллельны наслоению на всем протяжении оползня от низа до
верха. Оползни этого вида могут быть полностью предотвращены
устройством поперечных канавок на площадках уступов и обес-
печением Полного организованного стока вод атмосферных осад-
ков и вод, выходящих из горных пород.
§ 5. ГЛУБИННЫЕ ОПОЛЗНИ КОРЕННЫХ ПОРОД
ЛЕЖАЧЕГО БОКА
На угольных карьерах, разрабатывающих месторождения, сло-
женные наклонными слоями пород, наибольшей величины оползни
происходят на борту лежачего бока.
Так, на Батуринском карьере в 1946 г. произошел большой
оползень, охвативший борт лежачего бока по простиранию до
500 м, объемом пород более 1 млн. м3. На карьере № 1 треста
Вахрушевуголь оползень лежачего бока вначале охватил участок
около 650 м по простиранию и до 250 м по падению, а затем,
действуя в течении 7 лет, увеличился до 900 м по простиранию
и до 360 м по падению, охватив породы на глубину до 25 м,
объемом до 6 млн. л<3. Борт лежачего бока на карьере № 4 треста
Волчанскуголь был охвачен оползнем на всем своем протяжении,
достигающем 1,5 км. Объем оползающих масс вначале составлял
около 5 млн. м3, а при углубке работ значительно увеличился. Де-
тальное изучение оползней дало чрезвычайно ценные материалы,
указывающие на причины возникновения оползней огромных объ-
емов в борту лежачего бока. Это позволяет разработать меро-
94
приятия по предотвращению оползней в аналогичных условиях
залегания.
Глубинные оползни коренных пород характеризуются тем, что
векторы сдвижения реперов, заложенных по поверхностям ополз-
Рис. 43. Скопление воды на площадках уступов восточного борта
Коркинского карьера
ня, в верхней части параллельны наслоению или имеют крутое
падение в сторону выемки, а в нижней части выполаживаются и
направлены вверх.
1. Оползень борта лежачего бока на Батуринском
карьере
Батуринский карьер имеет протяжение более 3 км с юга на
север и ширину около 400 м. Наибольшая глубина карьера к на-
чалу образования больших оползней составляла 60—65 м. Угле-
носные отложения образуют асимметричную мульду с более по-
логим восточным и крутым западным крыльями. В северной части
карьера западное крыло срезано взбросом. Как в северной, так и
в южной части карьера открытые разработки начались с восточ-
ного крыла с постепенным погружением работ на запад.
Падение восточного крыла в южной части составляет 30—35°,
в северной — 50—65°. Угольная толща, достигающая общей мощ-
ности 40 м, в верхней части сложена малозольными, а в нижней
95
разубоженными углями. Разрабатываемый угольный пласт под-
стилается аргиллитами с прослойками алевролитов и песчаника
с включением тонких угольных слоев. Слои песчаников и углей
водоносны, а аргиллиты и алевролиты имеют высокую влаж-
ность.
Угленосные породы прикрыты третичными отложениями опо-
ковых глин и четвертичных суглинков общей мощностью 15—18 м,
а покровные отложения подстилаются слоем трещиноватых крем-
нистых водоносных опок мощностью 0,5—1,0 м.
Первые оползни на этом карьере при глубине работ до 25 м
образовались в покровных отложениях. В апреле 1945 г., когда
горные работы углубились до 60—65 м, на южном участке Бату-
ринских карьеров появились первые оползни угленосных пород.
Ими было охвачено около 500 м борта по простиранию. Строение
борта в районе оползней изображено на рис. 44. Угол откоса
борта до оползания составлял от 18 до 28° и на всем протяжении
участка подрезки слоев не было, а угол откоса борта был положе
угла падения слоев.
В момент появления закола на поверхности оползня была
заложена наблюдательная станция из четырех профильных ли-
ний с направлением по падению восточного борта. За два месяца
на ней было проведено пять серий наблюдений. Результаты на-
блюдений в виде векторов перемещения реперов по профильным
линиям представлены на рис. 44, а, б, в. За этот период переме-
щение реперов по наклонной плоскости достигло 16 м, а в ниж-
ней части оползня произошло поднятие реперов до 6 м.
Исследуя величину векторов перемещения на отдельных ли-
ниях, можно сделать вывод, что массив оползня перемещался как
одно целое без разрывов и изломов, так как величины векторов
смещений примерно одинаковы. Это указывает на неизменность
длин интервалов между реперами в период движения оползня.
Построенные по маркшейдерским наблюдениям поверхности
скольжения оползня на Батуринском карьере изображены на
рис. 44 пунктирными линиями. Из построений видно, что по ли-
ниям II и IV (рис. 44,а и б) поверхность скольжения в верхней
и средней частях проходила по контактам слоев, а в нижней ча-
сти выполаживалась, пересекая слои, и поднималась кверху, от-
чего и реперы в нижней части оползня поднимались кверху. По
линии III (рис. 44,в) поверхность скольжения не совпадала с на-
слоением пород, а постепенно изменялась от крутопадающей в
верхней части до пологой в средней и поднимающейся в нижней
части, принимая вид плавной кривой, по форме близкой к окруж-
ности. Причиной образования этого оползня является отсутствие
дренажных работ в породах лежачего бока. На этом карьере
дренажные выработки проходили только по разрабатываемому
угольному пласту и нигде не пересекали пород лежачего бока.
Необходимо отметить, что оползень не охватил покровных отло-
жений, которые на этом участке были осушены и имели угол от-
96
Рис. 44. Оползень восточного борта Батуринского карьера
7 Г Л Фисенко
97
коса 40—45°. В южной части оползня осушение производилось
путем стока воды из опокового слоя в карьер, а в северной ча-
сти — дренажным штреком, пройденным по опоковому горизонту.
2. Оползни западного борта карьера № 4
треста Волчанскуголь
Волчанский карьер № 4 разрабатывал пласт угля мощно-
тью 20—30 м, залегавший в слоях аргиллитов, алевролитов и
рыхлых песчаников на глинистом цементе. Угленосные отложения
Рис. 45. Оползни бортов Волчанского карьера:
а—план; б—разрез по линии 27: в-разрез по линии 30; /—борт карьера;
2— контур оползня
залегали в виде брахисинклинали, имеющей протяжение с юга
на север более 1,5 км и ширину около 350 м, максимальная глу-
бина почвы пласта составляла 80 м (рис. 45). На западном крыле
угол падения на выходах пласта достигал 30°, а на восточ-
ном — 80°.
Глина и суглинки, которыми прикрыты угленосные отложения,
достигали мощности 8—10 м. Рельеф на участке открытых раз-
работок представлял совершенно ровную заболоченную мест-
ность, уровень грунтовых вод совпадал с земной поверхностью.
Ниже разрабатываемого пласта залегает третья свита тонких
угольных слоев, отделяющаяся от верхнего пласта слоями аргил-
литов, алевролитов и рыхлых песчаников на глинистом цементе
общей мощностью 25—30 м.
Осушение месторождения осуществлялось путем откачки из
скважин, пробуренных по оси синклинали до почвы разрабаты-
ваемого пласта.
98
Отработка пласта производилась с запада на восток с посте-
пенной углубкой. При глубине разработок около 25 м произошли
первые оползни покровных отложений и верхов угленосных отло-
жений ввиду, отсутствия дренажа прибортовой полосы.
При углубке работ до 40 м западный борт на всем протяжении
карьера начал оползать по кровле третьей свиты угольных слоев.
Оползнем была захвачена площадка земной поверхности, приле-
гающая к борту, шириной до 120 м. Оползень проявлялся в виде
оседания полосы земной поверхности на 10—15 м и поднятием
пород в призабойной части до 7—10 м.
При дальнейшем развитии горных работ оползающие породы
двигались вслед за уходящим забоем по поверхности лежачего
бока. Поднятие призабойной части лежачего бока во время вы-
емки уменьшается до 2—3 м. Полного среза пород в призабойной
части не происходит. При продвижении забоя на 40—50 м от ниж-
ней линии среза пород первого оползня образовался новый опол-
зень пород лежачего бока с интенсивным поднятием призабойной
части и образованием полного среза. Этот оползень не захваты-
вает всех пород первого оползня, т. е. происходит как бы опол-
зень в оползне (рис. 46). Инструментальными наблюдениями
установлено, что после затухания интенсивных подвижек второго
цикла оползней происходит медленное движение всего массива
по кровле третьей угленосной свиты с заметным поднятием приза-
бойной части.
Во многих участках из кровли обнажившейся третьей угле-
носной свиты и в месте образования закола вторичного оползня
наблюдался выход воды.
При подходе работ к восточному крылу пласта в южной части
карьера произошел «закол» площадки земной поверхности шири-
ной до 70 м, а по простиранию до 300 м. «Заколовшаяся» пло-
щадка получила неравномерное оседание до 2,5 м (большее у
трещины и меньшее у верхней бровки карьера) (рис. 47). Распо-
ложенные на площадке уступа железнодорожные пути перемести-
лись в сторону подошвы карьера без заметного движения в вер-
тикальной плоскости, а угольный забой, судя по маркшейдерским
данным, поднялся и подвергся интенсивному осыпанию. Эти на-
блюдения позволяют сделать вывод, что на описываемом участке
пришел в движение весь борт. Ориентировочная Граница оползня
на рис. 47 изображена пунктирной линией. Здесь еще не произо-
шел полный срез пород и не образовалась замкнутая поверхность
скольжения.
Путем перевода работ по углю с западного на восточный уча-
сток и создания дамбы в угольной траншеё удалось остановить
развитие оползня на этом участке.
При развитии работ на восточном крыле до глубины 40 м
образовался такой же закол поверхности, как и на западе. С во-
сточной стороны третья угленосная свита не выходила под по-
кровные отложения, и закол не был связан с образованием
7’ 99
скольжения по кровле угольного пласта, как это имело место
на западном крыле.
Анализируя вышеизложенное, приходим к выводу, что глав-
ной причиной образования оползней на Волчанском карьере № 4,
как и на Батуринском карьере, является отсутствие внутреннего
дренажа пород, слагающих борта.
Рис. 46. Образование повторного оползня западного борта на
Волчанском карьере № 4:
/—поверхность до оползан; 2—поверхность после первого оползня, 3— после второго
оползня; 4—поверхность скольжения
Рис. 47. Оползень восточного борта в южной части Волчанского
карьера № 4
Такой вывод вытекает из следующих соображений.
1. Если бы причиной оползней было скольжение по слабым
контактам по наслоению пород, то легче всего оно происходило
бы по контактам, подрезанным горными выработками, например,
в южной части восточного борта (см. рис. 47).
В действительности же скольжение происходит по контактам
слоев, не имеющих подрезки и обнажения какими-либо дренаж-
ными выработками, или вообще не совпадает с контактами слоев.
2. Учитывая, что уровень грунтовых вод до проведения от-
крытых разработок совпадал с земной поверхностью, а при раз-
работке слои пород лежачего бока не пересекаются выработками
и, следовательно, в них сохраняются высокие напоры, достигаю-
КО
щие величины нормального давления по наслоению, можно
утверждать, что в таких условиях водное давление в породах ле-
жачего бока оказывает решающее влияние на образование ополз-
ней.
Действительно, на участке, где глубина карьера достигает
40 ле в подстилающих породах, на расстоянии 20 ле от почвы
пласта, т. е. на глубине 60 м от земной поверхности, напор воды
достигал 60 т/м2. После выемки на этом участке, когда произошла
разгрузка 40 ле столба породы и остался только столб высотой
20 ле и весом 20 X2,25 =45 т/ле2 (соэ2а пренебрегаем ввиду поло-
гого залегания), водное давление достигло 45 т/ле2. Другими сло-
вами, породы лежачего бока полностью поддерживаются давле-
нием воды и вследствие этого получают способность разуплот-
няться. Таким образом, водное давление не только уменьшает
нормальное давление пород по наиболее слабой поверхности,
а следовательно, и силы трения по поверхности скольжения, но и
способствует непрерывному разуплотнению пород и уменьшению
их прочности вследствие уменьшения эффективного давления в
подстилающих породах от
Я(Т~ 1) до A? — Dif
где h — высота от поверхности борта;
К — объемный вес пород;
Dj —водное давление в породах после проведения разра-
боток на данном участке.
Когда причина образования оползней заключается не в раз-
уплотнении пород, оползни проявляются сразу после проведения-
выемки. Если же устойчивость, борта нарушается лишь по исте-
чении значительного времени, то это происходит вследствие раз-
уплотнения пород, как это наблюдается в котлованах под соору-
жения [7].
При разбуривании оползня на Волчанском карьере № 4
Богословской геологоразведочной партией треста Свердловск-
углегеология установлено увеличение влажности пород у по-
верхности скольжения при приближении к водоносному угольному
пласту.
Несмотря на то, что все скважины в оползне были пробурены
только до глубины 20—25 м от земной поверхности, где эффектив-
ное давление пород до и после разработок имело незначительное
различие, наблюдалось явное увеличение влажности до 45—50%
при приближении к поверхности скольжения, в то время как
в верхних слоях влажность составляет 20—30%. Как указывает
проф. Н. М. Герсеванов, такое явление происходит только при
фильтрации воды снизу вверх.
Велчанский карьер № 4 по характеру пород, подстилающих
разрабатываемый угольный пласт, являлся исключительно благо-
101
приятным для организации дренажных работ. Необходимо было
осушить не только разрабатываемый угольный пласт, но и уголь-
ные слои третьей свиты, что полностью предотвратило бы обра-
зование оползней коренных пород на этом карьере.
3. Оползень западного борта Богословских карьеров
Аналогичные вышеописанным оползни происходят с самого
начала разработок и на западном борту Богословских буро-уголь-
ных карьеров.
Западный борт (лежачий бок) сложен слоями пестроцветных
и бокситовидных глин мощностью 15—40 м, залегающих на за-
карстованных, сильно водоносных известняках.
Падение слоев составляет 10—20° с постепенным выполажи-
ванием при углублении работ. Уровень грунтовых вод до начала
разработок совпадал с земной поверхностью.
Дренажные работы в первый период производились подзем-
ными горными выработками, пройденными по разрабатываемому
угольному пласту.
Как и на других карьерах, первые оползни произошли при
глубине работ в 15—20 м. Ими был охвачен откос с углом на-
клона около 60°, сложенный четвертичными суглинками.
Весной 1938 г., когда работы достигли глубины около 40 м,
оползневыми движениями был охвачен почти весь западный борт
разреза № 1 до 650 м по простиранию и до 250 м по падению.
Этот оползень проявился в виде образования закола у верхней
бровки карьера, передвижения массива оползня на восток и вспу-
чивания призабойной части. По данным маркшейдерских наблю-
дений точка у забоя за 3 месяца поднялась на 2097 мм и передви-
нулась к забою на 468 мм. С тех пор оползни лежачего бока на
Богословских карьерах происходят непрерывно и продолжаются
в настоящее время. Начиная с 1939 г. за оползневыми явлениями
производили наблюдения: маркшейдерское бюро карьера, Сверд-
ловский горный институт совместно с Мелиоводтрестом, специаль-
ная оползневая станция треста Вахрушевуголь и, наконец, брига-
да ВНИМИ (1948 г.). Кроме того, был организован целый ряд
комиссий по обследованию этих оползней.
На основании всех проведенных исследований были сделаны
следующие выводы.
1. Поверхность скольжения проходит по плоскости напласто-
вания горных пород с углом наклона к горизонту от 6 до 15°,
достигая местами 26°, и только в вершине оползня она имеет
форму круглоцилиндрической кривой с углом наклона 65—70°.
2. В призабойной части происходит поднятие (вспучивание)
пород.
3. Движение оползневого массива по всей площади происхо-
дит почти одновременно и с одинаковой скоростью.
102
4. Глубина залегания поверхности скольжения достигает 22—
25 м от почвы выработанного пласта.
При оценке причин образования этого оползня большинство
исследователей пришло к выводу, что основной причиной, вызвав-
шей образование оползня, являются своеобразные геологические
условия залегания пород, которые при существующей высоте от-
коса не смогли обеспечить устойчивость равновесия последнего.
Слоистость сланцеватых глин и плоскости напластования пред<
ставляют собой ослабленную зону, по которой происходит переме
щение верхних пластов в сторону падения. Кроме того, ополза-
нию способствовали дополнительная нагрузка на грунт, создава-
емая отвалами породы в выработанном пространстве, и движение
поездов.
Действительная же причина образования оползней — напор-
ные воды известняков — или совсем не отмечается, или отмечается
лишь вскользь, между тем создание внутреннего дренажа в усло-
виях данного карьера предотвратило бы оползни, захватывающие
коренные породы. Недооценка влияния напорных вод известняков
исходит из того, что многие исследователи считают глины абсо-
лютно водонепроницаемыми, в то время как о водонепроницае-
мости глин можно говорить лишь при сравнении с водопрони-
цаемостью песчаников, закарстованных известняков и других во-
доносных пород, а при оценке устойчивости откосов их нельзя
считать водонепроницаемыми. По этому поводу проф. Н. М. Гер-
севанов указывает, что «гидродинамическое давление почти не
зависит от скорости фильтрации, и в глинах, где она очень мала,
давление это существует не в меньшей мере, нежели в песках.
Обстоятельство это чрезвычайно важно и служит объяснением
многих явлений, наблюдаемых в условиях равновесия грунтовых
масс» [7].
На Богословском месторождении, в отличие от Батуринского
и Волчанского, организация дренажных работ в породах, подсти-
лающих разрабатываемый угольный пласт, представляет значи-
тельную трудность. Однако несмотря на то, что вопрос ведения
горных работ при наличии водоносных известняков с большими
статическими запасами вод, залегающих непосредственно под
слоями глин и не содержащих непрерывных слоев водопрони-
цаемых пород, через которые можно было бы дренировать почву
разрабатываемого пласта, требует специального изучения, этот
вопрос предыдущими исследователями даже не ставился.
Очевидно, дренаж известняков, подстилающих разрабаты-
ваемый угольный пласт, является неизбежным мероприятием при
дальнейшей разработке этого месторождения. Уже в настоящее
время на западном борту карьера вследствие откачки воды из
известняков напор снижен более чем на 40 м. Откачки были вы-
званы образованием прорыва вод из известняков в карьер и
опасностью распространения этого прорыва в южную часть карь-
ера при углублении работ и уменьшении мощности слоев глин,
103
подстилающих разрабатываемый угольный пласт. Дренаж извест-
няков необходим и на восточном борту, так как в северной и цен-
тральной его части имеется надвиг известняков на разрабаты-
ваемый угольный пласт, вследствие чего известняки будут обна-
жены бортом карьера до глубины 180 м.
Таким образом, своевременная организация дренажа извест-
няков позволит избежать образования оползней на Богословских
карьерах.
Этот вывод подтверждается еще и тем, что в двух случаях на
рассмотренных выше угольных карьерах дренаж предотвращал
оползни коренных пород. На Коркинском карьере с целью дрена-
жа разрабатываемого угольного пласта в лежачем боку развита
сеть дренажных горных выработок, опережающих по глубине от-
крытые разработки. Из этих выработок через 30—50 м прохо-
дятся квершлаги под подошву карьера до пересечения с разра-
батываемым угольным пластом.
При этой системе дренажных выработок лежачий бок был
осушен. На Волчанском карьере № 1 наклонная дренажная шах-
та, пройденная по компактной части третьей угольной свиты, пол-
ностью осушила лежачий бок западного крыла разрабатываемого
угольного пласта. Однако обеспечение внутреннего дренажа и
отсутствие оползания коренных пород на этих карьерах не исклю-
чило возможности образования описанных выше оползней насы-
щенных водой навалов глин по поверхности коренных пород.
§ 6. ГЛУБИННЫЕ ОПОЛЗНИ ПОРОД ВИСЯЧЕГО БОКА
Глубинные оползни пород висячего бока происходят значи-
тельно реже, чем глубинные оползни пород лежачего бока. Это
объясняется тем, что в породах висячего бока вследствие под-
резки слоев пород горными выработками не сохраняются высо-
кие напоры воды и породы висячего бока слагают непрерывно
обновляющийся рабочий борт.
Наблюдавшиеся глубинные оползни пород висячего бока боль-
шей частью связаны или с наличием водоемов вблизи карьера,
или с интенсивным подтоком грунтовых вод к борту карьера.
Обрушение отдельных уступов по дизъюнктивным нарушениям
или крутопадающим трещинам, которые довольно часто происхо-
дят на висячем боку, к этой категории оползней не относятся.
Ниже приводятся наиболее характерные примеры глубинных
оползней пород висячего бока.
1. Оползень в северной части Ермолаевского карьера
20 ноября 1954 г. в северной части Ермолаевского карьера
образовался оползень трех уступов пород висячего бока разме-
рами по простиранию около 220 м и объемом оползающих масс
около 150 тыс. л3. Оползнем были нарушены забойные железно-
104
дорожные пути экскаваторов на уступах горизонтов 320; 290
и 280 м.
На рис. 48 приведено строение борта на участке образования
оползня. Высота участка борта, на котором произошел оползень,
составляла 23 м, а общий угол разгона уступов на этом участке
составлял 16—22°. Борт был сложен суглинками мощностью до
10—15 м, переходящими в нижней части в галечники мощностью
до 4—6 м. Ниже последних залегали третичные зеленоватые
глины.
К востоку от оползшего участка угольный пласт и покры-
вающие его породы имели поднятие, создавшее падение слоев
пород в сторону карьера под углом до 30°. В 70 м от верхней
бровки карьера и в НО м от восточной границы оползня, во впа-
дине земной поверхности, имелся водоем площадью (к моменту
образования оползня) около 1800 м2. В весенний и летний пе-
риоды площадь этого водоема достигала 7000 м2.
Слой галечника под водоемом близко подходил к земной по-
верхности, и по нему в борт карьера непрерывно поступала вода.
Ввиду отсутствия поперечных канавок на площадках уступов
скоплялась грунтовая и дождевая вода. Дренажных выработок
на участке оползня не было. Уровень грунтовых вод верхнего во-
доносного горизонта залегал на глубине от 2 до 10 м.
В результате оползня произошли оседание площадки верхнего
уступа на 5—6 м, образование разломов, перемещение на запад
второго уступа горизонта 290 м и поднятие и перемещение на
восток железнодорожного полотна на горизонте 280 м. Основ-
ными причинами возникновения оползня являлись отсутствие
дренажных работ и наличие искусственно созданного водоема
в прибортовой полосе во впадине земной поверхности.
Покрывающие породы на Ермолаевском карьере состояли
в основном из глин и суглинков, имеющих низкую прочность и
склонных к оползанию и обрушению при отсутствии дренажных
•работ. Для предотвращения оползней на карьере проектом были
предусмотрены дренажные работы, но вследствие их отставания
от вскрышных работ осушение участка произведено не было.
Наличие поднятий угольного пласта и пород с восточной сто-
роны и выход галечников под дно водоема способствовали уско-
рению обводнения пород на этом участке и образованию оползня.
На тех участках бортов, где нет выхода грунтовых вод в
карьер и где не образуется скопления врды на площадках усту-
пов, подобных оползней не происходит. Исключение составляют
случаи обнажения бортом диапировых складок с крутыми на-
клонами крыльев в сторону выемки.
2. Оползень на Богословском карьере № 1
На восточном борту Богословского карьера № 1 в апреле
1946 г. образовался большой оползень пород висячего бока
(рис. 49).
105
20 0 20 60 ЮО п
Рис. 48. Оползень висячего бока на Ермолаевском карьере:
/—суглинок, 2—глина с галькой; 3-глина песчаная; 4—бурый уголь; 5—песок с галькой
б—глина вязкая; 7—оползневое тело; 8—водоем
106
Оползень охватил пять вскрышных уступов по простиранию
до 600 м. Общий угол разгона уступов на этом участке до оползня
составлял 18—21°, а общая высота обрушившегося участка борта
в среднем — 54 м. Общая глубина карьера, включая и угольный
пласт, достигала 75—82 м. После оползания угол откоса пород
составил от 11°30' до 18э.
Покрывающие породы состояли из рыхлых песчаников на
слабом глинистом и известковом цементе (25% ), слабоуплотнен-
ных алевролитов и аргиллитов.
МОЮ 20304050»
Рис. 49. Оползень висячего бока на Богословском карьере:
/-уголь; 2—глина, 3—галечник с песком, 4—глинистый песчаник; 5—аргиллит;
6—известковый песчаник*, 7—отвал; 8—поверхность скольжения
В 300 м от борта имелся большой водоем, образовавшийся
после отработки вышележащего угольного пласта, из которого
происходила фильтрация воды в покрывающие породы. Из отко-
сов уступов происходило струйчатое истечение воды.
Породы на этом участке имели большую влажность и низкую
прочность, о чем свидетельствует обрушение нижнего породного
уступа размерами до 30 м по простиранию и до 15 м по ширине,
образовавшееся за 20 дней до возникновения большого оползня.
В результате оползня была выведена из строя электропод-
станция, находившаяся на восточном борту карьера, завален
угольный забой на протяжении 600 м и разрушены железнодо-
рожные пути на четырех горизонтах.
Причинами образования оползня являются отсутствие дрени-
рования пород висячего бока и наличие водоема недалеко от
карьера. При обеспечении надлежащего дренажа западный борт
Коркинского карьера, сложенный подобными породами, сохранял
устойчивость при угле откоса до 26> и при глубине карьера до
'190 м.
Как показал расчет, при обеспечении надлежащего дренажа и
предотвращении разуплотнения пород висячего бока в откосах
последние сохранят достаточную устойчивость даже при угле на-
клона борта до 30°.
107
§ 7. ОПОЛЗНИ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ ОТВАЛОВ
1. Отвалы на прочном основании
При залегании отвалов разрыхленных пород на прочном осно-
вании углы откоса у последних равны углам естественного откоса,
если они сложены из кусков породы, сохраняющей при данной
высоте отвала упругое состояние, т. е. не разрушающихся под
давлением веса вышележащих кусков и имеющих значительную
макропористость. Величина угла естественного откоса зависит
как от шероховатости поверхности кусков, так и от их формы
(окатанности). В отвалах крепких пород с остроугольными куска-
ми углы откоса достигают 40—45°.
В отвалах угленосных пород углы естественных откосов со-
ставляют 34—37°.
С увеличением высоты отвалов увеличивается и давление на
отдельные куски пород, их составляющих, наиболее слабые из
которых разрушаются и заполняют макропоры, приводя к уплот-
нению отвалов и их оседанию.
Этот процесс уплотнения и оседания отвалов без образования
оползней происходит до тех пор, пока массив отвала не превра-
тится из трехфазной среды (порода—вода—воздух) в двухфаз-
ную (порода—вода). Дальнейшее уплотнение отвалов при увели-
чении их высоты может происходить лишь путем выдавливания
воды из массива отвала за его пределы или из области высоких
напряжений в область низких напряжений, что сопровождается
созданием гидродинамического давления внутри отвалов.
Так как по наиболее слабой поверхности в массиве отвала
удерживающие силы (силы трения) только на 3—5% больше
сдвигающих сил, касательных к этой поверхности, то при дости-
жении по наиболее слабой поверхности величины напоров около
4—5% величины нормальных напряжений произойдет оползание
откоса отвала.
Величина нагрузки, при которой происходит полное уплотне-
ние отвала и появляется гидродинамическое давление, зависит
от свойств самой породы и от степени их влажности.
Отвалы крепких (скальных и полускальных) пород, не под-
вергающихся размоканию при наличии воды, могут практически
достигать неограниченной высоты без образования оползней. От-
валы бурых глин и суглинков влажностью 25—30% (к весу влаж-
ной навески) и объемной влажностью 0,45—0,55 лишь при высоте
не более 1,5—2 м допускают углы откоса, равные углам естествен-
ного откоса. Увеличение высоты приведет к расползанию пород
по основанию.
Отвалы бурых глин и суглинков естественной влажности, не
получившие дополнительного увлажнения в отвалах или в период
их перевалки, сохраняют устойчивость под углами естественного
откоса 35—37°, при высоте 10—20 м и более в зависимости от
степени их влажности.
108
Оползание отвала происходит, если его высота превышает
предельно допустимую. Примеры оползней внешних отвалов, про-
исходящих на Ермолаевском карьере, изображены на рис. 50.
Причиной их возникновения является большая влажность пород,
которые при перемещении в отвалы дополнительно увлажняются.
Рис. 50. Оползни внешних отвалов на Ермолаевском карьере:
а—общий вид; б—разрез по линии наблюдений
Источниками дополнительного увлажнения этих пород явля-
ются грунтовые воды и воды атмосферных осадков, поступающие
в карьер и растекающиеся по площадкам уступов и по подошве
карьера, и воды атмосферных осадков, скапливающиеся на
всхолмленной поверхности отвалов и постепенно подпитывающие
основание отвалов.
При высоте в 15—25 м отвалы после оползания принимают
угол откоса в 10—1'2°.
Оползание отвалов, сложенных полускальными породами, про
исходит только при их отсыпке в заболоченные участки или в во-
доемы.
2. Отвалы на слабом основании
При образовании отвалов пород на слабом основании проис-
ходит деформация основания (выпучивание под влиянием веса
отвалов). Этот вид оползней имеет большое распространение на
Богословских карьерах, имеющих внутренние отвалы высотой бо-
лее 50 м.
109
Когда на этих карьерах не было высоких внутренних отвалов,
на них возникали оползни лежачего бока. При этом поверхность
скольжения залегала на глубине 22—25 м от почвы выработки.
В настоящее время, когда на лежачем боку созданы высокие
внутренние отвалы высотой до 50 м и более, некоторые про-
изводственники считают, что в оползнях лежачего бока корен-
ные породы не участвуют, а скольжение происходит по под-
резанным контактам угольного пласта с подстилающими поро-
дами, и главной причиной оползней считают большую высоту
Рис. 51. Поднятие призабойной части на Богословских
карьерах:
7—внутренние отвалы пород; 2—выдавленный уголь и порода
внутренних отвалов. Это неправильное представление о характере
оползней лежачего бока тормозит внедрение прогрессивной си-
стемы работ по перевалке вскрышных пород во внутренние от-
валы с применением высокопроизводительных экскаваторов
большой емкостью ковша.
Рассмотрим более подробно характер проявления оползне/?
внутренних отвалов на Богословских карьерах и причину их об-
разования.
Условия залегания пород Богословских карьеров были изло-
жены выше (стр. 102).
В настоящее время оползни лежачего бока захватывают при-
забойную полосу шириной до 150—250 м и проявляются в виде
оседания навалов у верхнего закола и поднятия призабойной
части, которое достигает иногда величины 4—7 м (рис. 51).
Наиболее значительный за последние годы оползень образо-
вался на карьере № 5 (рис. 52).
110
27250 рис 52. Оползень отвалов на Богословском
Оползнем была охвачена площадь около 60 гыс. jw2, объем
оползших пород составлял более 2 млн. м3.
Причиной образования оползня послужило наличие напорных
вод в известняках, залегающих в 15—20 м от почвы разрабаты-
Рис. 53. Схема разуплотнения по-
род лежачего бока на Богослов-
ских карьерах
ваемого угольного пласта, и раз-
уплотнение пород почвы под вли-
янием водного давления. При на-
личии на лежачем боку высоких
навалов пород, являющихся не
водоупорными, характер разуплот-
нения пород несколько отличает-
ся от разуплотнения пород при
отсутствии навалов.
При отсутствии навалов макси-
мальное водное давление в точ-
ке А (рис. 53) достигает вели-
чины Aiyi cosa, а в точке В равно
нулю. Падение давления на еди-
ницу длины на отрезке АВ со-
ставит у1 cosa. Эффективное дав-
ление на скелет породы на всем
этом отрезке будет равно нулю,
т. е. разуплотнение породы при
инфильтрации воды от точки Д
к точке В под влиянием гидродинамического градиента, равного
величине
г Di — h sin а ,
/ = ----------= V cos a — sin a
h 1
(43)
будет происходить в одинаковой степени на всем отрезке АВ.
При наличии навалов высотой Л2 максимальное водное дав-
ление в точке А достигает величины Dl = ^[}hx 4- Y2/z2)cosa, а в
точке В равно нулю вследствие хорошей водопроводности на-
валов.
Падение водного давления на отрезке АВ будет равно вели-
чине
AD = ^- = ('11-+
Л \
Л* \
— Ь cos a,
Л1 /
(44)
а эффективное давление в породе на отрезке АВ возрастает от
нуля в точке А до величины hfa в точке В, а следовательно, и
плотность породы в нижних слоях будет меньше, чем в верхних.
Исходя из вышеизложенного, образование оползней коренных по-
род по поверхности, залегающей’ в глубине массива, становится
неизбежным при отсутствии дренажа.
На карьере № 5 в центральной части оползня для установле-
ния поверхности скольжения в навалах была вырыта траншея
112
до почвы пласта. Однако этой траншеей не были обнаружены
поверхность скольжения по контакту навалов с коренными поро-
дами и наличие воды в основании отвалов.
При бурении скважины из траншеи вода была встречена
только на глубине 6,5 м.
Хотя скорость движения оползня в этот период составляла
около 50 мм/сутки, скважина не была срезана в течение 6 дней.
Следовательно, поверхность скольжения залегает ниже забоя
скважины.
Рис. 54. Общий вид оползней лежачего бока, нагруженного
внутренними отвалами на Богословских карьерах:
/—отвалы; 2—бокситовидные глины; 3—пестроцветные глины; /—известняки;
5—границы области деформации
Как было указано выше, глубинные оползни коренных пород
лежачего бока происходят не обязательно по круглоцилиндриче-
ской поверхности, но в нижней части оползня всегда происходит
срез пород под углом к наслоению. При пологом залегании это
проявляется в виде выпучивания призабойной части. При даль-
нейшем подвигании забоя после окончания активной стадии и
образования полного среза пород в нижней части оползня выпу-
чивания призабойной части могут затухать, а движение его будет
происходить по поверхности коренных пород.
В центральной части оползня на карьере № 5 после активной
стадии в течение марта—ноября 1952 г. произошел полный срез
пород, а при дальнейшем движении забоя — надвиг сползающих
пород на призабойную часть.
В марте 1953 г. на этом участке произошло оползание по
третьей поверхности (см. рис. 52).
Оползни лежачего бока на других участках Богословских
карьеров отличаются тем, что при выполаживании пласта усло-
вия устойчивости борта улучшаются и в нижней части оползень
ограничивается вспучиванием призабойной части без образова-
ния среза и полной поверхности скольжения (рис. 54).
8 Г. Л. Фисенко 113
Анализируя влияние внутренних отвалов на устойчивость ле-
жачего бока, необходимо отметить два момента.
1. При неглубоком залегании больших запасов напорных вод
в почве разрабатываемого пласта внутренние отвалы способст-
вуют предотвращению прорыва вод в выработанное простран-
ство.
Такую роль играют внутренние отвалы в районе карьера № 5
Богословского месторождения (см. рис. 52), где при глубине
разработок до 80 м воды девонских известняков с напором до
/7=60 м отделяются от выработки слоем в 20 м водонепроницае-
мых пестроцветных глин, с объемным весом не более 2,3 т!м\
вес 20-метрового столба пород имеет давление 46 t/jw2, а давле-
ние воды на почву слоя глин со стороны известняков составляет
(80 — 40+20) — 60 т/м2, т. е. больше чем вес столба породы. Про-
рыв предотвращается благодаря наличию внутренних отвалов
высотой до 15—20 м.
2. Внутренние отвалы увеличивают как общий угол откоса
лежачего бока в призабойной части, так и напряжение в подсти-
лающих коренных породах. Поверхность скольжения становится
более крутой, способствующей более скорому образованию ополз-
ней лежачего бока. Особенно ускоряется образование оползней
при увеличении высоты отвалов вдали от угольного забоя и при
небольшой их высоте у забоя, как это было на карьере № 5 (см.
рис. 52). Поэтому при укладке породы во внутренние отвалы
необходимо располагать их слоем одинаковой мощности, макси-
мально приближая к угольному забою (нагружая горизонталь-
ную часть поверхности скольжения). Действие оползней этого
вида можно полностью прекратить при обеспечении внутреннего
дренажа и предотвращении разуплотнения пород лежачего бока
(основания отвалов).
Как отмечено выше, некоторые производственники считают,
что оползни лежачего бока происходят в виде скольжения нава-
лов вместе с угольными треугольниками по почве пласта, при-
чем отвалы сжимают в «гармошку» призабойную часть угольных
треугольников, чем и объясняется вспучивание последних.
Необходимо отметить, что угольные треугольники не могут
быть выпучены давлением самих навалов, так как уголь значи-
тельно крепче отвалов и при давлении отвалов на уголь они бы
просто наползали на уголь, не сминая его. Также не могут быть
вспучены угольные треугольники в призабойной части и давле-
нием вышележащих угольных треугольников, так как в этом слу-
чае скорее произойдет срез по наиболее тонкой части (например,
по линии АВ. на рис. 55) оставленного угольного слоя, а это при-
вело бы к простому надвигу на призабойную часть без выпучи-
вания ее.
Это подтверждается наблюдениями на Коркинском карьере
в восточной части активного оползня (см. рис. 36) и на Волчан-
ском карьере № 1 (см. рис. 38), где при небольшой мощности
114
внутренних отвалов при падении слоев под углом 20—25° про-
исходит оползание отвалов по почве подрезанных угольных тре-
угольников. В этом случае наблюдается надвиг сползающих
масс на призабойную часть, а выпучивания призабойной части
не происходит.
Рис. 55. Оползень внутренних отвалов на Богословских карьерах:
/—контур выдавленного угла
§ 8. МОРФОЛОГИЯ И ДИНАМИКА ОПОЛЗНЯ
При криволинейной форме поверхности скольжения крутой
сверху и пологой снизу оползающий массив разделяется на две
части, из которых верхняя располагается по отрезку поверхности
скольжения с углом падения, большим угла внутреннего трения
р (призма активного давления), и удерживается в равновесии
лишь при наличии упора со стороны нижней части, называемой
призмой упора. Последняя располагается на отрезке поверхности
скольжения, наклоненном под углом менее р, и не может опол-
зать под собственным весом, а лишь вследствие давления на нее
верхней части.
При напряжениях, не превышающих пределов упругости по
всей поверхности, скольжение всего массива происходит одно-
временно. Если напряжения на значительной части поверхности
скольжения выходят за пределы упругих, то в средней части
оползневого массива, где напряжения наибольшие, прежде всего
начинают развиваться пластические деформации (выпучивание)
в сторону наименьших нормальных напряжений при отсутствии
подвижек нижней части массива. Вследствие деформации сред-
ней части верхняя часть оползневого массива начинает просе-
дать, и в ней образуется трещина «закола». С течением времени
область выпучивания расширяется и перемещается книзу, в верх-
ней части образуется поверхность скольжения, оседание «зако-
ловшегося» массива достигает 3—5 м, в то время как в нижней
его части полного среза пород еще не происходит, а наблюдается
лишь выпучивание пород.
8* 115
Скорость оседания «заколовшегося» массива достигает
в этот период развития оползня 10—30 мм/сутки. С увеличением
поверхности среза пород скорость движения оползня увеличи-
вается и к моменту полного среза по всей поверхности достигает
400—600 мм/сутки.
При пологих бортах процесс развития полной поверхности
среза длится 3—4 месяца и более, и при надлежащем надзоре
развитие оползня может быть прекращено.
Рис. 56. Ступенчатое оседание оползневого массива
В первый период развития оползня, когда происходит пласти-
ческая дефррмация средней части оползневого массива, в его
верхней части (в большинстве случаев на прибортовой полосе
земной поверхности) образуется не одна трещина «закола», а це-
лая серия «заколов» в виде параллельных дугообразных трещин,
по которым происходит ступенчатое оседание оползневого мас-
сива (рис. 56). При этом скорости смещения по всем трещинам
бывают не одинаковы. С течением времени скорости смещения
по одной из трещин становятся преобладающими, а по другим —
затухают.
К моменту полного развития поверхности среза по всей высо-
те смещение происходит по одной поверхности скольжения.
В некоторых случаях оползни не достигают полного развития,
и полного среза пород по замкнутой поверхности скольжения не
происходит, а после выпучивания средней и нижней части ополз-
невого массива и проседания верхней части оползневые явления
затухают. Если на таких участках продолжают действовать фак
торы, способствующие развитию этих явлений, то с течением вре-
мени происходит активизация ранее остановившегося оползня.
ГЛАВА VI
УСТАНОВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРА ОПОЛЗНЕЙ
ПО МАРКШЕЙДЕРСКИМ НАБЛЮДЕНИЯМ
И ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОБСЛЕДОВАНИЯ
Для установления формы оползня и характера его развития
во времени и пространстве на оползневых участках организуются
маркшейдерские инструментальные наблюдения.
Эти наблюдения организуются также и на тех участках, где
нет видимых деформаций бортов, нб где они могут возникнуть и
принести значительный ущерб предприятию. Целью наблюдений
на этих участках является установление микроподвижек и их
развития с тем, чтобы своевременно провести необходимые про-
тивооползневые мероприятия.
§ 1 МЕТОДИКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАРКШЕЙДЕРСКИХ
НАБЛЮДЕНИИ
Маркшейдерские наблюдения производят по специальным
наблюдательным линиям, представляющим собой ряд реперов,
заложенных на одной прямой по направлению наибольшей ско-
рости движения оползня, совпадающем чаще всего с наибольшим
наклоном борта. Опорная часть линии проходит по неподвижной
части массива, а рабочая часть линии — по оползневому массиву.
Протяженность опорной части наблюдательной линии прини-
мается от 50 до 150 лс в зависимости от условий местности и глу-
бины карьера.
Длина рабочей части зависит от протяженности оползня по
падению борта и может достигать 300 м и более. В зависимости
от высоты уступов и ширины площадок расстояние между репе-
рами принимается от 5 до 35 м. На каждой площадке уступа
по прямой линии при помощи теодолита закрепляется не менее
двух реперов.
Конструкции реперов, закладываемых по наблюдательным ли-
ниям, изображены на рис. 57,а, б, в, г. Реперы конструкции а за-
117
кладываются на опорной части линий, предназначенных на дли-
тельный период наблюдений (до 4—5 лет). Реперы конструк-
ций б, в, г закладываются на срок службы до 3 лет. Каждый вид
репера предназначается для пород определенной прочности. Ре-
пер конструкции б, представляющий собой металлический штырь
диаметром 25—30 мм, длиной до 700 мм, забивается в крепкие
Рис. 57. Конструкция реперов наблюдательных линий:
/—сухой песок, 2—железный штырь; 3—бетон; 4—деревянная пробка;
5—шлак, б—железная трубка
породы, репер конструкции в, представляющий собой деревян-
ный кол, забивается в рыхлые породы и навалы, а репер конст-
рукции г закрепляется в породах средней крепости и представ-
ляет собой металлическую трубку с заостренным концом. После
того как трубка вбита в грунт, в нее насыпается песок или шлак
и забивается деревянная пробка, в которую вбивается кованый
гвоздь с головкой, заточенной на полусферу и с отверстаем диа-
метром 2 мм, глубиной 3—4 мм (рис. 57,д). Такой же гвоздь
вбивается и в репер конструкции в.
Любая конструкция репера должна отвечать следующим тре-
бованиям:
1) иметь на закругленной верхней головке отчетливо нане-
сенный центр, обеспечивающий производство точных наблюдений
за сдвижением репера как в вертикальной, так и в горизонталь-
ной плоскости;
2) обеспечивать удобство пользования рейерами при произ-
водстве наблюдений;
3) обеспечивать прочную связь репера с грунтом, чтобы сдви-
жения репера точно соответствовали сдвижению грунта в данной
точке, и надежную сохранность репера на время производства
наблюдений.
После закрепления реперов опорной части линии произво-
дится привязка к триангуляционной или полигонометрической
сети карьера не менее трех реперов опорной части, расположен-
ие
них в таких участках, которые гарантировали бы их сохранность
на продолжительное время.
Для удобства отыскания составляется подробный абрис рас-
положения опорных реперов относительно постоянных предметов
местности и около реперов устанавливаются сторожки.
Привязка опорной части наблюдательной линии должна соот-
ветствовать по точности полигонометрии и нивелировке III клас-
са. Инструментальные наблюдения на каждой линии включают
в себя следующие измерения:
1) нивелировку всех реперов, начиная от опорных;
2) измерение расстояний между реперами стальными рулет-
ками при постоянном натяжении при помощи динамометра и
с фиксацией температуры;
3) съемку отдельных уступов, навалов пород, трещиновато-
сти, углов падения слоев и дизъюнктивных нарушений, образо-
вавшихся открытых заколов и смещений пород, углов падения
обнажившихся участков поверхности скольжения.
Нивелировку реперов и измерение длин в каждой серии на-
блюдений производят дважды в прямом и обратном направле-
ниях. На ровных или слабонаклонных участках производят гео-
метрическое, а на наклонных участках бортов — тригонометри-
ческое нивелирование. Нивелирование реперов по точности
должно соответствовать IV классу.
При производстве наблюдений необходимо стремиться к тому,
чтобы погрешность в определении положения последнего репера
была не более 5—10% от величины вектора смещения за период
между двумя сериями наблюдений.
Если величина отклонения репера от створа оказывает замет-
ное влияние на определение горизонтального расстояния по ство-
ру от начального репера, то ее измеряют при помощи теодолита
в каждой серии наблюдений.
Периоды между сериями наблюдений по линиям могут быть
различны—от 5—10 дней до 1 года в зависимости от величины
и характера подвижек на отдельных участках, целевого назна-
чения наблюдений, категории сооружений, которым угрожают
оползни, и др. Если величины подвижек значительны и необхо-
димо срочно установить характер оползня, то наблюдения сле-
дует производить через 5—10 дней, а в некоторых случаях и че-
рез день.
По результатам полевых измерений определяют превышения
и горизонтальные проложения между смежными реперами. На-
блюдения можно считать удовлетворительными, если их точность
соответствует следующим требованиям:
1) при геометрическом нивелировании разность превышений
из двух нивелировок не превышает 3 мм-,
2) при измерении длин непосредственно между реперами раз-
ность между двумя независимо измеренными и вычисленными
горизонтальными проложениями не превышает 2 мм;
119
3) при тригонометрическом нивелировании разность между
двумя независимыми измерениями одного и того же превышения
и горизонтального проложения не должна превышать 5—8 мм
в зависимости от длины интервала и угла наклона: при длинах
до 10 л — 5 мм, при длинах до 30 м и более — 8 мм.
По проверенным горизонтальным проложениям и превыше-
ниям составляют ведомость абсолютных (или относительных)
высот и расстояний от начального репера по каждой линии для
каждой серии наблюдений.
Сравнивая высоты и горизонтальные расстояния от началь-
ного репера в смежных сериях, для каждого репера определяют
его смещение за период между смежными сериями наблюдений.
Разделив величину смещения на время, определяют средние ско-
рости смещения каждого репера в отрезок времени между смеж-
ными сериями наблюдений.
По каждой наблюдательной линии строят геологический раз-
рез в одинаковом вертикальном и горизонтальном масштабе, на
который наносят профиль отработки борта (до оползня), контур
борта к моменту первой серии наблюдений, и пополняют этот про-
филь при последующих сериях наблюдений. На геологическом
разрезе отражают литологический состав пород, их залегание,
уровень грунтовых вод верхнего водоносного горизонта и вели-
чины напоров воды в каждом нижележащем водоносном гори-
зонте, отражают все дизъюнктивные нарушения и трещинова-
тость, а также обнажившиеся участки поверхности скольжения.
Все эти элементы наносятся на разрез по результатам инстру-
ментальной съемки.
В верхней части графика над геологическим разрезом строят
векторы смещения каждого репера за время между смежными
сериями наблюдений; при этом векторы одного и того же интер-
вала времени между смежными сериями обозначаются одной и
той же цифрой (см. рис. 44). Ца этом же чертеже строят гра-
фик изменения скоростей смещения реперов по линии (см.
рис. 36). Кроме этого, строят графики изменения скоростей во
времени для отдельных характерных реперов наблюдательной
линии (рис. 58).
§ 2. УСТАНОВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРА ОПОЛЗНЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ
МАРКШЕЙДЕРСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ
По результатам маркшейдерских съемок можно с достаточ-
ной для практики точностью построить поверхность скольжения,
а при наличии геологического и гидрогеологического разреза
установить характер оползня и причины его образования.
1. Если векторы сдвижения реперов изменяют свое направ-
ление закономерно, а по величине почти одинаковы от верха до
низа оползня, то можно сделать вывод, что такой оползень дви-
жется как одно целое без существенных разрывов и разломов.
120
В этом случае, пользуясь направлением векторов перемеще-
ния реперов, можно построить приближенное положение поверх-
ности скольжения в массиве. Действительно, если массив дви-
жется без внутреннего разрушения как одно целое, то перемеще-
ние любой точки сдвигающегося массива по направлению АВ
реперов во времени
(рис. 59) можно рассматривать как вращательное движение
вокруг какой-то точки С, расположенной на перпендикуляре
к направлению АВ. Естественно, что все точки массива вблизи
линии CD, вплоть до поверхности скольжения, будут также пере-
мещаться, как бы вращаясь вокруг точки С, т. е. двигаясь по
направлению, параллельному линии АВ. Следовательно, и сама
поверхность скольжения на перпендикуляре CD также парал-
лельна направлению АВ. Пользуясь этим выводом и выходом
поверхности скольжения на поверхность обнажения горных по-
род, можно без труда, с достаточной для практики точностью,
построить всю поверхность скольжения по линии наблюдений.
Для этого поступаем следующим образом:
а) на профиле, где изображены в том же масштабе векторы
смещения реперов, заложенных на поверхности откоса, к сере-
дине векторов смещения каждого репера восстанавливаем пер-
пендикуляр в сторону массива (при небольшой длине вектора
его направление отмечают отрезком в большем масштабе);
б) начиная от верхней или нижней линий выхода поверхно-
сти скольжения на поверхность обнажения горных пород, про-
являющихся трещинами разрыва, проводим отрезки, параллель-
ные векторам смещения реперов на соответствующих перпенди-
кулярах, как показано на рис. 60;
121
в) полученная таким путем ломаная линия между верхней
и нижней трещинами сглаживается в плавную кривую;
г) если при построении ломаной линии от одной трещины она
не смыкается с другой трещиной, то построение необходимо ве-
сти от верхней и нижней трещин до середины откоса, а затем
провести среднюю кривую, как по-
Л казано 'на рис. 60.
х. 2. Если направления и величи-
ны векторов сдвижения реперов
х. изменяются незакономерно и при
X. , этом среди подвижных реперов
х. \/ имеются и неподвижные или с
х.f\У небольшими скоростями (см. рис.
32), то можно сделать вывод, что
Ь / X. 2 xffil оползень движется не как одно
' X. I целое, а представляет собой ряд
x.JmF отдельных мелких оползней, дви-
жущихся самостоятельно. При
.Ж * достаточном количестве реперов в
этом случае также можно по-
Ф строить поверхность скольжения
Рис. 59. Параллельность между век- как отдельных мелких оползней,
тором смещения и отрезком поверх- так и всего оползневого массива.
ности скольжения: Для построения приближенно-
1—поверхность оползи»; 2-поверхность го положения ПОВерХНОСТИ СКОЛЬ-
жения каждого оползня необхо-
димо иметь по крайней мере три
репера, расположенных вверху, в середине и внизу оползня, и хо
тя бы одну точку, фиксирующую залегание оползневой поверх-
ности.
3. Если при общем равномерном движении оползневого скло-
на выпуклые части склона не изменяют своего расположения, то,
следовательно, мы имеем дело с оползнем насыщенных водой
рыхлых отложений по поверхности коренных пород, имеющих
выступы, совпадающие с выпуклостями в оползне.
Графики изменения скоростей смещения
оеперов по линии помогают установить причину или
источник образования оползня.
Например, на участке активного оползня Коркинского карь-
ера, по мнению работников треста Коркинуголь, причиной обра-
зования оползня считалась подрезка слоев. Они исходили из то-
го, что оползень активизировался после выемки новой заходки
по углю. Однако маркшейдерскими наблюдениями было уста-
новлено, что на этом участке скорости смещения реперов в верх-
ней части оползня значительно превышают скорость смещения
реперов в нижней части оползня (см. рис. 36). Если бы причина
образования оползня заключалась в подрезке слоев в нижней
122
части последнего, то активность оползающего массива и скоро-
сти смещения по всей высоте откоса были бы одинаковыми.
В данном же случае скорости смещения не одинаковы, а следо-
вательно, не одинакова и активность оползневого массива — она
больше вверху, где падение слоев круче и где на крутой части
поверхности скольжения располагаются навалы насыщенных во-
дой суглинков; нижняя же часть оползня является пассивной и
смещается лишь под давлением верхней части. Впоследствии
Рис. 60. Построение поверхности скольжения по векторам
смещения
(летом 1953 г.), когда навалы рыхлых суглинков были отгру-
жены, оползни в нижней части откоса совсем прекратились и
железнодорожные пути, уложенные на последнем уступе лежа-
чего бока, в течение года не деформировались и ни разу не рих-
товались. Но ввиду того, что верхним уступам, сложенным су-
глинками, не была придана устойчивая форма, в июле—сентяб-
ре 1954 г. снова начал оползать верхний участок борта; в ниж-
ней же части оползней к этому времени еще не было.
Графики изменения скоростей во времени
отдельных характерных реперов (см. рис. 58) помогают раскры-
вать влияние времени, времен года и производственных процес-
сов на интенсивность движения всего оползня и отдельных его
частей.
§ 3 ХАРАКТЕРНЫЕ ПРИЗНАКИ ОПОЛЗНЕЙ И УСТАНОВЛЕНИЕ
ИХ ВИДА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОБСЛЕДОВАНИЙ
Во многих случаях характер оползня можно установить и без
инструментальных наблюдений, пользуясь лишь геологической
документацией и результатами визуального обследования. Для
этого необходимо знать общую закономерность проявления
оползней различного вида.
Основным признаком глубинных оползней коренных пород
лежачего бока является выпучивание призабойной части. В верх-
ней части поверхность скольжения может совпадать с наслое-
123
Рис. 62. Образование «гребенки* слоев в нижней чзсти оползня
124
нием при падении слоев круче 20—35° (в этом случае может
образоваться вертикальная стенка отрыва в самом верху поверх-
ности скольжения) или пересекать слои под крутым углом (до
50—70°).
Так, на Богословском карьере № 5 характер образовавшегося
оползня лежачего бока был установлен по следующим видимым
данным:
1) закономерному изменению углов наклона штрихов сколь-
жения, оставленных оползающими породами на боковых поверх-
ностях устойчивого массива, от крутых вверху до пологих внизу;
2) выпучиванию призабойной части;
3) отчетливому проявлению поверхности скольжения, накло-
ненной под углом 60—65° в верхней части оползня;
4) отсутствию разрушений сползающего массива у закола,
который скользил по поверхности скольжения, сохраняя свое
строение (рис. 61,а).
Эти видимые проявления оползня указывают на то, что по
верхность скольжения не плоская и проходит не по почве выра-
ботанного пласта, а начинается в навалах и уходит вглубь мас-
сива коренных пород.
В самом деле, если бы двигались только навалы по почве
выработанного пласта, т. е. по плоской поверхности, то при ма-
лейшем движении по этой плоскости на верхней границе оползня
образуется неровная поверхность отрыва, а после небольшого
перемещения, когда образовалась зияющая трещина разрыва,
произошло бы обрушение верхней части оползающего массива
в образовавшуюся трещину (рис. 61,6).
При оползании глин по поверхности коренных пород опол-
зень как бы накатывается на уступы коренных пород — в нижней
части оползня глины имеют вид накатывающегося вала. В этом
случае и уступы коренных пород под давлением надвигающихся
глин могут получить деформацию, особенно при наличии под-
резки слоев.
При крутом падении слоев пород, слагающих борт лежачего
бока, в нижней части глубинного оползня коренных пород про-
исходит расслоение пород, загиб верхушек слоев в сторону вы-
емки и образование «гребенки» (рис. 62). В этом случае гра-
ница области деформации имеет криволинейную форму, круто
выходит на поверхность в верхней части оползня, проявляюще-
гося здесь оседанием заколовшегося массива. Подобное образо-
вание гребенки происходит и при образовании глубинных ополз-
ней висячего бока.
ГЛАВА VII
МЕРЫ БОРЬБЫ С ОПОЛЗНЯМИ
§ 1 МЕРЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОПОЛЗНЕЙ
Изучение физико-механических свойств горных пород различ-
ных месторождений показывает, что горные породы в массиве
откосов при сохранении естественной структуры в большинстве
случаев имеют прочность, достаточную для образования устойчи-
вых бортов, наклоненных под углами 30—35° и более.
Образование оползней различного вида является лишь след-
ствием тогр, что при проектировании карьеров и при производст-
ве горных работ не принимаются меры по предотвращению раз-
уплотнения пород и снижения их прочности.
Предотвращение оползней является основным видом борьбы
с ними, так как предотвратить оползень и дешевле, и проще, чем
бороться с уже возникшим оползнем. Основными мероприятиями
по предотвращению оползней являются:
1) надлежащее изучение структуры, физико-механических
свойств и гидрогеологических условий залегания горных пород;
2) принятие в проекте и осуществление в натуре углов отко-
са бортов и уступов, основанных на изучении структуры и физи-
ко-механических свойств горных пород;
3) обеспечение глубинного дренирования пород, слагающих
откосы, дренирования земной поверхности в границах, отстоя-
щих от карьера на 200—500 м, и дренирования поверхности бор-
тов, исходя из структуры и физико-механических свойств пород,
их гидрогеологических условий и установленных расчетом зон
и сроков дренирования.
§ 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ, ХИМИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ СПОСОБЫ
ЗАКРЕПЛЕНИЯ ЗЕМЛЯНЫХ МАСС
В многолетней практике борьбы с оползнями естественных
склонов химические и механические способы, способы цемента-
ции и замораживания земляных масс в откосах не нашли ши-
126
рокого применения. Для борьбы с оползнями бортов угольных
карьеров эти способы также не рекомендуются.
Для применения химических способов закрепления земляных
масс в откосах и способа цементации необходимо, чтобы породы
имели хорошую водопроницаемость. Но при этом условии про-
ще и дешевле устойчивость откосов обеспечить путем их дрени
рования.
Способ замораживания нерентабелен для борьбы с оползня-
ми бортов карьеров.
Механическое закрепление оползающих откосов путем уст-
ройства подпорных стенок, железобетонных свай и др. даже при
небольших объемах оползающих масс в большинстве случаев
оказывалось неэффективным. Для удержания оползающих отко-
сов железобетонными сваями необходима закладка этих свай
в прочное основание, которого в большинстве случаев на ополз-
невых участках не оказывается. Кроме того, для предотвращения
движения оползневых масс между сваями последние следует
устанавливать не реже, чем через 10—20 м.
При больших объемах оползней, имеющих место на уголь-
ных карьерах, механическое их закрепление во всех случаях не-
эффективно и по стоимости дороже полной их отгрузки.
Для того чтобы борьба с возникшим оползнем была эффек-
тивной, прежде всего необходимо установить действи-
тельную причину возникновения оползня н
ликвидировать ее, а потом уже принимать какие-либо
другие меры борьбы.
Ниже излагаются меры борьбы с оползнями, применяющиеся
на угольных карьерах, и рассматривается их эффективность.
§ 3. ПЛАНИРОВКА И ЗАОТКОСКА ОБРУШЕНИЙ
И ОПОЛЗНЕЙ ПОРОД
Планировка обрушений и оползней и обеспечение стока по-
верхностных вод оказываются эффективными в том случае, когда
причиной возникновения этих явлений будет наличие скопления
вод атмосферных осадков в прибортовой полосе земной поверх-
ности, на площадках уступов и в отвалах.
Примером эффективного применения этого способа борьбы
с оползнями может служить прекращение оползания насыщен-
ных водой разрыхленных пород на южном борту Коркинского
карьера в районе углеподъемника № 1-бис, подробное описание
которого дано в главе V.
Накопление рыхлого материала произошло вследствие ряда
обрушений незаоткошенного уступа покровных отложений, обра-
зовавшихся из-за скоплений воды атмосферных осадков в при-
бортовой полосе земной поверхности. Рыхлый материал накапли-
вался также и вследствие наличия породных прослойков в отра-
батываемом пласте. К моменту возникновения оползня на усту-
127
пах борта располагались грядами, вытянутыми параллельно
бровкам уступов, большие навалы пород, достигающие местами
высоты 15—17 м, которые способствовали большому скоплению
воды. Грунтовых вод на этом участке не было, так как в борту
была заложена дренажная шахта.
Вначале оползни образовывались небольшими участками,
а затем объединились и создали угрозу действующему углеподъ-
емнику. После планировки навалов и обрушившихся пород была
создана равномерная заоткоска борта под углом 18—20°, обес-
печившая сток воды, и оползни прекратились.
Подобные меры борьбы с оползнями применялись в 1953—
1954 гг. на западном борту Ермолаевского карьера, где причи-
нами образования оползней являлись подток грунтовых вод к по-
верхности откоса и наличие воды недалеко от борта. При воз-
никновении оползней на высоте 5—6 м от верхней бровки откоса
наблюдался выход воды из галечников и суглинков.
На Ермолаевском карьере эти источники возникновения
оползней не ликвидируют и придают борту угол откоса 25—30э.
Как и следовало ожидать, на этом же месте через 2—3 месяца,
а на некоторых участках и через 15—20 дней снова образуются
оползни, лучшей мерой борьбы с которыми явился бы перехват
грунтовых вод скважинами — сквозными фильтрами. Последние
можно пробурить на дренажный штрек, пройденный вдоль бор-
та в 30—50 м от верхней бровки карьера по угольному пласту,
а потом уже заоткосить обрушившиеся породы под углом 30—
35°. После выполнения вышеперечисленных мероприятий опол-
зень прекратится.
Если нерабочий борт имеет высоту 30—40 м, в качестве меры
борьбы с оползнями такого типа можно применить большее вы-
полаживание откоса на участках выхода воды, в результате чего
откос будет иметь ребристую форму.
Это мероприятие предотвратит обрушение борта на участке
выхода воды из борта, образование подпора грунтовых вод в от-
косе, происходящее при обрушении и повторном заглаживании
обрушившихся пород, и обводнение пород, выступающих между
бороздами. Для лучшей устойчивости борозд их стенки можно
покрывать дренажным материалом — гравием и щебнем.
Ребристая форма откосов является их естественной устойчи-
вой формой, которую принимают естественные склоны рыхлых
горных пород.
§ 4. БОРЬБА С ОПОЛЗНЯМИ НАСЫЩЕННЫХ ВОДОЙ
РЫХЛЫХ ПОРОД ПУТЕМ ОСТАВЛЕНИЯ ЦЕЛИКОВ ИЛИ ПУТЕМ
ОТГРУЗКИ ОПОЛЗАЮЩИХ МАСС
Если оползают насыщенные водой рыхлые породы, то на
угольных карьерах в целях предотвращения и остановки этого
оползания оставляют целики.
128
На Коркинском карьере на участке так называемого актив-
ного оползня в течение 10 лет недобирали от 6 до 9 м пласта
с целью удержания остающимся в почве углем надвигающихся
на призабойную часть насыщенных водой глин и суглинков.
На южном борту Коркинского карьера в районе углеподъем-
ника № 1-бис был даже «рассчитан» для этой цели целик, вме-
щающий более полумиллиона тонн готового к выемке угля.
На Волчанском карьере № 1 на отдельных участках для удер-
жания насыщенных водой пород оставляли барьеры из угля по
всей мощности пласта.
Этот метод борьбы с оползнями необходимо решительно от-
вергать.
Если не обеспечить стока вод атмосферных осадков по по-
верхности рыхлых пород, располагающихся на бортах, то они
могут передвигаться вниз при любых углах заоткоски. При боль-
шем насыщении водой эти породы могут оползать при общей
заоткоске борта под углом 5—10°, и никакие целики не остано-
вят их движение.
При пологом залегании бортов оползни можно остановить
путем их планировки и обеспечения стока вод.
На участках лежачего бока, где падение слоев превышает
18—20° и появляется неизбежность скольжения пород по под-
резанным контактам, оползни необходимо отгружать. Недопу-
стимо, чтобы эти оползни объемом в 20—40 тыс. л3 вели к обра-
зованию потерь сотен тысяч тонн готового к выемке угля, как
это было на южном борту Коркинского карьера и на Волчан-
ском карьере № 1.
Одновременно с отгрузкой оползающих пород необходимо
принять меры и по предотвращению дальнейшего обрушения и
оползания верхних уступов, сложенных рыхлыми породами.
§ 5 ГОРНЫЕ РАБОТЫ В ЗОНЕ ОБРАЗОВАНИЯ
ГЛУБИННЫХ ОПОЛЗНЕЙ КОРЕННЫХ ПОРОД
При ведении горных работ в зоне действующих глубинных
оползней и в зоне их возможного образования необходимо исхо-
дить из разделения оползневого массива на призму упора и приз-
му активного давления.
При появлении закола в верхней части откоса следует умень-
шить вес призмы активного давления путем срезки верхней части
откоса и увеличить вес призмы упора путем отсыпки дамб в его
нижней части.
Постепенное развитие оползня при углах откоса борта, мень-
ших 20—25°, дает возможность выполнить большой объем работ
в период небольших скоростей движения массива и полностью
прекратить подвижки.
Этот метод был успешно применен в 1952 г. при возникнове-
9 Г. Л. Фисенко 129
нии оползания южных выездных путей на Волчанском карьере
№ 4 (см. рис. 47).
При наличии подвижек со стороны лежачего или висячего
бока необходимо устраивать породные дамбы в угольной тран-
шее, а обнажение и зачистку угольных забоев производить не-
большими участками. Это мероприятие следует применять и там,
где условия залегания пород способствуют возникновению ополз-
ней.
При образовании внутренних отвалов на слабых и склонных
к оползанию подстилающих породах следует также учитывать
различное влияние верхней и нижней частей откоса на устойчи-
вость последнего. Увеличение веса пород в верхней части откоса
способствует образованию оползней, а в нижней части повышает
его устойчивость. Поэтому следует располагать внутренние отва-
лы слоем одинаковой мощности при минимальном удалении от
угольного забоя. Особенно это важно при насыпке внутренних
отвалов на наклонное основание.
Устройство породных дамб в призабойной части и зачистка
забоя отдельными участками применяются на Богословских
карьерах. Это значительно сдерживает развитие оползней лежа-
чего бока, нагруженного внутренними отвалами.
§ 6 БОРЬБА С ОПОЛЗНЯМИ ОТВАЛОВ
При образовании оползней отвалов, располагающихся на
устойчивом основании, необходимо ликвидировать основную при-
чину появления таких оползней — дополнительное увлажнение
пород при их отгрузке в отвалы.
Основными источниками этого увлажнения являются
а) грунтовые воды, поступающие в карьер и растекающиеся по
площадкам уступов и по нижнему горизонту, породы которого
будут отгружаться в отвалы; б) воды атмосферных осадков,
обводняющие площадки уступов при отсутствии поперечных ка-
навок; в) дождевые и талые воды, скапливающиеся на всхолм-
ленной поверхности отвалов и постепенно подпитывающие осно-
вание последних, и г) водоемы, имеющиеся у основания отвалов.
Дополнительное увлажнение пород можно предотвратить сле-
дующими мероприятиями:
1) устройством поперечных дренажных канавок на площад-
ках уступов и водосборников на нижнем горизонте, что устраняет
застои воды на площадках уступов и на подошве карьера;
2) планировкой поверхности отвалов бульдозерами и обес-
печением стока дождевых и талых вод;
3) ликвидацией водоемов, имеющихся на поверхности осно-
вания отвалов;
4) дренажем пород в их естественном залегании.
На Ермолаевском карьере наблюдались оползни внешних
отвалов при заваливании снежных сугробов отвалами перед на-
130
чалом снеготаяния, причем снежные сугробы оказывались в зоне
наиболее слабых поверхностей — в откосах отвальных пород.
Такое заваливание сугробов нельзя допускать или, в крайнем
случае, насыпать отвалы на этих участках более интенсивно
с тем, чтобы Погребенные сугробы скорее оказались как можно
дальше от откоса отвальных пород.
При отгрузке в отвалы пород большой влажности следует
применять раздельное отвалообразование: в нижние горизонты
помещать более песчаные и менее влажные породы, а в верх-
ние— глинистые и более влажные. Так, на Ермолаевском карь-
ере глины и суглинки влажностью 16—18%' сохраняют устойчи-
вое состояние в отвалах под углами 34—36° при высоте до 23 л
и более, а при влажности этих пород 25—27% высота устойчи-
вых отвалов не превышает 5 м.
Для пород Южноуральского бассейна рекомендуемая высота
отвалов в зависимости от влажности пород приведена в табл. 8.
Таблица 8
Литологическое наименование породы Влажность пород в отвалах различной высо- ты в процентах к весу влажной навески
до 10 м 20 м 30 м 40 м 50 м
Глина каолиновая жирная . ... . 27,0 23,5 22,0 21,0 20,2
9 темно-серая жирная . . 27,0 23,5 22,0 21,0 20,2
„ бурая пластичная 24,5 23,0 21,2 20,2 19,2
Суглинок 23,0 21,5 20,5 19,5 19,0
» опесчаненный 20,7 19,8 19,0 18,3 17,5
Глина опесчаненная . . .... 22,0 20,0 18,8 18,2 17,5
„ желтая песчаная 19,5 18,2 17,2 16,5 16,0
9 сильно песчаная . . . 17,0 15,5 14,5 14,2 14,0
Песок глинистый 14,8 14,5 14,3 14,1 14,0
Раздельное отвалообразование не представляет никаких труд-
ностей при наличии нескольких ярусов внешних отвалов, а при
применении отвальных мостов даже при наличии одного яруса
можно, помещать более песчаные и менее влажные устойчивые
породы вниз, а более влажные неустойчивые глинистые —
в верхней части отвала.
ГЛАВА VIII
ДРЕНАЖ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ,
РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ
§ 1. ЦЕЛИ ДРЕНИРОВАНИЯ
До настоящего времени основной целью дренажных работ
на открытых разработках считается удаление свободной воды из
разрабатываемого угольного пласта и вскрышных пород, чтобы
в период экскавации не происходило ее скопления в забое.
Для этого проходят горные выработки или дренажные сква-
жины и оборудуют их глубинными насосами. Но при такой орга-
низации работ осушение не всегда бывает эффективно, а поэто-
му появляется необходимость организации призабойного водоот-
лива.
При дренаже месторождений первого типа (см. главу II),
где обводнение пород не оказывает большого влияния на их
устойчивость, такая организация дренажа целесообразна. В дру-
гих же условиях основной целью дренажных работ следует счи-
тать обеспечение повышения устойчивости бортов и предотвра-
щения оползневых явлений. Устойчивость бортов и уступов по-
вышается, если предотвратить разуплотнение пород в целике или
создать условия для уплотнения рыхлых пород. Последнее дости-
гается снижением уровня грунтовых вод ниже почвы угольного
пласта и ликвидацией напорных вод в породах, слагающих борт,
а также путем поверхностного дренажа.
Настоящая работа не ставит своей целью рассмотреть мето-
ды дренирования всех угольных месторождений, разрабатывае-
мых открытым способом. В ней рассматриваются только условия,
предъявляемые к организации дренажных работ, границы этих
работ, некоторые принципиальные положения о гидрогеологиче-
ских свойствах горных пород и о их дренируемости, а также
приводятся примеры схем расположения дренажных выра-
боток.
132
§ 2. О ВЕЛИЧИНЕ ДАВЛЕНИЯ ВОДЫ (НАПОРА)
В СЛОЯХ ГОРНЫХ ПОРОД
Существует мнение, что в слоях глинистых пород, в том чис-
ле в аргиллитах и алевролитах, которые практически считаются
водоупорными, отсутствует напор воды. В подтверждение этого
приводится тот факт, что при бурении скважины по таким поро-
дам не наблюдается поднятия воды в скважине, как это происхо-
дит при пересечении водоносных слоев. Но этот факт свидетель-
ствует о том, что в глинистых слоях коэффициент фильтрации
во много раз меньше и для заполнения скважины водой до вы-
соты пьезометрического уровня потребовалось бы несколько лет.
С исчерпывающей полнотой этот вопрос изложен проф.
Н. М. Герсевановым [7], выводы которого полностью подтверди-
лись при использовании манометрических пьезометров для опре-
деления величины напора в условиях, исключающих необходи-
мость заполнения всей скважины водой.
При оценке устойчивости горных пород в откосах величину
водного давления в водонепроницаемых и слабопроницаемых
глинистых породах следует принимать не меньшей величины вод-
ного давления в окружающих водоносных породах, а при про-
изводстве дренажных работ это давление будет даже выше пос-
леднего.
Наличие водного давления, равного водному давлению
в окружающих водоносных слоях, определяется тем, что боль-
шей частью поры в слоях глинистых пород заполнены капилляр-
ной водой, а последняя способна передавать гидростатическое
давление.
§ 3. О ВОДООТДАЧЕ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД
Несмотря на то, что испытаниями глинистых горных пород
установлено увеличение их плотности с увеличением давления,
существует мнение, что глинистые горные породы не отдают
заключающуюся в них воду, а следовательно, и говорить об их
уплотнении при дренаже не следует. Эту мысль подкрепляют тем
фактом, что при проходке дренажных горных выработок в глини-
стых породах вода или совсем не поступает в дренажные выра-
ботки или ее поступление незначительно. Однако это свидетель-
ствует не о невозможности дренирования глинистых горных по-
род, а лишь о неправильной организации дренажных работ в этих
случаях.
Горные выработки, пройденные в рыхлых глинистых породах,
лишь тогда становятся дренажными, когда они оборудованы за-
бивными фильтрами и применяется электродренаж. Эти выра-
ботки приобретают особенно большое значение, если забивными
фильтрами, установленными из выработок, вскрываются слои
водоносных песков. Напор воды в песках довольно скоро сни-
133
жается, что увеличивает эффективное давление на глинистые
слои пород на
Да = Do — Dt, т,1м2
где Da — давление воды в песках до их вскрытия;
— давление воды в песках после их вскрытия.
Падение водного давления в подстилающих и покрывающих
глинистые слои песках вызывает площадное дренирование гли-
нистых слоев по нормали к наслоению.
Как отмечалось выше, значительную долю в горных породах
составляет капиллярная и гравитационная вода, которая может
дренироваться тем или иным способом.
Способность горной породы отдавать воду при дренаже назы-
вается водоотдачей. Последняя выражается в процентах к весу
или к обьему (объемная водоотдача).
Объемную водоотдачу горных пород обычно принимают как
разность между их пористостью и молекулярной объемной влаж-
ностью:
лв==п -пт.
В эту разность входит вся гравитационная и капиллярная
вода, выраженная в процентах к объему всей горной породы.
Необходимо отметить, что эта формула не совсем точно выра-
жает действительную водоотдачу, так как только гравитацион-
ная вода может быть полностью сдренирована свободным пере-
движением по трещинам и порам, а капиллярная вода лишь ча-
стично может быть отжата под влиянием веса столба вышеле-
жащих пород при снижении уровня грунтовых вод или при сни-
жении напора в изолированных водоносных слоях.
Касаясь влияния дренажа на уплотнение глинистых слоев,
проф. Н. М. Герсеванов [7] отметил, что искусственное пониже-
ние уровня грунтовых вод на Н (м) вызывает во всех случаях
добавочную нагрузку на грунт, равную ЯД (где Д — объемный
вес воды), и сопровождается соответствующей осадкой грунта.
При понизительной установке депрессионная нагрузка в мил-
лионы тонн передается немедленно с самого начала откачки
в полном размере, зависящем не от времени откачки и количе-
ства выкачанной воды, а только от скорости откачки, т. е. от
величины понижения.
При наличии слоев скальных и полускальных пород с хоро-
шо развитой трещиноватостью, имеющих высокий коэффициент
фильтрации, дренажные горные выработки лучше всего прохо-
дить по этим породам.
При частом чередовании водонепроницаемых и водоносных
слоев собственно дренажными могут считаться только те выра-
ботки, которые пройдены вкрест простирания пород. Их эффект
134
будет подобен описанному выше вскрытию водоносных песков
дренажными скважинами — при снятии напора в трещиноватых
породах на величину AD начнется площадное дренирование гли-
нистых слоев.
Время, необходимое для полной стабилизации глинистого
слоя под возросшим давлением, будет находиться в обратной за-
висимости от величины коэффициента фильтрации и в прямой
зависимости от мощности слоя глинистых пород и может быть
установлено опытным путем.
В практике горного дела имеется много примеров уплотнения
водонасыщенных рыхлых песчано-глинистых горных пород при
их дренировании.
В Челябинском бассейне при проходке околоствольных выра-
боток шахты № 45 промплощадка осела до 100 мм, и это оседа-
ние распространилось на площади размером более 450 м по про-
стиранию и более 200 м вкрест простирания, причем воронка
оседания совпадала по площади с депрессионной воронкой.
При проходке ствола и околоствольных выработок шахты
«Южная Батуринская», где горные породы представлены сильно
обводненными аргиллитами и алевролитами, за 2 года оседание
промплощадки достигло 317 мм при глубине ствола в 100 м,
а оседание промплощадки шахты № 7/8 вследствие дренирова-
ния пород составило 362 мм.
§ 4 ЗОНА НЕОБХОДИМОГО ДРЕНАЖА
Поверхностный и глубинный дренаж нельзя разделять, а сле-
дует производить комплексно для всего участка, проектируемого
к открытой разработке.
На земной поверхности граница дренажных работ должна
проходить на расстоянии от предельного контура карьера, не
меньшем предельной глубины карьера.
При этом дренажем должна быть охвачена зона, в пределах
которой вода оказывает ка^ое-либо влияние на устойчивость
откосов или в пределах которой необходимо произвести уплот-
нение пород. Величину зоны необходимого дренажа можно уста-
новить расчетным путем или взять ориентировочно с заведомым
запасом.
Приведем несколько примеров определения зоны дрениро-
вания.
1. Если в борту среди водоносных слоев есть и водонепрони-
цаемые (рис. 63), в породах сохраняются высокие напорные во-
ды. Величина водного давления на водонепроницаемые слои
может достигать величины интенсивности нормального давления
пород по контактам слоев
Di < Af cos2 а. (45)
135
При равенстве (45) силы трения по контактам слоев не будут
участвовать в удержании откоса в равновесии, а устойчивость
откоса будет определяться прочностью пород в основании слоев.
Рис. 63. Схема к расчету необходимой мощности слоев пород,
подлежащих дренажу
Нормальная мощность т слоев пород, подлежащих дренажу,
определяется в следующем порядке:
в основное уравнение прочности горной породы
01 = 2k ctg (45°—+ °3 ctg2 Г 5°—2~) (46)
подставляются значения главных напряжений
и
°i=^T
a3cp=-7,nTC0sIa’
где «1 — направлено по падению слоев;
о, — по нормали к наслоению.
Решая уравнение (46) относительно т, получим выражение
т - 2!L- tg2 /450—Ц------tg (45°—
COS а \ 2 / 7 COS а \ 2 /
или
2tg’(45‘—
m=------------22(//_ад. (47)
cos a
При среднем значении р = 34°
т = (47')
COS a
136
2. При строении борта, подобного изображенному на рис. 64,
наиболее слабая расчетная поверхность будет проходить по почве
пласта (по подрезанному контакту угля с подстилающими поро-
дами).
Характер обнажения угольного пласта, являющегося в данных
условиях трещиноватым и проводящим воду, не способствует об-
разованию напорных вод по почве пласта.
С
Рис. 64. Схема к определению мощности пород,
подлежащих дренажу
Угол падения этой поверхности меньше угла внутреннего тре-
ния по контактам слоев, а поэтому ограниченный ею массив бу-
дет устойчивым.
Вследствие слоистого строения пород, подстилающих угольный
пласт, в них сохраняются высокие напоры.
При уменьшении напоров в водоносном слое I в него непре-
рывно будет фильтроваться вода со стороны водоносного слоя 7/.
Вследствие этого междупластье ВС будет иметь механические
характеристики, практически равные нулю, а устойчивость мас-
сива АВС определится лишь прочностью пород на участке ANBM.
Мощность пород, подлежащих дренированию, т определяется
так же, как и в предыдущем случае.
Под влиянием напряжений, касательных к поверхности ВС,
массив имеет тенденцию к оползанию по поверхности ВС, чему
противодействуют нижележащие породы. Наиболее слабым будет
участок ANBM, где мощность пород, предотвращающих ополза-
ние, наименьшая.
Условием прочности, как и в предыдущем случае, может слу-
жить уравнение (46). Заменяя в нем через ST ,— сумму сил
в области АВС касательных к поверхности ВС, а заср через т-/,
получим
137
или
т — --------L, (48)
7а2
где <3] = 2^ ctg ^45°—0 — временное сопротивление сжатию
породы в области ABMN-’
a = ctg ^45°—
Принимая средние значения р = 34° и f = 2,3, получим
т = 0,25 (Е7\- aj). (48')
Необходимо отметить, что равенство (47') при замене
о
а, 1
Я9Й = — и Я= —ЕГг
7 7
приобретает подобный вид:
0,25 /v-r
т = ——(£Гг —«1).
COS а
3. В условиях залегания рыхлых пород, когда для обеспечения
устойчивости бортов требуется уплотнение последних, необхо-
Рис. 65. Схема к определению зоны дренирования
в рыхлых глинистых породах
димая зона дренирования совпадает с расчетной поверхностью,
по которой устойчивость массива, окружающего выработку, обес-
печивается только величиной сцепления в породах естественной
влажности.
После проведения дренажных работ откос АВ (рис. 65) удер-
живается под углом а по наиболее слабой поверхности ВС. У по-
верхностей, залегающих глубже ВС, коэффициент устойчивости
138
более высокий. По поверхности 7М4 массив может удерживаться
одними силами сцепления пород естественной влажности, а сле-
довательно, ниже ее нет необходимости проводить дренажные
работы. По. поверхностям в пределах границы ABNM массив
удерживается силами сцепления и трения, следовательно, в этих
пределах должны проводиться дренажные работы.
§ 5. СПОСОБЫ ДРЕНИРОВАНИЯ
Разработка способов дренирования представляет собой само-
стоятельную тему, поэтому здесь только перечисляются мероприя-
тия, которые целесообразно применять на открытых разработках.
А. Для дренажа земной поверхности в пределах осушаемого
контура следует:
1) прокапывать дренажные канавы, соединяющие отдельные
впадины и отводящие воду за пределы осушаемой площади;
2) прокапывать нагорные канавы за пределами границ осу-
шения со стороны возвышающихся участков земной поверхности;
3) засыпать небольшие впадины и овраги;
4) откачивать воду из впадин с большим водосбором;
5) перепускать воду через скважины в подземные дренажные
выработки и водоносные слои, дренируемые подземным способом,
с пониженных участков земной поверхности с небольшим водо-
сбором, где нерациональна организация водоотлива.
Все эти мероприятия должны применяться с таким расчетом,
чтобы с наименьшими затратами ликвидировать имеющиеся на
площади запроектированного карьера водоемы и обеспечить сток
дождевых и талых вод из всех впадин земной поверхности в гра-
ницах площади, подлежащей осушению.
Б. Для дренажа поверхности уступов и бортов необходимо:
1) соблюдать профиль экскаваторных работ и не допускать
образования бессточных впадин на бортах карьера как при вы-
емке, так и при образовании внутренних отвалов;
2) прокапывать поперечные водосточные канавки и в слабых
породах оборудовать их лотками для перепуска воды с уступа на
уступ к водосборникам; канавки прокапывать в местах выхода
воды из горных пород и в местах понижения профиля площадок
уступов;
3) планировать навалы и обрушившиеся массивы на нерабо-
чих бортах;
4) устраивать погоризонтные водосборники и систематически
откачивать воду со дна карьера для предотвращения обводнения
пород нижележащего горизонта.
Месторождения первого типа, 'сложенные скальными и полу-
скальными трещиноватыми породами, можно дренировать откры
тым способом, при котором дренажной выработкой является сам
карьер.
139
Основной целью дренажа этих месторождений является осу-
шение вскрышных и угольных забоев. В этих условиях вода не
оказывает существенного влияния на устойчивость бортов.
При небольших притоках воды можно ограничиться устрой-
ством поуступных поперечных водосточных канавок, продольных
канавок по нижнему горизонту, устройством водосборника на
нижнем горизонте и систематической откачкой воды из него.
При организации открытого водоотлива необходимо избегать,
устройства продольных водосточных канавок на площадках усту-
пов, так как последние обводняют уступы на всем своем протя-
жении, тогда как выход воды из горных пород на площадки
уступов происходит лишь в отдельных участках. Лучше всего
перепускать воду по поперечным канавкам, прокапываемым is
местах выхода воды из горных пород. Продольные водосточные
канавы эффективны лишь в том случае, когда воду по ним можно
отвести самотеком за пределы карьера. При этом необходимо це-
ментировать стенки канав.
На месторождениях, сложенных сильно трещиноватыми поро-
дами с пологой депрессионной поверхностью, открытый дренаж:
применяется и при больших притоках воды. В некоторых слу-
чаях с нижнего горизонта можно проходить водопонижающие ко-
лодцы или шурфы, опережающие открытые горные разработки
на 20—30 м.
При наклонном и крутом залегании слоев породы лежачего
бока, когда глубина работ превышает 50 м, следует подсекать
наклонными скважинами из карьера.
Применение водопонижающих скважин целесообразно лишь
при большой обводненности пород или в качестве заграждения
при больших динамических притоках воды к карьеру.
Подземные дренажные выработки применяются лишь в ка-
честве заградительного дренажа при большой глубине карьера
и больших динамических притоках воды к карьеру. При этом!
на дренажные штреки пробуриваются забивные и сквозные
фильтры.
Дренаж месторождений второго типа необходимо осуществлять
водопонижающими скважинами или подземными горными выра-
ботками как со стороны висячего, так и со стороны лежачего бока
с опережением открытых разработок. Частота пересечения водо-
носных слоев находится в пределах от 200 до 500 м и зависит от
степени плотности водонепроницаемых пород, мощности слоев и
коэффициента фильтрации как водоносных слоев, так и водоупор-
ных. При глубине разработок до 150 м дренаж производится
водопонижающими скважинами, а при большей глубине — под-
земными горными выработками. При бурении дренажных сква-
жин с уступов борта глубина дренирования водопонижающими
скважинами не ограничивается, однако в этом случае не всег-
да может быть создано необходимое опережение дренирования
пород.
140
При глубоком залегании пластов и наличии двух и более водо-
носных горизонтов необходимо применять комбинированный спо-
соб дренажа — горные выработки на последнем горизонте с пере-
пуском водь! из вышележащего горизонта через скважины или
сквозные фильтры.
Для ликвидации высоких напоров воды в лежачем боку в
крепких породах достаточно ограничиться проходкой самоизли-
вающихся скважин в лежачий бок, пробуренных по нормали к
наслоению.
Во всех случаях необходимо широко использовать перепуск
воды из водоносных слоев небольшой мощности и не выдержан-
ных по площади в мощные водоносные слои, из которых затем
производится откачка. Такой способ дренирования можно при-
менять, в частности, к опоковому слою мощностью до 1,6—2 м
и невыдержанным слоям песчаников, песков, галечников и тонким
угольным слоям, залегающим как в кровле, так и в почве раз-
рабатываемого пласта.
Если в покрывающих породах имеются водоносные линзы не-
больших размеров, залегание которых разведано недостаточно, то
для их дренирования можно применить штольни, проходка кото-
рых производится из карьера.
Штольни лучше проходить по одному из угольных слоев ниже
водоносного слоя, а затем уже из них вскрывать водоносные
линзы забивными или сквозными фильтрами. Штольни следует
проходить только на тех участках рабочего борта, где наблю-
дается выход грунтовой воды в борт. После осушения линзы про-
ходка штольни прекращается.
Со стороны нерабочего борта на месторождениях второго
типа в большинстве случаев необходимо создавать барьерную
дренажную систему, состоящую из штрека, пройденного парал-
лельно борту, сквозных и забивных фильтров и водопонижающих
трубчатых колодцев, проходимых из штрека, или состоящую из
ряда водопонижающих скважин. Однако последние могут ока-
заться эффективными лишь при выдержанном залегании водо-
носных слоев и их хорошей разведанности.
При большом расстоянии между источниками, выходящими
в нерабочий борт, барьерная дренажная система может быть за-
менена штольнями и проходимыми из них или на них скважи-
нами.
На месторождениях третьего типа особое значение приобре-
тает тщательный дренаж земной поверхности в пределах осу-
шаемого контура, а также осушение площадок уступов и подошвы
карьера, так как слагающие их породы, легко поглощая воду,
трудно ее отдают. Дренаж поверхности во многих случаях лучше
производить сразу на всей площади запроектированного карьера.
Водосточные канавы прокапываются за линией барьерного
дренажа с таким расчетом, чтобы фильтрующаяся из водосточных
канав вода перехватывалась дренажными выработками, а со
141
стороны нерабочего борта и вдоль откосов капитальных траншей
необходимо сооружать постоянно действующие водоводы из во-
донепроницаемых железобетонных лотков или труб.
Глубинный дренаж пород производится преимущественно через
скважины, сеть которых сгущается до 200—300 м.
Результаты дренажных работ на Подмосковном, Буланашском,
Бабаевском и других месторождениях позволяют сделать вывод
о том, что в условиях неуплотненных или слабо уплотненных от-
ложений дренаж водопонижающими скважинами в ближайшее
время станет основным способом дренирования угольных место-
рождений, разрабатываемых открытым способом.
Следует отметить существенное различие между дренирова-
нием месторождений, разрабатываемых подземным и открытым
способами.
При подземных разработках осушаются только те водоносные
слои в кровле разрабатываемого пласта, которые попадают в зону
обрушения пород, не превышающую пятикратной мощности выра-
батываемого пласта, и напорные воды в почве в слоях, удален-
ных не далее чем на двукратную мощность пласта. При открытых
разработках дренируется вся гравитационная вода, заключаю-
щаяся в массиве пород, граница которого отстоит от предельного
контура карьера не менее чем на величину предельной глубины
карьера — по горизонтали, и на 20—50 м ниже подошвы карьера.
Кроме того, при подземных разработках горные выработки,
считающиеся наиболее эффективными дренажными устройствами,
являются неотъемлемой частью горноподготовительных работ, а
при открытых разработках проходка подземных дренажных вы-
работок производится полностью за счет дополнительных затрат.
Этими различиями определяется стремление избавиться при
открытых разработках от проходки подземных дренажных выра-
боток и заменить их более дешевыми дренажными устройствами.
При подземном же способе, наоборот, стремятся максимально ис-
пользовать горноподготовительные выработки в качестве дренаж-
ных, применяя водопонижающие скважины лишь для облегчения
проходки горных подготовительных выработок.
На месторождениях третьего типа почти во всех случаях со
стороны нерабочего борта необходимо создавать барьерную си-
стему дренажных устройств, если ниже уровня грунтовых вод
залегают слои или линзы водоносных пород: галечников, песков,
суглинков, песчаных и песчано-галечниковых глин. При выдер-
жанном залегании галечников, крупнозернистых и среднезерни-
стых песков и при хорошей их разведанности надежный барьер
может быть создан водопонижающими скважинами. При слож-
ном залегании большого количества разобщенных водоносных
каналов, представленных линзами песков, галечников, суглинков
с включением гравия или песчаных глин, по которым в борт карь-
ера поступает вода, необходимо проходить по почве пласта бор-
товой штрек, на который пробуривать сквозные фильтры, пере-
145
секающие верхние водоносные линзы; нижние водоносные линзы
вскрываются восстающими скважинами — забивными фильтрами
в кровлю. Если в почве пласта также залегают водоносные лин-
зы, то их необходимо дренировать водопонижающими трубча- >
тыми колодцами до глубины 5—10 м от почвы пласта. При не-
большом количестве водоносных источников, выходящих в нера-
бочий борт на значительном расстоянии один от другого, барьер-
ные дренажные устройства можно заменить дренажными штоль-
нями и сквозными или забивными фильтрами, пробуренными из
них.
Для увеличения эффективности всех дренажных скважин, во-
допонижающих, сквозных и забивных фильтров, дренирующих
слои пород с низким коэффициентом фильтрации, необходимо
применять вакуум, так как в этом случае дебит скважин воз-
растает в 2—3 раза, а иногда и более.
Со стороны рабочего борта дренированию подлежат водонос-
ные пески, галечники и угольные слои, а суглинки и песчаные
глины, если среди них нет более водоносных слоев, можно и не
дренировать.
При наличии больших динамических притоков воды из-за пре-
дельного контура карьера со стороны рабочего борта также не-
обходимо создавать барьерные дренажные устройства, состоящие
из водопонижающих скважин или дренажных штреков и пробу-
ренных из них забивных фильтров.
§ 6. ПРИМЕРЫ РАСПОЛОЖЕНИЯ ДРЕНАЖНЫХ ВЫРАБОТОК
И УСТРОЙСТВ
1. Дренаж Коркинского месторождения
Коркинское месторождение сложено породами мезозойского
возраста: аргиллитами, алевролитами, песчаниками, углями и
углистыми сланцами, слои которых имеют изменчивую мощность
и большую фациальную замещаемость.
Промышленная зона участка открытых работ характеризуется
сложным строением и в общем виде может быть представлена
как моноклиналь, погружающаяся на север под углом 14—20° и
осложненная рядом крупных складчатых структур и разрывов.
Основное влияние на устойчивость бортов и дренаж оказывают
западная и восточная синклинальные складки, ограничивающие
месторождение по простиранию, из-за которых породы, слагаю-
щие борта, имеют падение в сторону карьера, что в значительной
степени ухудшает их устойчивость.
Размытая морем поверхность угленосных мезозойских отло-
жений на большей площади является естественным водоупором
между водами мезозойских и покровных отложений. Последние
с южной, восточной и северной сторон имеют мощность 10—15 м
и представлены в основном бурыми глинами и суглинками, а е
143
западной стороны — опоковыми глинами и суглинками общей
мощностью до 25—30 м, в которых местами залегают небольшие
линзы песков.
Покровные отложения повсеместно подстилаются слоем водо-
носных трещиноватых опок, залегающих на размытой водоупор-
ной поверхности угленосных отложений. Водоносными являются
пески и трещиноватые опоки, песчаники, угли и конгломераты
угленосных отложений.
В целом для свиты пород лежачего бока коэффициент филь-
трации составляет от 0,014 до 0,52 м/сутки, причем для слоев
трещиноватых пород он имеет значительную величину.
Депрессионная поверхность имеет наклон 4—6° по простира-
нию слоев, а вкрест простирания со стороны лежачего бока 10—
16°, почти совпадая с наслоением пород.
Ориентировочная предельная глубина карьера по проекту
принята 405 м по углю и 335 м по вскрыше. К моменту погашения
карьера его размеры поверху составят в широтном направлении
2800 м, а в меридиональном направлении в западной части 2000 м
и в восточной — 2750 м.
Дренаж Коркинского месторождения осуществляется подзем-
ными горными выработками, схема расположения которых пред-
ставлена на рис. 66. В первый период эксплуатации дренажные
выработки шахты № 27, пройденные по горизонту 70—74, обеспе-
чивали дренаж западной части карьера и ко времени обследова-
ния были почти полностью срезаны. Дренажные выработки шах-
ты № 28 были пройдены в южном борту в виде системы уклонов,
квершлагов и штреков на глубине 96; 129; 166; 214 и 278 м от
земной поверхности.
Восточная часть карьера осушается горизонтальными выработ-
ками, пройденными от дренажного шурфа на горизонтах 75; 112
и 145 м в трех направлениях вкрест простирания пласта.
В северной части карьера со стороны висячего бока горные
породы сдренированы выработками эксплуатационных шахт 30,
27, 19 и 29-бис.
Осушение пород, слагающих борта Коркинского карьера, пре-
дотвратило появление глубинных оползней.
Анализируя схему расположения дренажных выработок, не-
обходимо отметить следующие ее недостатки:
1) отсутствие централизованного водоотлива;
2) большое количество дренажных горизонтов и многоступен-
чатость водоотлива и подъема породы при проходке выработок;
3) отсутствие дренажных скважин — сквозных и забивных
фильтров.
Отсутствие общего плана организации дренажных работ на
всем карьере и большое количество дренажных горизонтов яви-
лось причиной большой стоимости дренажных работ. Об излиш-
ней стоимости дренажных выработок убедительно говорит факт
проходки дренажных выработок горизонта 214 м, где при работе
144
Рис. 66. Схема расположения дренажных выработок, пройденных
на Коркинском карьере:
а—план карьера; б—разрез по /—/, а—разрез по 11—11
Ю Г. Л. Фисенко
145
одного или двух забоев с, суммарным суточным подвиганием не
более 2—3 м эту проходку обслуживали четыре подъема — три
по уклонам и один по стволу, на которых было задолжено 9 чело-
век откатчиков-лебедчиков в одну смену.
Хорошая дренируемость трещиноватых пород на Коркинском
карьере позволяет располагать дренажные горизонты не через
30—40 А а через 120—150 м, что значительно сократит общее
протяжение дренажных выработок и упростит их схему.
Установка сквозных и забивных фильтров в лежачий и ви-
сячий бока пласта также способствует сокращению протяженно-
сти подземных дренажных горных выработок.
По проекту реконструкции Коркинских карьеров, при их углуб-
ке до 350 м предусмотрено два дренажных горизонта — 280 и
360 м. Погоризонтные дренажные штреки проходятся в широтном
направлении из действующих шахт № 29-бис и 29 «Капиталь-
ная».
Благодаря сложной форме залегания пласта эти штреки пере-
секают угольный пласт от почвы до кровли 2—3 раза на всем
своем протяжении. Для дренирования пород, слагающих запад-
ный борт, было рекомендовано продолжить погоризонтные дре-
нажные штреки до оси западной синклинальной складки и пробу-
рить по этой оси на каждый штрек по одной дренажной сква-
жине, оборудовав каждую из них гравийной засыпкой по всей
глубине. Для ликвидации напорных вод в лежачем боку и предот-
вращения образования глубинных оползней рекомендуется про-
бурить в лежачий бок по четыре самоизливающиеся скважины на
каждом дренажном горизонте глубиной не менее 100 м от почвы
пласта на горизонте 280 м и не менее 160 ле на горизонте 360 м,
расположив их на расстоянии 300—400 м од га от другой. Так
как эти скважины предназначаются для снятия высоких напоров
в почве пласта, то нет необходимости оборудовать их насосами,
а достаточно снабдить лишь гравийной засыпкой по всей глубине.
2. Дренаж пород на Волчанском карьере № 4
Среди пород, слагающих Волчанское месторождение, водо
носными являются трещиноватые слои глинистых песчаников и
угля, залегающие среди аргиллитов и алевролитов. Разрабаты-
ваемый пласт имеет форму брахисинклинальной складки разме
ром около 1,5 км в меридиональном направлении и до 800 м в
широтном с максимальной глубиной погружения оси складки до
80 м.
Дренаж угольного пласта осуществляется четырьмя водопо-
нижающими скважинами, пробуренными до оси складки (рис. 67).
При работе только двух скважин с суммарным средним рас-
ходом 120 м?1час через 50—60 дней с начала откачки уровень
подземных вод снизился более чем на 14 м от первоначального
(пунктирная линия на рис. 67), а за 9 месяцев почти на 40 м
146
ю
-------------------0,5 км------------------------—•ч
Рис. 67. Схема расположения дренажных скважин на Волчанском карьере№4:
а—меридиональный, широтный разрез, в—водопонизительные скважины; «—наблюдательные скважины; /—суглинки и глины,
2—песчаные глины, пески и галечники, 3—песчаники, 4—аргиллиты и алевролиты, 5— верхний пласт угля. 6—нижний пласт угля
(сплошная линия на рис. 67). При регулярной работе скважин
уровень воды был ниже заглубления угольного забоя на 7—
10 м [12].
Но так как в водоносных слоях ниже разрабатываемого пла-
ста оставались напорные воды, то при углублении разработок до
40 м лежачий бок начал оползать по кровле нижележащего водо-
носного угольного пласта на всем протяжении карьера (см.
рис. 45).
После перемещения работ на восточное крыло подобные же
оползни лежачего бока образовались и с восточной стороны
карьера.
На этом месторождении имелись чрезвычайно благоприятные
условия для дренирования пород, подстилающих разрабатывае-
мый угольный пласт. На 25—30 м ниже разрабатываемого пла-
ста залегала свита слоев трещиноватого угля, являющихся хоро-
шим коллектором для воды, которая создавала возможность легко
и просто обеспечивать дренаж пород лежачего бока путем
углубления водопонижающих скважин до полного пересечения
угольных слоев нижележащей свиты. При этом не требовалось
полностью осушать свиту нижележащих слоев, а достаточно бы-
ло, чтобы одновременно с углубкой работ и снижением уровня
в разрабатываемом пласте снизить напор воды и в лежачем боку.
Последнее полностью предотвращает образование глубинных
оползней бортов, приносящих убытки, измеряющиеся миллиона-
ми рублей.
3. Дренаж Богословского месторождения
Богословское месторождение сложено породами мезозойского
возраста, залегающими в форме асимметричной мульды, протя-
нувшейся с юга на север на несколько километров.
Падение западного крыла на выходах составляет от 6 до 15°
и лишь в центральной части местами достигает 26°.
Восточное крыло крутое, и на выходах его падение дости-
гает 60—80°. В северной половине месторождения оно срезано
по наклонной поверхности и надвинуто на осевую часть пласта.
В южной части месторождения восточные выходы пласта уходят
далеко за пределы границы открытых разработок.
Среди покрывающих пород наибольшее распространение
имеют глинистые песчаники, алевролиты и аргиллиты; угольный
пласт в южной части подстилается бокситовидными и брекчие-
видными глинами, ниже которых залегают водоносные девонские
известняки. В центральной и северной части между угольным
пластом и бокситовидными глинами вклиниваются подугольные
отложения алевролитов, аргиллитов и песчаников. В надвиговой
части в непосредственном контакте с угольным пластом нахо-
дятся известняки, срезавшие угольный пласт на глубине от 20
до 180 м.
148
В первый период эксплуатации дренаж месторождения про-
изводился только подземными горными выработками, для чего
было пройдено пять дренажных шахт. Из последних по уголь-
ному пласту пройдена сеть дренажных штреков и водосборников.
Породы вскрыши и подстилающие породы не дренировались,
ьследствие чего, начиная с глубины разработок около 40 м, про-
исходит систематическое оползание пород лежачего бока под
влиянием напорных вод в подугольных отложениях.
После того как в 1945 г. произошел прорыв воды, из под-
угольных известняков лежачего бока начали производить откачку
воды через водопонижающие скважины. Однако снижение уровня
воды в породах лежачего бока значительно отстает от углубки
карьера, вследствие чего оползни лежачего бока продолжаются.
При вскрытии бортом карьера известняков надвиговой части
началась откачка воды из известняков при помощи водопони-
жающих скважин и в северо-восточной части месторождения.
При дальнейшем развитии разработок проектом реконструк-
ции карьеров дренаж месторождения предусмотрено осущест-
влять водопонижающими скважинами.
При подходе к предельному контуру карьера в юго-восточной
части месторождения, где выход угольного пласта находится
далеко за предельным положением борта и происходит движе-
ние воды с восточной стороны к карьеру, по предложению автора,
проектом предусматривается проходка бортового дренажного
штрека, на который проходятся сквозные фильтры на расстоя-
нии 200 м один от другого. В почву пласта также предлагается
пробурить самоизливающиеся скважины глубиной до 50 м для
снятия напорных вод в почве пласта.
Дренаж пород лежачего бока для предотвращения их опол-
зания вместе с располагающимися в карьере внутренними отва-
лами можно осуществить водопонижающими скважинами, кото-
рые необходимо пробуривать из карьера по мере продвигания
угольного забоя. Дренажем должна быть охвачена толща пород
лежачего бока мощностью в 50—60 м.
4. Дренаж пород на Ермолаевском карьере
Ермолаевский карьер разрабатывает Бабаевское месторожде-
ние бурого угля на южном Урале.
Месторождение сложено породами третичного возраста, из
которых наибольшее распространение имеют глинь^ различного
состава, пески, уголь и галечники. На эродированной поверх-
ности третичных пород залегают четвертичные отложения крас-
но-коричневых и буро-коричневых глин и суглинков с прослоями
мелкозернистых песков и галечников. Угольный пласт, залегаю-
щий в общем виде горизонтально, имеет большое число диапи-
ровых поднятий.
В периферийных участках угольный пласт падает от границ
149
к середине месторождения под углами до 5—8°. Покрывающие
угольный пласт линзообразные отложения глин, суглинков, песков
и галечников средней мощностью от 20 до 50 м также ослож-
нены диапировыми поднятиями, что значительно затруднило их
дренирование.
На большей части площади угольный пласт подстилается водо-
носными мелкозернистыми, часто глинистыми песками мощностью
от 6 до 30 м.
Почва пласта также сильно всхолмлена, и на расстоянии
100 м имеется перепад отметок почвы пласта до 20—25 м.
Уголь Бабаевского месторождения имеет аморфное землистое
строение и при обнажении горными выработками способен по-
глощать воду.
Водоносными являются галечники, пески, песчаные глины, су-
глинки и сам угольный пласт.
По данным пробных откачек, коэффициент фильтрации для
угольного пласта колеблется от 0,012 до 0,75 м/сутки, а для
подугольных песков от 0,004 до 0,29—0,94 м!сутки. Воды под-
угольных песков имеют напор в пределах от 23 до 85 м в зави-
симости от глубины залегания почвы пласта.
На основе специальных гидрогеологических исследований,
трест Южуралуглеразведка рекомендует производить дренаж
месторождения комбинированным способом: в местах неглубокого
залегания буроугольной залежи и небольшого гидростатического
напора — дренажными горными выработками, а в местах глу-
бокого залегания углей и при больших гидростатических напо-
рах — водопонижающими скважинами большого диаметра.
Однако эти рекомендации не оправдали себя при производ-
стве дренажных работ.
При проходке дренажных штреков по углю в них не только
не профильтровывалась вода из подугольных песков, но и из
угольного пласта наблюдался лишь небольшой капеж, не создаю-
щий даже небольшого потока по штреку длиной в 200—300 м.
Угольный забой в момент проходки штреков оказывался совсем
сухим.
Вода в штреки поступала лишь из прорывов подугольных на-
порных вод и из скважин (забивных фильтров), пробуренных
в почву пласта, которые дают от 5 до 20 м31час.
При откачке воды из водопонижающих скважин, пробуренных
на участках большого погружения пласта, соседние приподнятые
участки пласта и подстилающие пески оказывались полностью
осушенными, и проходить по ним дренажные выработки не было
никакой необходимости.
Проектом Ленгипрошахта предусматривается осуществление
дренажа Бабаевского месторождения комбинированным способом:
первоначально проходятся водопонижающие скважины, которые
снижают напор воды в подугольных песках на 40—60 м, после
чего проходится сеть дренажных штреков по углю, из которых
150
в почву пласта пробуривают забивные самоизливающиеся фильт-
ры и водопонижающие трубчатые колодцы. Для дренажа покров-
ных отложений проектом предусмотрены сквозные фильтры,
пробуриваемые на дренажные штреки. Штреки проходятся по
прямым линиям, к которым приурочены все дренажные устрой-
ства, на расстоянии 300 м один от другого в широтном направ-
лении и около 150 м в меридиональном.
Данный проект дренажа имеет следующие недостатки:
1. Вследствие вхолмленного залегания почвы пласта профиль
прямолинейных дренажных штреков получился чрезвычайно
сложным; при проходке основного дренажного штрека на про-
тяжении 600 м было установлено пять лебедок и четыре перекач-
ных насоса. Между тем не было необходимости делать штреки
прямолинейными, так как при проектировании дренажных штре-
ков необходимо соблюдать следующие основные положения:
а) обеспечивать максимальный охват наиболее пониженных
участков пласта одним штреком с уклоном в сторону насосной
камеры, что упрощает проходку штрека и обеспечивает есте-
ственный сток воды; б) проходить во впадины, не охваченные
штреками, тупиковые уклоны, из которых производится откачка;
в) принимать расстояние между смежными штреками, исходя из
фильтрационных свойств дренируемых пород. Если принять эти
положения, то устраивать сетку штреков, как это запроектировано
на Ермолаевском карьере, нет необходимости.1
2. Прямыми линиями дренажных штреков не охватываются
водосодержащие впадины галечниковых и песчаных линз, зале-
гающих в покрывающих отложениях, вследствие чего сквозные
фильтры, пробуренные на штреки, попадают на возвышения водо-
носных слоев и оказываются безводными, вода же поступает
в борт карьера по понижениям этих слоев.
3. Не было никакой необходимости приурочивать водопони-
жающие скважины к линиям штреков. Их следовало проходить
лишь во впадинах подугольного водоносного слоя, что в большой
степени увеличивает дебит и срок службы скважины, создавая
возможность произвести полное осушение подугольных отложений
одними лишь водопонижающими скважинами без штреков.
Исходя из гидрогеологических условий и первых результатов
дренажных работ, проведенных на карьере, можно рекомендо-
вать следующую схему дренирования Бабаевского месторож-
дения:
1 Байдаковский угольный карьер Днепровского бассейна имеет геологи-
ческое строение, близкое по условиям к Ермолаевскому карьеру. Для
осушения подугольного и надугольного водоносных горизонтов там приме-
няется описанная автором в этом абзаце схема дренажа, целиком оправды-
вающая себя как по техническим, так и по экономическим показателям.
Поэтому отвергать осушение при помощи дренажных штреков нельзя, а сле-
дует решать вопрос дренирования в каждом отдельном случае, учитывая
конкретные условия Прим ред
151
1) дренаж подугольных песков осуществлять только водо-
понижающими скважинами, для увеличения дебита которых не-
обходимо: а) пробуривать последние на участках понижения
почвы угольного пласта; б) углублять скважины на 25—30 м
в подугольные пески, пересекая ряд водоносных линз песков
в почве пласта; в) перед сдачей скважины в эксплуатацию про-
изводить ее прокачку, добиваясь выноса песка в период прокачки,
Рис. 68. Схема дренирования пород на Ермолаевском карьере:
/—суглинки, 2—глина песчаная, 3—глинистый галечник; 4—глина вязкая, 5-песок глинистый,
б—отвалы, 7—уголь
что значительно увеличит дебит скважин; г) располагать сква-
жины не чаще чем в 300—400 м одна от другой;
2) дренаж надугольных отложений, запасы вод в которых
невелики и пополняются лишь за счет фильтрации атмосферных
осадков, осуществлять путем перепуска их в подугольные пески,
для чего на участках понижения линз песков и галечников про-
буривать водопоглощающие скважины на подугольные пески;
3) для предотвращения оползней западного нерабочего борта,
где подугольные пески не имеют непрерывного залегания и часто
замещаются глинами, а покрывные отложения имеют особенно
сложное залегание, необходимо создать барьерную систему дре-
нажных устройств для перехвата грунтовых вод, поступающих
к борту со стороны возвышенности, расположенной западнее
карьера.
Для этой цели на всем протяжении борта необходимо пройти
дренажный штрек, на который на всех участках понижения над-
152
угольных водоносных линз пробурить скважины — сквозные и
забивные фильтры. В почву штрека на всех участках понижения
пласта пройти водопонижающие трубчатые колодцы глубиной
5—10 м.
После вскрытия подугодьных песков открытой траншеей дре-
наж Бабаевского месторождения можно будет еще более упро-
стить. Как показывают результаты проведенных дренажных ра-
бот, депрессионная воронка в подугольных песках очень пологая,
что позволяет дренировать подугольные пески водопонижающими
колодцами/, проходимыми непосредственно из карьера (рис. 68,а).
Воды надугольных отложений можно перепускать через погло-
щающие скважины // в подугольные пески, для чего достаточно
иметь небольшую разность статических уровней верхнего и ниж-
него водоносных горизонтов.
Если описанная схема дренирования на отдельных участках
окажется недостаточной, можно применить дренажные штоль-
ни ///, сквозные IV и забивные фильтры и трубчатые колодцы V
(рис. 68,6). Во всяком случае от сети подземных дренажных гор-
ных выработок на этом месторождении необходимо отказаться.
ГЛАВА IX
АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТОВ
УСТОЙЧИВОСТИ откосов
Методы расчета устойчивости необводненных откосов связных
горных пород, предложенные до настоящего времени, можно раз-
делить на пять групп: 1) методы расчета предельного очертания
откосов вогнутой формы, разработанные В. В. Соколовским и
С. С. Голушкевичем, и основанные на них графики предельных
очертаний откосов; 2) методы расчета углов откосов при плоской
поверхности скольжения; 3) методы расчета углов откосов при
круглоцилиндрической поверхности скольжения; 4) методы рас-
чета углов откосов при сложной поверхности скольжения, учи-
тывающие наслоение и трещиноватость пород; 5) методы расчета
углов откосов по так называемым углам сдвига без определения
формы и положения поверхности скольжения.
При проектировании глубоких карьеров, когда применение
неправильных методов может повлечь за собой катастрофическое
обрушение или завышение объема вскрышных работ, большое
значение приобретает достаточное теоретическое обоснование при-
меняемых методов расчета оптимальных углов наклона бортов.
Ниже приводятся примеры методов расчета каждой группы,
примененные в последнее время в практике открытых разработок
или рекомендуемые к применению некоторыми авторами.
§ 1. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ОТКОСОВ
ПО МЕТОДАМ В. В. СОКОЛОВСКОГО И С. С. ГОЛУШКЕВИЧА
В отличие от следующих трех групп, в которых форма по-
верхности скольжения и ее положение в массиве принимаются
до начала расчета, в этих методах поверхность скольжения
строится в откосе по мере расчета от точки к точке.
Сущность решения задачи заключается в последовательном
определении положения точки С с координатами х и у (рис. 69),
величины напряжения и направления площадок скольжения в них
по двум исходным точкам А и В, в которых эти величины из-
154
вестны, причем для определения величины напряжения в точке С
и наклона площадки скольжения в ней учитываются влияния
объемных сил, заключенных в области АВС.
По методу В. В. Соколовского решение производится по при-
ближенным формулам:
„ Ук-1. I ~ h. /-! + Xk. l-l ‘2 К l-l + Vl I C,S Z + Р)
<P*. l-l + Ctg (?*-!,1 + p)
У“. I = I - ±xk ctg t + p)
I ~ ~ ftk-l, I + °*, l-l H (°*, l-l / JQK
+®M-1 I 2 M49)
__ 4 J_______^k- 1, l^Xk_________^k, l^Xk |
1 2 sin p sin I + p) 2 sin p cos t_.x J
[A Bt. _ i 1 • ДЛь
где
Lxk = xk,t — хь-\,г,
&xt = xk,i — xk, i-r,
д?а =?*,t — <?*-!, r,
Ak, i-i
— Xk, l—1 COS (<p£, i_i *f“ p)
— J*, z-i sin(<pft z_j +p);
^k-i, i~ xk-\, i s'n <?*-i,z+
4-y*_MCOS
По формулам (49) ве-
дутся вычисления для всех
точек в пределах обла-
сти ОВС (рис. 70). Для
точек, расположенных по
поверхности откоса (по линии ОС), значения искомых величин
определяются по формулам (50):
Xk. i ={ xA_lr ictg (срt + р) + г_! ф (?*_!, i_i) +
+Уа-1,/z—У*-1.Ул—1.Z—1} • ctg р) + Ф(?Л_! ,_i)
У*, i = y*-i. i — ctg (c?ft_i г + р) Дхй;
. 1 f Bk-1. f^xk I ctg р Лл I
?*, i = 4k-i i H------a *1
11 'k-1,1 |2 sin p-sin (<?£_! г + p) 2
Рис. 69. Схема последовательного опре-
деления точки С по заданным точкам А и
В по методу В. В. Соколовского
153
I
& ctg р
1 — sin р ’
где
ф i-i) — — ctg f’?*—1, г-i 4’ ——I—
В области О АВ расчет ведется по формулам:
(51)
°=i + ’г»71*с,е₽+р--к> •
156
где Ро — Интенсивность нагрузки, равномерно распределенной
по поверхности перед откосом. Здесь рассматривается
случай, когда левая часть этого равенства равна
правой;
—угол между положительным направлением оси х и
линиями скольжения первого семейства (в направле-
нии линии ОВ); положительное его значение откла-
дывается в сторону положительного направления
оси у.
Как видно из формул (49) и (50), координаты последующей
точки определяются пересечением касательных к линиям сколь-
жения в предыдущих точках, в то время как направление линий
скольжения непрерывно изменяется. Следовательно, точность
расчета определяется длиной интервала между исходными точ-
ками и кривизной линий скольжения, определяемой физико-меха-
ническими свойствами горных пород. Так, при расчете откоса,
сложенного породами с характеристиками: у=1,6 т/м3, к=3,9 т/м2
и р =14°, расстояние по оси у между исходными точками (на
рис. 70 отрезок а) составляло'0,78 м, а для пород с характери-
стиками у=2,5 т/м3, к=35 т/м2 и р =30° а= 5,0 м, однако точ-
ность построения во втором случае была выше, чем в первом.
С достаточной точностью можно считать длину этого интервала
прямо пропорциональной величине Но, определяемой выражением
//o = yctg(45°-^-)*
Погрешность расчета становится ощутимой, когда величина
отрезка а достигает O,iHo.
В отличие от В. В. Соколовского, С. С. Голушкевич разра-
ботал графический метод решения основных задач теории пре-
дельного напряженного состояния. При построении он использует
логарифмическое лекало, криволинейная часть которого опреде-
ляется уравнением
г = Ае~2*,г % (53)
где А — главный размер лекала, составляющий 35 — 40 см\
в — величина угла между смежными радиусами, выходя-
щими из полюса;
Р — угол внутреннего трения данной горной породы.
Величина е подбирается таким образом, чтобы значение со-
ответствующих длин радиусов-векторов можно было выписать из
таблиц значений функций е~х.
* Значение величины Яо предложено еще в 1934 г. проф. И. А. Симву-
лиди («Метрострой», 1934, № 5—6), т е. на 8 лет ранее В. В. Соколовского.
Прим. ред.
157
Если
£—2б tg р__£—0,10
ТО
0,10
2 tg р '
Построение откоса, находящегося в предельном напряженном
состоянии, сводится к последовательному графическому выпол-
нению элементарных задач, решение которых приведено на рис. 71
и которые состоят в следующем.
Рис 71. Решение элементарных операций по С. С. Голушкевичу:
а—первая операция, б—вторая операция
1. В сыпучей* среде (рис. 71,а) даны две близкие точки М'
и М". Известны значения напряжения о в этих точках и на-
правления пересекающихся в них площадок скольжения. Тре-
буется найти точку М, в которой пересекаются кривые скольже-
ния, проходящие через М' и Л4", и найти напряжение о в этой
точке.
2. Заданы отрезок кривой скольжения ЛГЛ4", конец кото-
рого М' находится на поверхности сыпучей среды, и значение
напряжения з в точке М" (рис. 71,6). Необходимо определить
точку пересечения поверхности со второй кривой скольжения,
158
проходящей через 7И", и очертание поверхности на участке
М"М [8].
Графическое решение первой задачи начинают с проведения
касательных к кривым скольжения в точках М' и М". Из точки
пересечения этих касательных (ЛГ*) проводят вертикальную ли-
нию, на которой линиями, выходящими из точек М' и М" под
углом 90°—р к вертикали, отсекают отрезки ЛГ*А' и ЛГ*Л", при-
ближенно равные длинам векторов влияния объемных сил, за-
ключенных в области М'М"М.
Затем через произвольную точку О проводят две прямые: одну
параллельную касательной, проходящей через ЛГ', а другую —
под углом 90°— р к касательной М'М*. На этих прямых отклады-
ваются отрезки, равные напряжениям в точках М' и ЛГ', а через
их концы С' и С" проводят через точку С" убывающую, а че-
рез С' возрастающую логарифмические спирали. Возрастающими
С. С. Голушкевич называет спирали, длина радиусов-векторов
которых при вращении их по часовой стрелке увеличивается,
а убывающими — спирали, длина радиусов-векторов которых при
вращении их по часовой стрелке уменьшается. От точки пересе-
чения спиралей (С*) в направлении линии, соединяющей ее с точ-
кой О, откладывают отрезки С*С'=ЛГ*Л' и С*С"=Л!*Л", через
концы которых также проводят возрастающую и убывающую спи-
рали. Длина отрезка ОС будет выражать напряжение а в точке М,
а его направление — направление касательной к линии скольже-
ния в искомой точке М. Искомая точка М определяется пересе-
лением линий, направление которых является средним между
направлением касательных к кривым скольжения в исходных точ-
ках ЛГ и М" и искомой точке М.
При нахождении точки С логарифмические спирали проводи-
лись таким образом, чтобы они были справа от линии ОС*, если
вектор *ЛГ*Л" (от правой точки ЛГ") больше вектора Л4*Л' (от
левой точки ЛГ). и, наоборот, точка С будет слева от точки С*,
если вектор М*А' был бы больше вектора Л4*Л".
Решение второй задачи выполняется следующим образом.
Определяем длину отрезка ON по формуле (54):
В = — п ~ sinp) М, (54)
7 sin
где 7И — масштаб графика.
На этом отрезке, наклоненном к горизонтали под углом
45°+
как на диаметре, проводят окружность.1 Через центр
окружности под углом (90° — р) к первому (опорному) диаметру
1 Здесь для упрощения изложения дается аналитическое выражение
величины опорного диаметра. С. С. Голушкевич его не дает, так как он все
исследование ведет графическим методом.
159
проводят второй диаметр. Конец этого диаметра О' называют
полюсом площадок, а конец опорного диаметра О — полюсом
напряжений. Углы между пересекающимися на окружности пря-
мыми,
проведенными
через О и О', составляют (45° —
f >"
равны углам, под которыми пересекаются кривые скольжения
и поверхность откоса. Затем из полюса напряжений, как из
центра, описывают окружность, радиус которой равен диаметру
окружности ON. Этим заканчиваются вспомогательные построе-
ния. Решение второй задачи начинается с проведения касатель-
ных к кривой скольжения в точке М" и к кривой поверхности
откоса в точке М'. Из точки пересечения касательных М* про-
водят вертикальную линию, на которой отрезком, проведенным
через точку М" под углом 90° — р к вертикали, отсекается от-
резок М*А, приближенно соответствующий влиянию объемных
сил, заключенных в области М"М'М.
Затем из точки О проводится вектор ОС", изображающий
напряжение <з в точке М". Через его конец проводят логарифми-
ческую спираль с полюсом в О. Из точки пересечения спирали
с большей окружностью (С*) откладывают вектор М*А по на-
правлению ОС*, и через его конец снова проводят спираль до
пересечения с большей окружностью. Вектор ОС по величине
и направлению соответствует приведенному напряжению а в иско-
мой точке М и направлению площадки скольжения в этой же
точке.
Положение точки М на откосе определяется пересечением двух
линий, из которых одна проводится из точки М' по направле-
нию О'Н, являющемуся средним между направлениями касатель-
ных к поверхности откоса в точке М' (направление О'Е') и
в точке М (направление О'Е), а вторая проводится из точки М"
по среднему направлению между касательными и кривой сколь-
жения в точках М" и /И.
Таким образом, решение первой и второй задач выполнялось
в три приема: 1) на графике площадок скольжения проводят
касательные к кривым и определяют величины векторов влияния
объемных сил; 2) на полярной диаграмме определяют величину
и направление приведенного напряжения в определяемой точке,
при этом направление этого напряжения совпадает с направ-
лением площадок скольжения в этой точке; 3) на графике
площадок скольжения находят местоположение определяемой
точки.
Построение всего откоса производится путем последователь-
ного решения первой элементарной задачи для всех точек, кроме
тех, которые расположены на поверхности откоса и вычисляются
путем решения второй элементарной задачи.
На рис. 72 дан пример построения откоса, находящеюся
в предельном напряженном состоянии, по методу С. С. Го-
лушкевича при условии: р = 30°; k = 50 т/м2 и 7 = 2,5 m/ж3.
160
Нагрузка на откос составляет
Ро =2* ctg (45°—|-j = 173 т]м\
Разделив Ро на объемный вес, получим выражение интен-
сивности внешней нагрузки в высоте столба пород с объем-
ным весом у:
Н90 = — ctg (45° —Ц = 69,3 м.
у \ 2 /
Построение сетки скольжения произведено в масштабе 1 : 1000.
Полярная диаграмма напряжений построена в масштабе в
2 раза большем, чем масштаб напряжений на чертеже откоса.
Опорный диаметр составляет
D== —
7
(1 + sin р)
sin 2р
— =138,5 мм.
500
11 Г. Л. Фисенко
161
На продолжении опорного диаметра отложены отрезки 0—1;
1—2; 2—3 и т. д., соответственно равные величинам изменения
напряжений на отрезках 0—1; 1—2; 2—3 и т. д. треугольной
области 0—13—13'. Затем следует чередование выполненных пер-
вых и вторых элементов операций. На графике сетки скольжения
линии Г—1—1", 2'—2—2", 3'—3—3" и т. д. являются линиями
предельного равновесия или линиями скольжения.
Рис. 73. Сравнение поверхностей скольжения, построенных
по методам В. В. Соколовского и С. С. Голушкевича
На рис. 73 для сравнения построены сетки скольжения по
методам С. С. Голушкевича (сплошные линии) и В. В. Соколов-
ского (пунктирные линии) для одних и тех же условий. Несмотря
на то, что вторая сетка вдвое гуще первой, откос, построенный
по методу В. В. Соколовского, круче, чем откос, построенный по
методу С. С. Голушкевича, который в свою очередь несколько
круче предельно напряженного откоса, изображенного пунктирной
линией с точкой.
Дело в том, что приближенные решения В. В. Соколовского
основаны на методе Масо, а в последнем, как указывалось выше,
определяемая точка находится как пересечение касательных
к кривым скольжения в исходных точках. При определении поло-
жения последующей точки по этому методу не учитываются
объемные силы, заключенные в области между исходными и
определяемой точками, вследствие чего происходит накопление
погрешностей в сторону уменьшения коэффициента устойчивости
откоса. Чем больше интервал между исходными точками, тем
162
больше погрешности. Уменьшение длины интервала между исход-
ными точками влечет за собой увеличение в квадрате количества
определяемых точек. Большая трудоемкость является существен-
ным недостатком метода В. В. Соколовского.
С. С. Голушкевич отказался от метода Масо и разработал
новый метод приближенного решения дифференциальных урав-
нений предельного напряженного состояния (необходимо отме-
тить, что он довольно просто и оригинально получил эти урав-
нения). С. С. Голушкевич при определении положения последую-
щей точки учитывает объемные силы, заключенные в области
между исходной и определяемой точками, а это дает возможность
брать большие интервалы между исходными точками. Так, для
построения откоса достаточно определить не более 50—60 точек,
на что потребуется 12—15 час. времени одного вычислителя.
Изложенные методы расчета откосов наиболее обоснованы
в теоретическом отношении, однако, кроме трудоемкости, они
имеют еще два существенных недостатка: 1) невозможность при-
менения в тех случаях, когда поверхность скольжения частично
или полностью проходит по контактам слоев или трещинам, и
2) возможность определения откосов только вогнутой формы,
которые являются наиболее невыгодными по сравнению с отко-
сами плоской или выпуклой формы.
Пользуясь методами В. В. Соколовского и С. С. Голушкевича,
можно построить график предельного очертания откосов выпук-
лой формы для ряда величин угла внутреннего трения, как это
было сделано автором настоящей работы [43]. Подобный же гра-
фик был построен Н. И. Головановым. Существуют также эмпи-
рические формулы для определения предельного положения отко-
сов вогнутой формы, полученные на основе построений откосов,
рассчитанных по методу В. В. Соколовского.
§ 2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА УГЛОВ ОТКОСОВ, ОСНОВАННЫЕ
НА ПРИНЯТИИ ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ
При расчетах по методам этой группы поверхность скольжения
принимается плоской как для однородной среды, так и для среды,
представленной горизонтальными слоями. Однако данные методы
необходимо отличать от теоретически обоснованных, в которых
плоская поверхность скольжения проходит по контактам слоев,
по трещинам или дизъюнктивным нарушениям, наклоненным
круче угла р. Из методов этой группы рассмотрим методы проф.
П. М. Цимбаревича, проф. Н. В. Орнатского и Хеннеса.
1. Схема к расчету предельной высоты откоса Н по заданным
углу наклона откоса а и характеристикам у, к и р по методу
П. М. Цимбаревича изображена на рис. 74. Распределение сил,
действующих в откосе относительно плоскости обрушения АС,
наклоненной к горизонту под углом О, показано на этом же ри-
11* 163
сунке. Моменту предельного равновесия соответствует соотноше-
ние сил, определяемое выражением
Q sin 0 = k (АС) -|- Q cos 0 tg p.
(55)
Подставляя в выражение (55) значение веса призмы Q и
длины отрезка АС, выраженные через высоту откоса и его
угол, получим
___ Н sin (а — 0) sin (0 — р)
2 cos Р sin а
(56)
откуда получается выражение для предельной высоты откоса
sin a COS р
(57)
Высота откоса, вычисленная
по формуле (57), может превы-
шать в 1,5—2 раза действитель-
ную высоту вследствие того, что
при выводе формулы (57) по-
верхность скольжения прини-
мается плоской и не учиты-
вается образование трещины
отрыва в верхней части откоса,
где силы сцепления и трения не
действуют.
При вертикальном откосе,
когда а=90°, формула (57)
принимает вид:
ГТ _
н^ =----
cpsp
(58)
7
Для подкрепления рекомендуемого метода проф. П. М. Цимба-
ревич сравнивает его с методом В. В. Соколовского, используя
формулу последнего, предложенную для расчета поверхности от-
коса, сложенного из грунта с идеальным сцеплением (т. е. при
отсутствии внутреннего трения):
(59)
где Ро— равномерно распределенная нагрузка на горизон-
тальной части борта перед откосом, которая может быть
заменена весом пород самого откоса.
164
Однако при этом у В. В. Соколовского указывается, что реше-
ние по формуле (59) возможно лишь в случае, если > 2k.
Проф. П. М. Цимбаревич, приняв в формуле (59) Ро=О и х=0,
делает вывод, что в данном случае «формула принимает крайне
простой вид»:
у = -^-(*4-1). (60)
По этой формуле высота вертикального откоса получается
в 4 раза больше, чем по формуле (58) П. М. Цимбаревича. Это
послужило основанием проф. П. М. Цимбаревичу считать предла-
гаемые им формулы более строгими, чем формулы В. В. Соколов-
ского. В действительности же
по формуле (58) П. М. Цимба-
ревича высота вертикального
обнажения получается в 2 раза
больше, чем по формулам
В. В. Соколовского.
П. М. Цимбаревич рекомен-
дует данный метод не только
для однородной изотропной, но
также и для слоистой среды Рис. 75. Схема к расчету откоса по
при горизонтальном залегании Н. В. Орнатскому
слоев. Однако, как показывают
результаты наблюдений за оползнями и теоретические расчеты,
при горизонтальном и пологом залегании слоев поверхность
скольжения, а следовательно, и расчетная поверхность в нижней
части на значительном протяжении проходит по наслоению пород,
что в еще большей степени ведет к уменьшению предельной вы-
соты откоса.
2. Проф. Н. В. Орнатский [24], принимая для невысоких от-
косов поверхность скольжения плоской, несколько иным реше-
нием получает ту же формулу (57), что и проф. П. М. Цимба-
ревич:
2k sih cos ь
При этом он рекомендует расчет производить не сразу для
всей высоты откоса, а по частям (рис. 75) — вначале для вы-
соты Л1, затем Л2 и т. д., в результате чего получается откос
криволинейного очертания.
Как было показано выше, формула (57), применяемая для
плоского очертания откоса, дает значительно завышенные углы.
В случае криволинейного очертания откоса призма АВС является
добавочной нагрузкой на откос AD, находящийся относительно
165
плоской поверхности скольжения в предельном равновесии при
угле наклона ш4.
3. Хеннес [44] для случая плоской поверхности скольжения
дает полуэмпирическую формулу
_________4fe_________
Tcosp(l — ctgOtg р)
cos 0(20+ 0,2)
COSp
й =
(61)
Ход рассуждений его понятен из рис. 76, где b обозначает
Рис. 76. Схема к расчету предель-
ной высоты откоса по Хеннесу
предельную высоту вертикаль-
ного откоса, р — угол трения.
Призма ABD находится в рав-
новесии под влиянием силы тре-
ния по поверхности BD, так как
по поверхности АВ нет актив-
ных давлений на эту призму; но
в этом случае не учитывается
сцепление по поверхности DB.
Если учесть это сцепление, то
высоту откоса можно увеличить
на величину t, определяемую
выражением
— 4fe (20 4- 0,2) cos О „.nv
7 cos’p
Величина t получена путем
подбора таких значений посто-
янных, при которых можно по-
лучить результаты, достаточно
близкие к полученным по мето-
ду Феллениуса. На рис. 76
h — d — b + t. (63)
Подставляя в уравнение (63) значения b, d и t и решая его
относительно h, получим формулу (61), т. е., по существу, этот
метод сводится к методу Феллениуса.
§ 3. МЕТОДЫ РАСЧЕТОВ УГЛОВ ОТКОСОВ,
ОСНОВАННЫЕ НА ПРИНЯТИИ КРУГЛОЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ
ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ
Из методов этой группы наиболее распространенным является
метод Феллениуса. Силы, действующие по поверхности при рас-
чете по этому методу, изображены на рис. 77.
Отношение суммы сил, удерживающих откос, к сумме сил
166
сдвигающих определяет коэффициент устойчивости по заданной
поверхности
(64)
Центр наиболее опасной поверхности располагается на пря-
мой Od, положение которой относительно откоса видно из рис. 77.
Углы Pi и р2 определяются по табл. 9.
Рис. 77. Схема к расчету устойчивости по методу
Феллениуса
Таблица 9
Углы Заложение откоса 1,73:1 1 :1 1:1.5 1:2 1 :3 1:5
а 60° 45е 34° 41' 26’34' 18’25' 11’19'
29° 28* 26° 25’ 25’ 25’
₽» 40° 37° 35е 35’ 35’ 37’
При этом точка О является центром наиболее опасной по-
верхности для горной породы, у которой внутреннее трение отсут-
ствует. При наличии внутреннего трения необходимо взять на
прямой Od ряд новых центров поверхности, по ним определить п
и найти положение наиболее слабой поверхности.
Так как уравнения для определения предельных откосов при
одновременном учете сил трения и сцепления сложны и требуют
трудоемких вычислений, Феллениус предложил графики для упро-
щенного решения задачи. Пользуясь графиком, изображенным
на рис. 78, по известному углу внутреннего трения определяют
167
коэффициент т, а затем, разделив на него сцепление породы k,
получают условное сцепление А90:
Л90 —
По условному сцеплению определяют предельную высоту вер-
тикального обнажения породы Яэо по формуле
Я90=-^* 0,958.
(65)
т
Пользуясь графиком, изображенным на рис. 79, по углу внут-
реннего трения данной породы и по отношению высоты данного
откоса к Я90 определяют предельный угол откоса. Если известен
угол откоса а, то по графику можно найти предельную высоту
откоса Н.
Из всех известных до настоящего времени методов расчета
углов откосов метод Феллениуса получил наибольшее распро-
странение, а результаты расчетов, получаемые по этому методу,
являются наиболее строгими в сравнении с другими упрощен-
ными методами.
По сравнению с расчетами по методам В. В. Соколовского и
С. С. Голушкевича метод Феллениуса дает несколько завышен-
ные значения. Это объясняется, во-первых, тем, что в этом методе
не учитывается отрыв, образующийся в верхней части поверх-
ности скольжения, и, во-вторых, тем, что расчетная поверхность
скольжения в этом методе не является наиболее слабой.
168
К этой же группе можно отнести метод проф. Н. П. Пузырев-
ского, использованный институтом Ленгипрошахт для расчета
углов заоткоски бортов Башкирских угольных карьеров, выпол-
ненного инж. П. И. Кожевниковым.1 * * Проф. Н. П. Пузырев-
Рис. 79. График зависимости между высотой откоса и его
углом по Филлеяиусу
ский [32] предложил для установления положения поверхности
скольжения формулу
r _ r 1 + Sin у
1 9 1 + Sin (ш, — р)
(66)
где Г; — радиус-вектор кривой скольжения в некоторой точке
(рис. 80);
г0 —ширина оползающего массива;
Р — угол внутреннего трения;
<иж- — угол наклона радиуса-вектора к горизонту.
Метод оценки устойчивости откоса основывается на сравне-
нии сил, удерживающих и сдвигающих массив, действующих по
расчетной поверхности. В этом случае расчет может быть пра-
вильным лишь тогда, когда сравнение сил ведется по наиболее
слабой поверхности, а в случае предельного равновесия по по-
верхности скольжения. Поверхность, построенная по формуле
проф. Н. П. Пузыревского, не является наиболее слабой, в чем
легко убедиться, сравнив силы, действующие по расчетной по-
верхности и по любой поверхности, проходящей выше ее. В из-
лагаемом методе проф. Н. П. Пузыревского допущена и другая
ошибка, которая повторяется и П. И. Кожевниковым. При опре-
1 Метод Н. ГТ. Пузыревского применен П. И. Кожевниковым также и для
расчета устойчивости внутренних отвалов на Байдаковском угольном карьере.
Прим ред.
169
делении нормальных и касательных сил, действующих по единице
площади поверхности скольжения, наклоненной под углом <]>
к горизонту, общий вес столба пород, опирающегося на эту пло-
щадку, принят равным (32, стр. 328]
Р = Л?,
в то время как необходимо принимать этот вес равным
P — hy cos <]>,
где А — высота столба породы;
f — объемный вес породы;
ф —угол наклона площадки скольжения,
Рис. 80. Схема построения поверхности скольжения
по Н. П. Пузыревскому
так как горизонтальное сечение элементарного столбика породы,
опирающегося на наклонную площадку, площадью равной еди-
нице, будет равно не единице, а 1 • cos^.
Эта ошибка в большей степени проявляется в завышении веса
призмы активного давления, где наклон расчетной поверхности
наибольший. При расчете это вызывает увеличение сдвигающих
сил против действительных и несколько компенсирует влияние
первой ошибки, которая влияет в обратную сторону. При неко-
тором случайном соотношении параметров откоса и физйко-
механических характеристик может получиться случайное совпа-
дение углов откоса, получаемых по методам Н. П. Пузыревского
и В. В. Соколовского, но это случайное совпадение не может
служить основанием для отождествления получаемых результа-
тов, как это делает П. М. Кожевников. В большинстве случаев
предельные углы откоса, рассчитанные по методам В. В. Соко-
ловского и Н. П. Пузыревского, сильно расходятся, вследствие
чего метод Н. П. Пузыревского не может быть рекомендован для
практического использования.
170
§ 4. МЕТОДЫ РАСЧЕТОВ УГЛОВ ОТКОСОВ ПРИ СЛОЖНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ, УЧИТЫВАЮЩИЕ НАСЛОЕНИЕ
И ТРЕЩИНОВАТОСТЬ ПОРОД
Методы этой группы наиболее соответствуют условиям зале-
гания трещиноватых пород, смятых в синклинальные и антикли-
нальные складки и разбитых дизъюнктивными нарушениями. При
разнообразных формах залегания слоев пород и элементов ослаб-
ления в них невозможно ограничиться какой-либо одной расчет-
ной схемой. Нами предложен ряд
расчетных схем, применяемых в за-
висимости от условий залегания по-
род, описание которых дано ниже.
Здесь же рассмотрим метод проф.
Л. Н. Бернацкого, рекомендуемый к
применению Ю. Н. Малюшицким [19]
в преобразованном им аналитиче-
ском виде. Эта необходимость вызы-
Рис. 81. Схема к расчету устой-
чивости откоса по Л. Н. Бер-
нацкому
вается наличием в методе двух су-
щественных недостатков.
Ю. Н. Малюшицкий рекомендует
применять этот метод для расчета
предельного угла откоса бортов и уступов, содержащих в своем
разрезе ослабленные контакты песчаных и глинистых пород
с резко пониженной сопротивляемостью сдвигу.
Рассматривая равновесие призмы упора и призмы активного
давления (рис. 81), проф. Л. Н. Бернацкий принимает в расчет
следующие силы: вес призм Р\ и Р2, горизонтальную состав-
ляющую реакции между призмами И, силы трения по поверх-
ности AD и силы трения и сцепления по поверхности DF.
Предельное равновесие призмы 1 наступает при соотноше-
нии сил
# = Pitg(P'-₽). (67)
где Рх — вес призмы;
0 —угол наклона поверхности ослабления;
р' — угол внутреннего трения по этой поверхности.
Выражение (67) получается после проектирования всех
сил на плоскость AD:
7’J = —PiSin?; Al = Pi cos? tg p';
Ti — — //cos?; A’i = — //sin?tgp';
Pi cos ? tgp' — Pi sin ? — //cos ? — H sin ? tgp' — 0,
откуда
Pi cos p <tgp' —tgp)
sin ? (ctg ? + tg p')
= (P'-?),
(68)
171
так как
tgp' — tgP = tg (p' — ?) (1 -Hg p tg ₽). (69)
Предельное равновесие призмы 2 определится подобным
же образом.
Вес призмы Р2 и реакция Н раскладываются на касатель-
ные Т и нормальные N силы относительно плоскости DF:
72 = PjSin®, где ® =/45°+ -£-); M = P2cose>;
\ <* /
7'2 = —7/cos®; M = 77sin®.
Суммируя силы касательные, силы трения и сцепления,
действующие по поверхности DF, получим:
Р2 sin «о — Р2 cos ® tg р — 77 cos ® — 77sin ® tg р — kb' — О,
откуда
Р2 cos ш (tg о — tg р) — kb'
sin <1> (tg o> + tg p)
Произведя подстановку, подобную (69), получим
77= Р2 tg (® - р)------.
cos о 4- sin <*> tg р
Заменяя угол ® его значением ^45°+-yj и производя триго-
нометрические преобразования, находим
Н = Р2 tg (45°--Ц - 2kb’ sin (45°—Ц. (70)
Следуя проф. Л. Н. Бернацкому, равновесие откоса будет
соблюдено при условии
Pi tg (р' — ?) > Р2 tg (45°—М - 2kb' sin (45°--M. (71)
У проф. Л. Н. Бернацкого в конце выражения (71) sin(45°—~ )
опущен, что объясняется только опиской, так как в этом месте
у него не дается полного вывода формулы (71), а в подобных
предыдущих расчетах ([4] стр. 192) вместо величины Ь' употреб-
172
ляется величина b, являющаяся проекцией Ь' на горизонтальную
плоскость, т. е.
d = &'sin (45°—М,
\ 2 /
что было бы правильным. Ю. Н. Малюшицкий не заметил этой
сшибки.
При выводе формулы (71) проф. Л. Н. Бернацкий сделал
упрощение, которое не всегда может быть допущено.
В исходных положениях при выводе упомянутой формулы он
принимает только горизонтальную составляющую (Я) реакции
между призмой упора и призмой активного давления, а верти-
кальную составляющую этой реакции в расчет не принимает.
Это упрощение может быть допущено только для слабых по-
род, претерпевающих большие пластические деформации; при
крепких же породах это допущение дает неправильный результат
расчета.
Из сказанного вытекает, что предложенный Ю. Н. Малюшиц-
ким метод не может быть рекомендован для расчета углов от-
коса бортов глубоких карьеров.1
§ 5. МЕТОДЫ РАСЧЕТОВ УГЛОВ ОТКОСОВ ПО УГЛАМ СДВИГА
Наиболее распространенным из этой группы является так
называемый метод Fp проф. Н. Н. Маслова.
Метод F р проф. Н. Н. Маслова привлек внимание своей
простотой и отсутствием длинных проверочных расчетов. По дан-
ному методу чрезвычайно просто строят предельный откос или
откос с коэффициентом запаса п.
Для этого массив разделяют горизонтальными полосами на
ряд слоев и на графике прочности горной породы по оси абсцисс
откладывают точки на расстоянии p=hy от начала координат.
Затем из этих точек восстанавливают ординаты до пересечения
с линией, выражающей прочность породы, и точки пересечения
соединяют с началом координат. Углы ф, образуемые этими ли-
ниями с осью абсцисс, называются углами сдвига. Откос строится
с переменным углом, величина которого равна углу сдвига, со-
ответствующего точке с абсциссой, равной hty, как это изобра-
жено на рис. 82. Однако метод Маслова теоретического обоснова-
ния не имеет и является чисто интуитивным.
Сам проф. Н. Н. Маслов по поводу обоснованности метода
пишет: «Метод является до некоторой степени методом инже-
нерно-геологического предвидения. Некоторые из положений
1 Заключение автора относительно метода Малюшицкого можно при-
знать правильным только для глубоких карьеров. Для карьеров, глубина
которых не превышает 50—60 м (Байдаковский, Семеновско-Головковский),
этот метод дает вполне удовлетворительные результаты. Прим. ред.
173
трудно в настоящее время надежно защищать или как-нибудь
убедительно обосновать...».
Отклонение откоса, построенного по методу Fp, от откоса,
построенного по методу В. В. Соколовского, увеличивается с уве-
Рис. 82. Построение предельной поверхно-
сти откоса по методу Fp Н. Н. Маслова
личением сцепления гор-
ной породы (рис. 83).
Любой расчет проч-
ности или устойчивост и
предполагает: а) установ-
ление наиболее слабого
сечения или слабой по-
верхности в самом напря-
женном теле; б) опреде-
ление напряжений по-
этам поверхностям и
в) сравнение их с пре-
дельными, определяющи-
мися пределом прочности.
Подобных вопросов в ме-
тоде Fp не ставится.
Метод F р проф.
Н. Н. Маслова появился
вследствие того, что во
всех других существую-
щих методах расчета уг-
лов откоса, дающих завы-
шенные углы, не учиты-
вается также пластическое состояние горных пород, в результате
чего откосы, имеющие коэффициент устойчивости более единицы,
подвергаются обрушениям и оползаниям. Но в самом методе
вопрос о напряжениях за пределами упругости даже не по-
ставлен.
Канд. техн, наук М. Н. Троицкая (39] с целью уточнения ме-
тода Fp предложила свой метод. Обосновывая необходимость
создания нового метода, М. Н. Троицкая указывает, что «при
сопоставлении расчета с природными откосами приходится вно-
сить в теоретические формулы изменения, заключающиеся в зна-
чительном сокращении криволинейной части откоса и совершен-
ном исключении вертикального участка». Но отрицая теоретиче-
ски обоснованные формулы, в том числе и формулы В. В. Соко-
ловского, М. Н. Троицкая путем ряда необоснованных матема-
тических выкладок получила уравнение
А=-
7
(72>
которое, по ее мнению, «является наиболее общей формой записи
условия устойчивости откоса». Из уравнения (72) она получила
174
«окончательный вид условия устойчивости в виде уравнения»
A = /tgp + —, (73)
7
где h—высота откоса;
I — его заложение;
Р — угол внутреннего трения породы;
k — сцепление;
7 — объемный вес.
Пользуясь аналогией между формулой
T = 3ntgp. (74)
Рис. 83. Сравнение углов откосов, рассчитанных по различным
методам, при л=2,0; Н«=300м\ р=30°; /<== 100 т/л2; 7=2,5 т/м^:
/—по Цимбаревичу; 2—по Жаки; 3—по Феллениусу; 4—рекомендуемый плоский
откос; 5—по Соколовскому и Голушкевичу; 6—по Маслову
выражающей сопротивление сдвигу породы, не обладающей
сцеплением, и формулой
A = Ztgp, (75)
выражающей зависимость между высотой откоса и его заложе-
нием для той же породы, М. Н. Троицкая считает, что подобная
аналогия должна существовать и для пород, имеющих сцепление,
и предлагает подобно формуле
T = antgP + A, (76)
выражающей зависимость между касательными и нормальными
напряжениями при срезе породы, обладающей трением и сцепле-
нием, записать формулу для связных пород в виде
A = /tgp + A0. (77)
Таким образом, зависимость между элементами откоса для связ-
ных пород она уподобляет зависимости между касательными и
нормальными напряжениями при срезе (рис. 84).
175
На самом же деле подобие формул (74) и (75) только внеш-
нее, так как первая из них выражает соотношение напряжений по
поверхности среза, а вторая — соотношение линейных элементов
откоса. Поэтому из существующего внешнего сходства между
формулами (74) и (75) никак не следует делать заключения, что
подобное сходство должно существовать и для пород, имеющих
сцепление.
Рис. 84. Построение откоса по методу М. Н. Троицкой
Ошибочным в работе М. Н. Троицкой является также опреде-
ление коэффициента пропорциональности между формулами (76)
и (77). Вначале М. Н. Троицкая записала формулу для равно-
весия однородного тела q, удерживающегося на наклонной по-
верхности свободного откоса, а затем его вес заменила весом
столба породы высотой h, приходящегося на единицу площади
наклонной поверхности, но при этом ошибочно записала q=hy
вместо q = h.y cos а. Если весь откос заполнить такими столби-
ками, то свободного наклонного откоса не будет, а получится
вертикальный откос, в котором проведена плоскость, наклонен-
ная под углом а. Величина вертикального давления по этой
плоскости составляет q=hy cos а, и при постепенном увеличении
угла а до 90° вес q будет постепенно уменьшаться, достигая нуля
при а ==90°, т. е. на свободной поверхности вертикального обна-
жения горных пород, так же как и на свободной наклонной по-
верхности, никаких напряжений нет.
Способ М. Н. Троицкой, как и способ F р, не имеет теорети-
ческого обоснования, так как в нем не ставятся вопросы, опре-
деляющие всякий расчет прочности.
§ 6. НЕДОСТАТКИ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ
РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ
Кроме частных недостатков, присущих каждому из описанных
методов, последние имеют ряд общих недостатков.
Наиболее существенный из них заключается в том, что пре-
делы применения этих методов не указываются ни одним из авто-
ров. Предлагая методы для изотропной среды, авторы также
не устанавливают возможности их применения при наличии по-
верхностей ослабления в виде трещин, контактов слоев и линз,
дизъюнктивных нарушений и пр.
176
Второй существенный недостаток предложенных до настоящего
времени методов заключается в том, что расчетная поверхность
скольжения не является наиболее слабой, а поэтому и углы от-
косов при расчетах получаются завышенными. Исключением
в этом отношении являются методы М. Н. Троицкой и проф.
Н. Н. Маслова, которые нельзя признать расчетными.
При оценке или сравнении между собой нескольких методов
наиболее строгим является тот, который позволяет определить
в массиве положение наиболее слабой поверхности.
Методы В. В. Соколовского и С. С. Голушкевича, являющиеся
математически строго обоснованными, дают возможность произ-
вести расчет и построение только экономически невыгодных отко-
сов вогнутой формы. Большая трудоемкость метода В. В. Соко-
ловского ограничивает его применение для инженерных расче-
тов, а метод Голушкевича неприменим при наличии в массиве
откоса поверхностей ослабления.
Отмеченные недостатки существующих методов расчета устой-
чивости откосов и ограниченная возможность их применения для
условий открытых горных работ вызывают необходимость разра-
ботки методов, не только математически достаточно обоснован-
ных и учитывающих естественное сложение откосов, но и позво-
ляющих быстро решать вопросы, выдвигаемые бурно развиваю-
щейся открытой разработкой полезных ископаемых.
Разработка этих методов и явилась одним из основных на-
правлений настоящей работы.
12 Г. Л. Фисенко
ГЛАВА X
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ СПОСОБЫ РАСЧЕТА
УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ
§ 1 ГОРНЫЕ ПОРОДЫ — СЛОИСТАЯ ТРЕЩИНОВАТАЯ СРЕДА,
К КОТОРОЙ ПРИМЕНИМЫ ЗАКОНЫ СЫПУЧЕЙ СРЕДЫ
При расчетах устойчивых обнажений горных пород ряд авто-
ров [10, 22] рассматривает горные породы в массиве как одно-
родное упругое тело, другие принимают их за пластическую среду,
третьи [30]— как сыпучую среду. Акад. А. П. Герман по этому
поводу указывал, что «Практическая ценность должна быть при-
знана за Тем методом, который учитывает естественные условия
залегания пород и в то же время дает эффективные способы рас-
чета» [6].
Многочисленные методы оценки устойчивости откосов не учи-
тывают как естественных условий залегания пород (слоистости,
отдельности и трещиноватости), так и характера их прочности,
а это приводило к большим ошибкам при расчетах.
Подобно другим материалам, горные породы в зависимости
от условий, в которые они поставлены, могут разрушаться путем
отрыва под влиянием нормальных растягивающих напряжений и
путем среза под влиянием касательных напряжений.
Особенностью горной породы является значительно меньшая
прочность на растяжение, чем прочность на сжатие и на срез,
даже для монолитного образца.
В силу слоистого сложения и трещиноватости горные породы
в массиве оказывают совсем незначительное сопротивление от-
рыву по сравнению с сопротивлением сжатию и срезу. Сопро-
тивлением отрыву приходится пренебрегать даже при плоских
обнажениях крепких горных пород стационарными выработками
ввиду возможного выпадения из потолочин отдельных блоков,
ограниченных трещинами. Предотвращение выпадения отдельных
блоков осуществляется только приданием потолочине формы
свода, т. е. когда породы в потолочине начинают работать на
сжатие.
178
Таким образом, горные породы с точки зрения прочности
нельзя рассматривать ни как однородную упругую среду, ни как
среду, представленную монолитными слоями. В общем виде гор-
ные породы необходимо рассматривать как слоистую трещинова-
тую среду, не допускающую, за редкими исключениями, растяги-
вающих напряжений.
В известных методах расчета устойчивых сооружений этими
свойствами обладает сыпучая среда, которую В. В. Соколовский
характеризует как среду, не допускающую больших растягиваю-
щих напряжений (которыми при расчетах можно пренебречь)
а отличие от однородных упругих тел, одинаково сопротивляю-
щихся как растягивающим, так и сжимающим напряжениям.
Часто сыпучая среда понимается как среда, абсолютно не имею-
щая связности и характеризующаяся с точки зрения ее устойчи-
вости в обнажениях только углом внутреннего трения. В действи-
тельности же такое состояние является частным случаем сыпучей
среды.
В теории сыпучей среды не учитывается сопротивление от-
рыву; сопротивление же сжатию и срезу может достигать боль-
ших величин.
Так же реагируют на напряжение и горные породы в массиве,
и в этом отношении их можно принимать как сыпучую среду. Но
этот термин не отражает физического состояния горных пород
и вызывает некоторые недоразумения, а поэтому горные породы
лучше характеризовать как упругую слоистую трещиноватую
среду, к которой применимы законы сыпучей среды.
Пластическое состояние горных пород является вторым част-
ным случаем их напряженного состояния.
Задача отыскания углов и предельных очертаний откосов
также представляет собой частный случай теории предельного
равновесия сыпучей среды.
Построение общего метода решения основных задач теории
предельного равновесия сыпучей среды произведено советскими
учеными В. В. Соколовским, В. И. Новоторцевым и С.' С. Голуш-
кевичем.
§ 2. НАПРЯЖЕНИЯ И ПЛОЩАДКИ СКОЛЬЖЕНИЯ
В элементарной призме горных пород, сжатой одноосной на-
грузкой интенсивности , по любой площадке, наклоненной к оси
призмы под углом а, возникают касательные и нормальные на-
пряжения, определяемые выражениями (9):
t — —в! sin 2а;
2
a„ = a1sln2a.
12*
179
На единице площади заданной площадки под действием внеш-
них напряжений возникают внутренние силы — сила трения
(°я tg р ) и сцепления (k).
Равновесие внешних и внутренних сил на этой площадке опре-
деляется выражением
sin 2а = «1 sin2 а tg р + Л. (78)
В этом случае площадка будет находиться в предельном на-
пряженном состоянии или являться площадкой скольжения.
Минимальное значение интенсивности нагрузки , необходи-
мой для возникновения площадки скольжения, определится, если
взять частную производную от по ц
в1 = -------*-------- (79)
— sin 2а — sin’ a tg р
и приравнять ее нулю.
Экстремальное значение получаем при значении
а==45°_^_, (80)
при котором
в1 = 2£ ctg (45°-^-). (81)
В случае всестороннего сжатия элементарной призмы, когда
ai>02>°8« как показал В. В. Соколовский [37], площадки
скольжения составляют с направлением также дугол 45° —
—Y и с направлением а, — угол 45°(см. рис. 90), а за-
висимость между главными напряжениями определяется фор-
мулами:
.. 1 _tgP = (82)
cos р 2 2
ИЛИ
<3^2k ctg ^45°— + а3 ctg2 (45° (83)
180
Расположение площадок скольжения относительно главных
напряжений (рис. 85) и зависимость между главными напряже-
ниями, в которой не участвует з,, дают возможность вести иссле-
дование предельного напряженного состояния сыпучей среды
в плоскости в] и а8, т. е.
в плоскости наибольшего и
наименьшего главных напря-
жений [37] для горных выра-
боток вытянутой формы.
Зависимость между глав-
ными напряжениями при
разрушении горной породы и
ее основными механическими
характеристиками выражает-
ся формулами (82) и (83);
зависимость между направ-
лениями главных напряже-
ний и площадок скольжения,
а также минимальная вели-
чина наибольшего главного
напряжения, при котором по-
Рис. 85. Ориентировка площадок сколь-
жения относительно главных напря-
жений
являются площадки скольжения, являются основными положе-
ниями теории сыпучей среды, на основе которых ведется расчет
предельного равновесия горных пород в откосах.
§ 3. ПРЕДЕЛЬНАЯ ВЫСОТА ВЕРТИКАЛЬНОГО
ОБНАЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
При рассмотрении устойчивости вертикальных обнажений гор-
ных пород, большинство авторов исходит из условия равновесия
по плоской или круглоцилиндрической поверхности, проходящей
от основания вертикального обнажения до земной поверхности,
считая породы, ограниченные этими поверхностями, как целый
монолит (рис. 86).
При таком условии предельная высота вертикального обна-
жения (Идо) определяется для плоской поверхности скольжения
с учетом внутреннего трения и сцепления следующими выраже-
ниями:
по П. М. Цимбаревичу
по Хеннесу
„ 2k
Л 90-----~
COS р
4k _ 1 + sin р #
7 cos р ’
(84)
181
по Фелленйусу
=-<*-0,958;
1
по Н. А. Цытовичу
„ _ 4k
**90-------
(85)
(86)
без учета внутреннего трения для круглоцилиндрической (85) и
плоской (86) поверхности скольжения.
В действительности же горные породы не являются монолит-
Рис. 86. Схема к расчету пре-
дельной Высоты вертикального
обнажения горных пород
ными, обладают по отдельным на-
правлениям отдельностью и тре-
щиноватостью и имеют незначи-
тельное сопротивление отрыву;
поэтому, когда в нижней части
призмы АВС образуются площад-
ки скольжения, то в верхней ее
части возникают растягивающие
напряжения и происходит отрыв
не по линии CN, а по наиболее
слабой поверхности MN (в случае
столбчатой отдельности, присущей
покровным отложениям) или по
какой-либо другой наиболее ос-
лабленной поверхности.
Ввиду того, что сопротивление отрыву в массиве незначи-
тельно по величине и под влиянием растягивающих напряжений
по наиболее ослабленным поверхностям развиваются и углуб-
ляются-трещины, при расчете откосов его можно не учитывать.
В этом случае предельной высотой вертикального обнажения
горных пород будет такая высота, при которой в основании от-
коса под влиянием веса столба вышележащих пород начинают
появляться площадки скольжения. Для этого необходимо и до-
статочно, чтобы вес столба пород на единицу площади достигал
величины
= ctg(45°—
откуда высота столба пород вертикального откоса составит
н„—^-ctg(45"—£-),
(87)
где k — сцепление пород;
7 — объемный вес пород;
Р — угол внутреннего трения пород.
182
H9q, определяемая по формуле (87), вдвое меньше определяемой
по формулам (84—86).
Предельную или допустимую (с коэффициентом запаса) вы-
соту вертикального обнажения горных пород можно определить
по формуле (87) при условии, если слои пород падают в сторону
массива, вертикальны, горизонтальны или падают в сторону
выемки под углом меньшим, чем угол внутреннего трения по кон-
тактам слоев (р'). При этом в уступе не должно быть каких-
либо поверхностей ослабления, падающих в сторону выработки
под углом 0>р. Если массив пород имеет развитую систему
отдельности или трещиноватости, падающую в сторону выра-
ботки, то механические характеристики должны быть опреде-
лены с учетом этих структурных элементов.
Если уступ сложен слоями пород, имеющими различную проч-
ность, то высота вертикального обнажения определяется по наи-
более слабому из них, залегающему на данной высоте.
§ 4 УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ ПОДРЕЗАННЫХ СЛОЕВ
ПРИ ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ
Изучением структуры и физико-механических свойств горных
пород установлено, что сцепление и угол внутреннего трения по
контактам слоев в несколько раз меньше, чем по другим направ-
лениям. Это способствует более свободному сползанию пород
по наслоению, когда имеется подрезка слоев при их падении под
углом, большим угла внутреннего трения по контактам слоев.
При определении устойчивости обнажений горных пород, по-
добных изображенному на рис. 87, массив в области АВС обычно
рассматривается как единое связное целое, тогда как в действи-
тельности слои пород не являются связными монолитами, а раз-
биты целой серией трещин.
Так как мощность подрезанных слоев по всей наклонной вы-
соте наиболее слабого контакта неодинакова, то и напряжения,
действующие по этому контакту, будут большими внизу и мень-
шими вверху. Вследствие этого при образовании площадок сколь-
жения в нижней части контакта в его верхней части они могут
и не образоваться.
При появлении площадок скольжения в нижней части наи-
более слабого контакта нижняя часть массива стремится сползти
вниз и оторваться от верхней части, где площадок скольжения
нет. Так как по наклонно залегающему контакту С А действуют
силы трения, то отрыв легче всего произойдет по системе трещин,
образующих ломаную поверхность cb, близкую к вертикальной.
Действительно, когда в основании уступа возникают площадки
скольжения, то по мере развития трещиноватости обрушение
уступа происходит небольшими вертикальными лентами, а сле-
довательно, предельной высотой уступа следует считать такую
183
высоту, при которой в основании уступа появляются площадки
скольжения.
Из рис. 87 следует, что вес столба породы, приходящегося на
единицу площади в плоскости АС, составляет
(88)
P — h\ cos р.
Рис. 87. Схема к расчету предельной высоты подрезки слорв
Предельному равновесию на этой площадке соответствует ра-
венство сил, сдвигающих (касательной составляющей от веса
столба) и препятствующих сдвижению (сил трения и сцепления):
Ay cos р sin Р == Ат cos2 р tg р' -|~ А,
откуда
k' COS р'
т COS psin(p — р') ’
(89)
Если высота подрезки слоев превышает правую часть выраже-
ния (87) (случай, возможный при Р , близком к р')> то поверх-
ность ВС необходимо выполаживать.
Минимальная высота вертикального откоса получается при
падении слоев под углом Р=45°-{-~-. При уменьшении или уве-
личении угла падения слоев величина А настолько возрастает,
что при некоторых значениях начинает превышать величину Н90.
Это указывает на то, что при таком падении слоев поверхности
ослабления по контактам слоев не влияют на устойчивость вер-
тикального обнажения горных пород, и при таком падении слоев
184
предельную высоту вертикального обнажения горных пород не-
обходимо определять по формуле (87).
Пример. Проследим изменение предельной высоты вертикального
откоса породы, имеющей у = 2/л/л/2; механические характеристики по
контактам слоев £'== 2 т/л*; р'== 20°; механические характеристики по-
род под углом к наслоению Л==6 т/м*; р = 30°.
На рис. 88 изображен график изменения предельной высоты верти-
кального откоса Л в зависимости от угла падения слоев 0. Минимальная
высота в 2,9 м получилась при падении слоев под углом 55°. При паде-
нии слоев положе 25° и круче 85° ЛHqq
Рис. 88. График изменения
величины предельной вы-
соты уступа подрезанных
слоев в зависимости от их
угла падения
Рис. 89. Схема к расчету предельной
высоты заоткошенного уступа, сложен-
ного слоями пород, падающими в сто-
рону выемки
При падении слоев положе 25° по контактам слоев не будет проис-
ходить скольжения, так как в этом случае наиболее слабая площадка
будет располагаться под
к горизонту, пересекая контакты
слоев. При падении слоев круче 85° мощность подрезанного слоя стано-
вится незначительной, вследствие чего по контактам слоев в этом случае
также не будет происходить скольжения пород.
При открытых разработках поверхность бортов карьеров со-
стоит из ряда уступов, нередко имеющих подрезанные контакты
слоев, падающих в сторону выработки, а форма уступов имеет
вид, изображенный на рис. 89. Поверхность, ограничивающая
уступ со стороны выемки, наклонена под углом <х.
Устойчивость уступа такой формы отличается от рассмотрен-
ного выше случая тем, что непосредственно в основании уступа
не создается площадок скольжения, так как они возникают лишь
при высоте подрезки, достигающей величины А, определяемой по
формуле (89). Призма СОК, в основании которой нет площадок
скольжения, будет противодействовать сползанию вышележащего
участка OKNM, границами которого справа и слева является
предельная высота Л. Вся призма CBMN будет в предельном
равновесии, когда площадь ее сечения будет равновелика пло-
щади параллелограмма CDMN, т. е. когда S&cdo
185
В этом случае предельную высоту подрезки слоев можно увели-
чить на величину — по сравнению с величиной, определяемой
а
по формуле (89), где a=VtgactgP
Приводя все выражение к высоте уступа, получим
Я =____________*'с°8-£- , (90)
1 cos ₽ sin (g—- p')(l— Y ctgatgp)
Формула (90) применима в тех же пределах углов падения
слоев, как и формула (89). При крутом падении слоев высота
откоса определяется по графику, изображенному на рис. 88,
а при пологом залегании слоев расчет высоты откоса произво-
дится согласно расчетной схеме, приводимой ниже.
§ 5. ТРИ ФОРМЫ откосов
В практике железнодорожного и гидротехнического строитель-
ства и открытых разработок наибольшим распространением поль-
зуются расчеты откосов плоской формы. В последние годы
В. В. Соколовским и С. С. Голушкевичем разработаны способы
расчета откосов вогнутой формы; вслед за ними предложили
способы расчетов откосов. вогнутой формы Н. Н. Маслов,
М. Н. Троицкая и Н. В. Орнатский.
Вогнутая форма откосов в способах В. В. Соколовского и
С. С. Голушкевича явилась следствием специфических особен-
ностей этих способов, по которым расчет производится сверху
вниз для условий предельно напряженного состояния пород в от-
косе, когда на любой высоте откос имеет предельно напряжен-
ную поверхность или поверхность скольжения.
При расчете устойчивости откоса с коэффициентом запаса по
этим способам коэффициент запаса по наиболее слабым поверх-
ностям, проведенным на любой высоте, остается постоянным для
всего откоса. С практической точки зрения нет необходимости
иметь по всей высоте откоса одинаковый коэффициент запаса,
важна лишь минимальная величина этого коэффициента.
При открытых разработках угольных месторождений часто
создается возможность придавать откосам выпуклую форму. Эта
форма принята в проектах реконструкции некоторых участков
Коркинских и Богословских угольных карьеров.
Откосы выпуклой формы имеют существенные преимущества
перед откосами вогнутой и плоской формы как экономически
более целесообразные для бортов на момент погашения карь-
еров. На рис. 90 изображены три формы откосов с одинаковым
коэффициентом устойчивости по наиболее слабой поверхности.
Как видно из этого рисунка, выпуклый откос является более вы-
годным при производстве выемок.
У откосов выпуклой и плоской формы, изображенных на
рис. 90, по наиболее слабым поверхностям, проходящим через
186
«основание откоса, коэффициент запаса такой же, как и у откоса
вогнутой формы, а по наиболее слабым поверхностям, прохо-
дящим выше основания, коэффициент запаса у откосов выпуклой
п плоской формы больше, чем у откосов вогнутой формы.
Рис. 90. Различные формы откоса с одинаковым коэффициентом запаса
устойчивости:
/—выпуклая; 2—плоская; 3—вогнутая (по Соколовскому), 4—поверхность скольжения вогнуто-
го откоса; 5— поверхность скольжения плоского откоса; б—поверхность скольжения выпук-
лого откоса
Мысль о построении откосов выпуклой формы возникла у
автора при расчете откосов по схемам, при которых положение
поверхности скольжения в массиве в меньшей степени зависит от
формы откоса, а определяется лишь положением крайних его
точек и положением поверхностей ослабления.
В верхней части, на участке призмы активного давления, по-
верхность скольжения круче, а на участке призмы упора, где силы
сопротивления сдвижению возникают больше за счет силы тре-
ния, положе. В силу этого появляется возможность увеличения
веса призмы упора за счет построения выпуклого откоса.
Проверочные расчеты показали, что при однородном и изо-
тропном строении массива откосы выпуклой формы также более
экономичны и целесообразны.
§ 6. РАСПОЛОЖЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ СКОЛЬЖЕНИЯ
В МАССИВЕ ОТКОСОВ, НЕ ИМЕЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОСЛАБЛЕНИЯ
Вопрос о форме и расположении поверхности скольжения
в массиве является основным в исследовании устойчивости от-
косов.
187
При простейших расчетах еще до настоящего времени при-
нимают форму поверхности скольжения плоской.1 Но последняя
не является наиболее слабой, если она в массиве однородных
пород не совпадает с поверхностями ослабления. Чаще всего
форма наиболее слабой поверхности принимается круглоцилиндри-
ческой, а ее положение в откосе определяется методом подбора.
Так, для отыскания положения этой поверхности по способу
Феллениуса необходимо выполнить от трех до пяти построений,
причем очень часто построенные таким путем поверхности не
являются наиболее слабыми.
Положение поверхности скольжения можно построить значи-
тельно проще, на основании теории сыпучей среды.
Согласно этой теории, элементарные площадки скольжения
в однородном массиве горных пород могут возникать лишь при
напряжениях не менее
а’=2А ctg /45° —~
(91)
Располагаются эти площадки под углом (45°------к на-
правлению наибольшего главного напряжения.
В массиве горных пород направление наибольших главных
напряжений совпадает с вертикалью, а при приближении к по-
верхности откосов выполаживается в сторону откоса и на по-
верхности вогнутых и плоских откосов совпадает с ними.
С изменением направления главных напряжений изменяется и
направление площадок скольжения — от направления под углом
^45°—к вертикали в некотором удалении от откоса до,
направления под углом ^45°----к поверхности откоса при ее
пересечении. Общее расположение поверхностей скольжения
в предельно напряженном откосе вогнутой формы изображено
на рис. 70.
Из уравнения (91) вытекает, что площадки скольжения возни-
кают лишь начиная с глубины
(92)
В области BDC, где направление <зг совпадает с вертикалью,
площадки скольжения наклонены под углом Мб0------) к веР‘
1 Хотя плоская поверхность скольжения и отвергается автором» тем не
менее для связной среды формулы расчета устойчивости откосов получаются
такие же, как и у Соколовского («Метрострой», 1934, № 5—6). Прим. ред.
188
тикали и поверхность откоса пересекается плоскостью скольже-
ния под этим же углом [37].
В области между поверхностью откоса и линией ВС (рис. 91)
поверхность скольжения можно принимать круглоцилиндриче-
ской, исходя из анализа кривых, построенных по методам
В. В. Соколовского и С. С. Голушкевича [43].
а
Рис. 91. Построение поверхности скольжения в однородном
массиве плоского откоса
Аналогичное положение занимает поверхность скольжения и
в массиве плоского откоса, но в отличие от предельно напря-
женного откоса вогнутой формы в нем существует только одна
предельно напряженная поверхность, проходящая через нижнюю
точку откоса. Наиболее слабые поверхности, пересекающие от-
кос выше, имеют коэффициент устойчивости больше, чем по-
верхность, проходящая через нижнюю точку откоса.
Подобное положение поверхность скольжения занимает в мас-
сиве откоса, сложенного однородными изотропными породами,
а также при падении слоев в сторону массива или вертикальном
падении. Если в массиве имеются поверхности ослабления в виде
слоистости, трещин, отдельностей и дизъюнктивных нарушений,
поверхность скольжения может проходить или полностью по этой
поверхности ослабления или частично, о чем будет подробнее ска-
зано ниже. Изменение механических характеристик с увеличе-
нием глубины или изменение напряженного состояния от упру-
гого в верхней части до пластичного в средней и нижней частях
откоса делает более сложной также и поверхность скольжения.
189
Исходя из указанных основных элементов положения по-
верхности скольжения, ее можно легко построить в откосе. Для
этого через точку на откосе проводят окружность, пересекающую
откос под углом (45°-|-) и линию ВС под углом (90°— р).
Эти условия вполне определяют единственное положение окруж-
ности, проходящей через точку на откосе.
Построение поверхности скольжения изображено на рис. 91.
От откоса проводим линию М/С под углом
(45°---)к откосу
и продолжаем линию DC, наклоненную к вертикали тоже под
углом (45°---1-). В точке пересечения откоса линия МК должна
касаться круга. Другая касательная будет параллельна DC. От-
резки пересекающихся касательных, заключающихся между ли-
ниями AM и ВС, должны быть равны. На линиях МК и DC от
точек М и С отложим по два равных отрезка MP=CL и MN=Cr,
и через их концы проведем линии, параллельные AM и ВС, до
их взаимного пересечения в точках F и Е. Линия EF будет
являться геометрическим местом точек пересечения касательных
к окружностям, пересекающих линию AM под углом (45°----
а линию ВС — под углом (90° — р ). Продолжим EF до пере-
сечения с МК в точке О, которая и будет являться точкой пере-
сечения касательных к описываемой окружности. Через точку О
проведем линию OU, параллельную DC. Из точек М и U вос-
становим перпендикуляры к касательным до их взаимного пере-
сечения в точке 01, которая является центром отыскиваемой
окружности.
Изложенным выше способом определяется положение поверх-
ности скольжения в массиве, по которой сумма сил, сдвигающих
откос, равна сумме сил удерживающих.
Если откос находится не в предельном равновесии, а с запа-
сом устойчивости п, то наиболее слабую поверхность, проходя-
щую через основание откоса, отыскивают вышеописанным спо-
собом, вводя в исходные характеристики коэффициент запаса п.
В массиве откоса выпуклой формы также имеется ряд пре-
дельно напряженных поверхностей (или поверхностей с одинако-
вым коэффициентом запаса устойчивости, когда он вводится
в расчет).
В откосе выпуклой формы поверхности скольжения также
начинаются на глубине Я»о от поверхности откоса и в верхней
части наклонены под углом (45°---) к вертикали; постепенно
выполаживаясь, они пересекают откос в его нижней части
(рис. 92).
Форму поверхности скольжения без ущерба для точности рас-
чета также можно принимать круглоцилиндрической и ее по-
190
строение производить в следующем порядке. Через точку на
глубине Изо от поверхности откоса проводится отрезок, накло-
ненный под углом (45°------|-) к вертикали, являющейся каса-
тельной в этой точке к поверхности скольжения. Второй точкой
окружности, частью которой является поверхность скольжения,
является нижняя точка откоса. Имея две точки окружности и на-
правление касательной к ней в одной из этих точек, нетрудно
построить всю окружность. Для этого достаточно соединить точки
хордой и построить на ней, как на основании, равнобедренный
треугольник, одна сторона которого должна быть перпендику-
лярна заданной касательной. Вершина треугольника будет яв-
ляться центром искомой окружности.
§ 7. графики откосов ВОГНУТОЙ, ПЛОСКОЙ И ВЫПУКЛОЙ ФОРМЫ
Из метода построения предельного очертания откоса по
С. С. Голушкевичу видно, что для постоянного значения р и из-
меняющихся значений k и у необходимо произвести одно по-
строение в масштабе Afi, тогда на графике площадок скольже-
ния Но будет равно
#о = — ctg (45° (93)
Vi \ 2 /
191
а опорный диаметр полярной диаграммы составит
D = (94)
Ъ sin2p 1 v
Форма откоса определится величинами Но и D и формой
логарифмического лекала, определяемой величиной р. Не изме-
няя Но и D, возьмем новые значения сцепления и объемного веса,
вследствие чего форма предельного очертания откоса не изме-
нится, но изменится масштаб графика:
= (95)
“90
где
Ям—2*Ldf(45*—U. (96)
Та \ 2 /
Отмеченное свойство подобия формы откоса для пород с оди-
наковым коэффициентом внутреннего трения и с различными
значениями величин сцепления и трения позволяет для пород
с одинаковым коэффициентом внутреннего трения пользоваться
одной кривой формы откоса, изменяя лишь масштаб этой кривой
в зависимости от величины сцепления и объемного веса.
На рис. 93 изображены очертания предельных поверхностей
откосов в зависимости от р, k и у при угле внутреннего трения,
равном 0; 5; 10; 15; 20; 25 и 30°. В каждом отдельном случае
масштаб графика определяется по формуле (95) в зависимости
от численных значений р, k и у. Графиком можно пользоваться
при условии, что поверхности отдельности и трещиноватости вер-
тикальны или падают в сторону, противоположную падению
борта.
Если в исходные характеристики прочности горных пород
ввести коэффициент запаса, то получим расчетные характеристики
прочности
пользуясь которыми можно построить откос с коэффициентом
запаса устойчивости, равным п.
Этот график позволяет построить откос вогнутой формы,
которую целесообразно придавать целикам полезного ископае-
мого, находящегося под промышленными сооружениями.
Откосы вогнутой формы также целесообразно принимать при
возведении искусственных насыпей из слабосвязных влажных
пород.
Бортам карьеров в их предельном положении целесообразнее
придавать плоскую или выпуклую форму.
192
Пользуясь изложенным способом построения поверхности
скольжения, автором произведен ряд определений 1 предельной
высоты откоса при заданных величинах угла и физико-механи-
ческих характеристик. Эти определения выполнялись в следую-
щем порядке:
1) при заданных значениях уД, р и а задавались высотой
откоса и через его основание указанным выше способом строили
расчетную поверхность;
Рис. 93. График предельных очертаний откосов вогнутой
формы
2) участок откоса, ограниченный этой поверхностью, верти-
кальными линиями, как показано на рис. 25, разбивался на ряд
полос равной ширины (а метров);
3) высоты полос условно принимались за их вес и расклады-
вались на касательные (Г/) и нормальные (Л\) составляющие;
4) суммировались отдельно все отрезки 7\ и Л\ и суммы
умножались на множитель С, являющийся масштабом векто-
ров Tt и Nif равный С= —р где М — знаменатель масштаба,
в котором построен чертеж (множитель С численно равен весу
столба породы высотой в 1 мм на графике);
5) измерялась длина расчетной поверхности L;
1 Часть решений выполнена инж П. А. Власовым
13 ГЛ Фисенко 193
6) производилось сравнение сил, удерживающих откос и
сдвигающих его:
п CtgpX^ + ^I.
CS7Z
7) если п получилось не равным единице, то бралась новая
большая или меньшая высота откоса в зависимости от того,
больше или меньше единицы получилось и, и производился новый
расчет; при этом при построении новой расчетной поверхности
используем уже построенную линию EFy являющуюся геометри-
ческим местом точек пересе-
чения касательных к расчет-
ным кривым;
8) если при двух построе-
ниях получены значения п,
близкие к единице, то их до-
статочно для определения
предельной высоты откоса;
для этой цели к точкам, яв-
ляющимся основаниями от-
коса в двух расчетах, вос-
станавливаются перпендику-
ляры к линии откоса и от-
кладываются в одинаковых
единицах отрезки, превы-
Рис И Определение предельно,! высо- шающи® единицу (в одну
ты плоского откоса по двум расчетам сторону) или недостающие
до единицы (в другую сто-
рону), соединяются их концы и проводятся до пересечения с ли-
нией откоса. Эта точка пересечения и будет ограничивать пре-
дельную высоту откоса (рис. 94).
Если при двух построениях расчетной поверхности величины п
в обоих случаях отличаются от единицы более, чем на 0,10, то
необходимо проверить соотношением сил и по третьей поверх-
ности.
По результатам большого количества решений построен гра-
фик (рис. 95), выражающий зависимость между высотой откоса
и его углом при любых заданных величинах физико-механических
характеристик.
На этом графике по оси абсцисс отложены углы откоса,
а по оси ординат — высота откоса.
Масштаб графика определяется из соотношений
1 _ Яр
М H9Q 9
где Н. —- берется с графика, а вычисляют по формуле
Я90 = — ctg(45°—М.
7 \ 2 /
194
Графиком пользуются в следующем порядке:
1) определяют Я9о й масштаб графика;
2) если задан угол откоса и необходимо определить высоту,
то на оси абсцисс берут заданный угол и по ординате, соответ-
ствующей этому углу, проводят линию до кривой, соответствую-
щей заданному углу внутреннего трения, и измеряют величину
Рис. 95. График зависимости между высотой откоса и его углом для
различных значений расчетных характеристик
этой ординаты. Величину ординаты умножают на знаменатель
масштаба; полученная величина и будет равна высоте откоса.
Если задана высота откоса, то ее выражают в миллиметрах
и делят на знаменатель масштаба. Полученную величину откла-
дывают по оси ординат и проводят горизонталь до кривой задан-
ного угла внутреннего трения. Для отыскания искомого угла из
полученной точки на кривой опускают перпендикуляр на ось
абсцисс.
Графиком, изображенным на рис. 95, можно пользоваться
в следующих случаях:
1) при вертикальном падении слоев;
2) при крутом падении слоев в сторону откоса (не положе
70°);
13* 195
3) при падении слоев в сторону массива (при этом угол
между плоскостью наслоения и поверхностью откоса должен быть
не меньше 65°);
4) при горизднтальном залегании слоев и крутом угле откоса
(не менее 65°).
раз-
при
рав-
Заложыг
откоса
Рис. 96. График предельных очертаний
откосов выпуклой формы
Такое же ограничение применяется к дизъюнктивным нару-
шениям и плоскостям большого развития трещиноватости.
При сложении откосов чередующимися слоями пород с
личными механическими характеристиками их скольжение
условии предельного
новесия может происхо-
дить лишь по монотонной
кривой, не имеющей вы-
; ступов и впадин, изменяю-
щей равномерно свое на-
Г правление и пересекающей
хг поочередно все слои. По-
следнее создает возмож-
ность пользоваться сред-
ними показателями меха-
нических характеристик по
расчетной поверхности.
Подобно графику для
откосов вогнутой формы,
совместно с инж. В. Т. Са-
пожниковым автор по-
строил график предельных
очертаний откосов выпук-
лой формы, изображенной на рис. 96. Масштаб графика опре-
деляется таким же путем, как и для графиков вогнутых и плоских
откосов.
Расчет предельно напряженных откосов выпуклой формы
производится снизу вверх в отличие от расчета откосов вогнутой
формы, который производится сверху вниз.
В. Т. Сапожников, применив для нижней точки выпуклого
откоса свойства точки Прандтля, произвел расчет откосов вы-
пуклой формы графическим методом, основы которого разрабо-
таны С. С. Голушкевичем. При расчете откосов выпуклой формы
графическим методом С. С. Голушкевича предельное очертание
откосов совпало с очертаниями откосов, полученными вначале
путем упрощенного расчета по круглоцилиндрическим поверх-
ностям скольжения. При упрощенном расчете положение каждой
последующей точки на поверхности откоса определялось методом
последовательного приближения к предельному равновесию.
Условия построения и применения графика выпуклых откосов,
изображенного на рис. 96, такие же, как и для графиков откосов
плоской и вогнутой формы.
196
§ 8. КОЭФФИЦИЕНТ ЗАПАСА УСТОЙЧИВОСТИ
В связи с тем, что полученные тем или иным путем основные
характеристики прочности горных пород (сцепление и коэффи-
циент внутреннего трения) содержат ошибки, для предотвраще-
ния обрушения бортов необходимо в исходные характеристики
прочности вводить коэффициент запаса.
Коэффициент запаса прочности в инженерно-геологических
расчетах понимается как отношение сумм всех сил, удерживаю-
щих откос, к сумме всех сил, сдвигающих его:
fLN + kL +А
2Т + В
(97)
где f£N — сумма сил трения, удерживающих откос;
kL — сумма сил сцепления, удерживающих откос;
ST — сумма касательных сил, действующих по расчетной
поверхности;
А—другие силы, удерживающие откос;
В — другие силы, сдвигающие откос.
При определении коэффициента запаса устойчивости недо-
пустимо суммировать силы, противоположные по знаку, как,
например, это делается в методе проф. Н. П. Пузыревского [32].
По этому методу отдельно суммируются силы, удерживающие
откос Si и сдвигающие его Т\ в области призмы давления, и от-
дельно силы, удерживающие S2 и сдвигающие Т2 в области
призмы упора. Коэффициент запаса по способу Н. П. Пузырев-
ского получается как отношение
^2 —
(98)
ГЗолее правильный коэффициент запаса определяется как отно-
шение суммы сил, удерживающих откос, к сумме сил сдвигающих,
действующих по всей поверхности:
П = = (99)
< 1 ~Г *2 1
Заменяя в выражении (98) S2 через S — Sj и 1\ через
Т — 7*2, получим
Так как обычно п>1, то из сравнения выражений (99) и (100)
нетрудно убедиться, что п'>п. При этом чем больше п, тем больше
197
и отношение — • Определение коэффициента запаса устойчивости
п
по формуле (98) дает завышенные значения коэффициента, а сле-
довательно, дает неправильное представление о степени устой-
чивости откосов.
Если по наиболее слабой поверхности действуют только силы,
обусловленные весом породы, то коэффициент запаса устойчи-
вости можно определять по формуле
и = ЛЛ/ + kL- . (101)
Если правый и левый члены этого выражения разделить
на величину п, то получим выражение
— XN + — L
п п
1 =
(W2)
т. е. устойчивое равновесие по поверхности с коэффициентом за-
паса п можно рассматривать как предельное равновесие с новыми
характеристиками прочности пород, меньшими исходных харак-
теристик в п раз:
, *
; tgp₽ =
tg р
п
(103)
п
Поэтому и построение наиболее слабой поверхности с заданным
коэффициентом устойчивости необходимо строить как поверхность
скольжения, только по характеристикам, уменьшенным в п раз
против расчетных, что отмечалось выше.
По уменьшенным таким способом механическим характери-
стикам можно построить откос с переменным углом заоткоски
(откос вогнутой формы), когда коэффициент запаса устойчивости
по наиболее слабой поверхности на любой высоте откоса одина-
ковый (по графику, изображенному на рис. 93), а также опреде-
лить элементы откоса с постоянным углом откоса с заданным
коэффициентом запаса по наиболее слабой поверхности, прохо-
дящей через основание откоса.
Более сложным из этого рода решений является определение
коэффициента запаса устойчивости, когда известны физико-меха-
нические характеристики горных пород, слагающих откос, вы-
сота откоса и его угол.
При решении этой задачи следует поступать следующим об-
разом:
1) принять ориентировочную величину коэффициента запаса
устойчивости и ввести его в исходные характеристики проч-
ности;
198
2) по полученным таким способом характеристикам прочно-
сти по графику, изображенному на рис. 95, определить высоту
откоса при заданном угле;
3) если высота откоса получилась не равной заданной вели-
чине, принять новое значение коэффициента запаса (если при
первом значении коэффициента
запаса высота откоса получи-
лась больше заданной, то но-
вое значение коэффициента за-
паса берем болыце, чем первое,
и наоборот) и снова опреде-
лить величины механических
характеристик с введением ко-
эффициента запаса, по которым
определяем высоту откоса. Та-
ким образом получаются два-
три значения высоты откоса
при соответствующих коэффи-
циентах запаса устойчивости, и
по этим данным строится гра-
фик зависимости между высо-
той откоса и коэффициентом
запаса, на котором по оси абс-
цисс откладываются коэффи-
Рис 97. Определение коэффициента
запаса устойчивости по графику за-
висимости между Н и п
циенты запаса, а на оси ординат соответствующие высоты откоса.
Полученные точки соединяются плавной кривой (рис. 97). Затем
на оси ординат откладывается заданная высота откоса, прово-
дится горизонтальная линия до кривой, из точки пересечения
с кривой опускается перпендикуляр на ось абсцисс и по основа-
нию перпендикуляра отсчитывается искомый коэффициент запаса.
Пример Задан откос под углом 30°, высотой 200 м в породах, у
которых k = 50 т/м2, р = 30° и 7 = 2 т/м3. Зададимся коэффициентом
запаса 2 и введем его в исходные характеристики прочности
50 tg30°
/гр = ~ == 25 т/м2; рр = arc tg —— = 16°06'
Пользуясь kp и рр, по формуле (87) определим //90:
2.25 /
Я9о = -у- etg (45°
16°06' \
2 /
= 33,2 м.
Измеряем на графике Но, равное 10,9 мм. Масштаб графика для дан-
ного случая составит
1 10,9 1
М ~ 33 200 3 050 ‘
Пользуясь графиком, определяем ординату до кривой р = 16°06' по
абсциссе а = 30°; эта ордината составляет 82,5 мм; в масштабе —— 82,5 мм
3050
199
будет соответствовать высоте откоса 250 м. Таким же путем определим
высоту откоса при коэффициенте 2,5 и 1,5, которые соответственно бу-
дут составлять 155 и 560 м. По этим трем определениям построим график
зависимости между высотой откоса и коэффициентом запаса устойчивости
(см. рис. 97). Здесь высоте откоса в 200 м соответствует коэффициент
запаса, равный 2,20. На весь расчет, выполняемый на логарифмической
линейке, необходимо 40—50 мин.
Величину коэффициента запаса при расчетах устойчивых от-
косов горных пород принимают в зависимости от следующих фак-
торов: степени достоверности исходных характеристик прочности,
способа их определения и изменчивости этих характеристик с те-
чением времени под влиянием динамических нагрузок, увлаж-
нения, взрывных работ и других причин.
При определении механических характеристик путем органи-
зации натурных испытаний и при надлежащем осушении пород
величина коэффициента запаса, равная 1,5, будет вполне доста-
точной. При лабораторных определениях механических характе-
ристик с большей достоверностью определяется угол внутреннего
трения, и коэффициент запаса в угол трения можно принимать
равным от 1,5 до 2,0. Сцепление путем лабораторных испытаний
с достаточной точностью определяется только для пород, в кото-
рых не развита трещиноватость (слабоуплотненные глинистые от-
ложения); для этих пород коэффициент запаса в сцеплении не-
обходимо принимать также от 1,5 до 2,0. В полускальных и
скальных трещиноватых породах путем лабораторных испытаний
с достаточной точностью можно получить только сцепление по-
роды в однородном куске.
Сцепление в массиве для этих пород лабораторным путем
с достаточной точностью определить невозможно, и коэффициент
запаса может достигать величины 4—5 и более в зависимости от
степени трещиноватости породы. Достоверные значения сцепле-
ния в таких породах в массиве можно получить только путем
обрушения достаточно больших массивов. В характеристики, опре-
деляемые путем обрушения массива, достаточно вводить коэф-
фициент запаса не более 2,0.
§ 9 УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ СЛОЕВ ПОРОД, ПАДАЮЩИХ
В СТОРОНУ ВЫЕМКИ ПРИ ОТСУТСТВИИ ИХ ПОДРЕЗКИ
Если слои падают в сторону выемки под углом, большим угла
внутреннего трения по наиболее слабым контактам и последние
не подрезаны, может произойти нарушение равновесия пород.
Если угол откоса борта совпадает с углом падения слоев, то
условие предельного равновесия с достаточной для практики точ-
ностью можно выразить аналитически. Предельное равновесие
наступит при определенном соотношении вертикальной высоты
откоса и механических характеристик пород как по контактам
слоев, так и под углом к наслоению. Для упрощения расчетов
200
сцепление по контактам слоев в расчет можно не принимать
ввиду его незначительной величины.
Призма ABCD (рис. 98) будет находиться в равновесии под
действием сил трения по поверхности АВ и сил трения и сцеп-
ления по поверхности AD,
наклоненной к поверхности
откоса (к наслоению) под
углом (45°------ j.
Вес призмы ABCD с до-
статочной точностью можно
считать равным
Р = аН'(.
Разность А касательной
составляющей и силы трения
по плоскости АВ равны
А = аНу (sin а — cos а tg р').
Рис. 98. Схема к расчету предельной
высоты откоса слоистых пород, зале-
гающих согласно заоткоске борта
Призма ABCD давит на свое основание по направлению па-
дения слоев с силой А.
Предельному равновесию, согласно формуле (81), соответ-
ствует соотношение
аНу (sin а — cos а tg р') == a sin a2k ctg /45°—
где a sin а — площадь нормального сечения;
2&ctg
— временное сопротивление сжатию пород ос-
нования призмы.
Решая относительно высоты откоса Н, получим
Н= — ctg(45°-4-V-------------г') (Ю4)
7 \ 2 / \ 1 — ctg a tg р /
ИЛИ
н=/у90
1
1 — Ctg a tg р'
(104')
где ff90 — предельная высота вертикального обнажения пород
без учета наслоения;
k — сцепление под углом к наслоению;
р — угол внутреннего трения под углом к наслоению;
р' — угол внутреннего трения по наиболее слабым кон-
тактам слоев пород;
а — угол падения слоев и угол откоса борта.
201
По формуле (104) с достаточной для практики точностью
можно определить высоту борта при падении слоев в сторону
выемки, когда угол откоса борта совпадет с углом падения слоев.
§ 10. РАВНОВЕСИЕ ПОРОД ПРИ ДРУГИХ УСЛОВИЯХ
ИХ ЗАЛЕГАНИЯ
Рассмотренные в § 4 и 9 условия равновесия пород rfo наи-
более слабым контактам В. В. Соколовский называет специаль-
ным предельным равновесием в отличие от предельного равно-
весия по поверхностям, не совпадающим с наслоением, трещино-
ватостью и другими элементами ослабления прочности горных
пород.
Условия специального предельного равновесия не ограничи-
ваются двумя рассмотренными случаями, допускающими анали-
тическое их выражение. При большом многообразии форм зале-
гания слоев пород и расположения элементов ослабления в них
трудно для всех возможных случаев предложить формулы или
графики для условий специального предельного равновесия.
Во многих случаях в настоящее время невозможно дать вы-
ражение равновесия в аналитическом виде.
В таких условиях необходимо строить графики зависимости
между высотой откоса и его углом для каждого отдельного слу-
чая залегания пород и структурных элементов.
При этих расчетах строят одно семейство кривых скольжения,
выходящих на поверхность откоса без учета структурных элемен-
тов, а затем определяют участки, в которых имеет место специ-
альное предельное равновесие. Поверхность скольжения будет
огибать предельно напряженные площадки предельного равно-
весия и специального равновесия, обнажающиеся горными выра-
ботками.
Рассмотрим наиболее характерные случаи.
1. При горизонтальном залегании слоев пород или при паде-
нии слоев под небольшими углами в сторону выемки или в сто-
рону массива (см. рис. 99), когда угол между поверхностью
откоса и наслоением составляет менее (90° — о' ), где /— угол
внутреннего трения по контактам слоев, поверхность скольжения
в нижней части откоса пойдет по наслоению, а в верхней части
по кривой, построенной обычным способом без учета наслоения
пород.
При таком положении поверхности скольжения ограниченный
ею массив отчетливо разделяется на два участка — нижний, на-
зываемый призмой упора, и верхний, называемый призмой актив-
ного давления (рис. 99). Призма активного давления давит на
призму упора с силой В, направленной параллельно поверхности
скольжения призмы активного давления. Касательная составляю-
щая этой силы сдвигает призму упора, а нормальная составляю-
щая прижимает призму упора к основанию и создает силы трения.
202
Предельное равновесие наступит, когда сопротивление дви-
жению призмы упора
Pi cos р tg р' + Pi sin р = А
будет равно проекции суммы сил призмы активного давления на
плоскость наслоения, уменьшенной на произведение нормальной
Рис. 99. Схема к расчету углов заоткоски борта,
сложенного пологопадающими слоями пород
составляющей этой силы и коэффициента трения по контактам
слоев,
А = В cos 0 — В sin 0 tg р'
или
Л COS р (tg р' 4- tg Р) — В sin 0 (ctg О — tg р'), (105)
где В — ST, — tg pS/V, — kL-
7} — касательные составляющие отдельных столбиков приз-
мы активного давления;
^ — нормальные составляющие этих столбиков;
k — сцепление по поверхности скольжения призмы ак-
тивного давления;
L — длина кривой скольжения призмы активного давления;
р' — угол внутреннего трения по контактам слоев;
203
р — угол наклона основания призмы упора;
Р — угол внутреннего трения под углом к наслоению;
Pj — вес призмы упора;
0 — угол пересечения поверхности скольжения призмы
активного давления с основанием призмы упора.
В этом случае возникают две задачи:
1) построить график зависимости между высотой откоса и
его углом при постоянном значении угла падения слоев;
2) при постоянной высоте откоса построить график зависи-
мости между углом падения слоев и углом откоса.
Решение первой задачи производится в следующем порядке:
1) пользуясь графиком, изображенным на рис. 95, строим
откос под углом ai и проводим в нем поверхность скольжения
без учета наслоения пород, как показано на рис. 91;
2) на высоте откоса й1 (рис. 99) проводим линию AtCh па-
раллельную линии наслоения пород;
3) определяем площадь призмы упора Si (треугольника АВС);
4) делим призму активного давления вертикальными линиями
на полосы шириной а (мм) и строим касательные и нормальные
составляющие высоты этих полос относительно их оснований;
5) суммируем отрезки касательных и нормальных векторов,
измеренных в миллиметрах, и измеряем длину поверхности
скольжения призмы активного давления L (мм);
6) составляем отношение
----------------- = Ь, (106)
В sin 9 (ctg 0 — tg р')
где С= cos ₽ (tg р' + tg ₽);
В = — ay tg pSTV, — kL\
Y — объемный вес;
k — сцепление на 1 мм кривой скольжения.
Если отношение (106) больше единицы, то задаемся высо-
той /г2 и повторяем все решение, при этом новую высоту выбираем
так, чтобы призма активного давления увеличилась (или умень-
шилась) на ширину, равную ширине расчетной полоски. Тогда
при определении В остается прибавить (или отнять) влияние
нового столбика. По двум-трем решениям определяется предель-
ная высота Н при данном угле откоса.
Далее, задаваясь углами откоса а?,73 и т. д., определим со-
ответствующие предельные высоты откосов Н2, Н3 и т. д., по
которым можно построить график зависимости между Н и «.
Пример определения высоты откоса по этой схеме представ-
лен на рис. 100.
Условия залегания пород в борте следующие. Угол падения
слоев в сторону массива — 10°; массив горных пород разбит си-
стемой трещин, падающих под углом 80° в сторону выемки;
£04
механические характеристики горных пород по контактам слоев
составляют k' =2,0 т/ж2, р'=25°; механические характеристики
код углом к наслоению составляют k=90 т/м2 и р =33°; объем-
ный вес пород 2,3 т/м3, Расчет произведен при коэффициенте
запаса устойчивости 2,0 в следующем порядке: а) механические
характеристики исправлены на коэффициент запаса и по ним
по графику (рис. 100) определена высота откоса при его угле,
Рис. ЮС. Пример расчета устойчивости борта, сложенного
пологопадающими слоями пород
равном 33° без учета наслоения, составившая 396 м. Затем про-
изведен расчет устойчивости с учетом наслоения при высотах от-
коса 350; 316 и 260 м, при которых коэффициент устойчивости
(при характеристиках прочности, уменьшенных вдвое) получился
соответственно равным п\ =0,63; пц=0,85 и /гш =1,36. По этим
данным построена кривая, на которой отмечена точка с коэф-
фициентом устойчивости и'=1,0. Высота откоса при этом коэф-
фициенте равна 292 м. Подобные расчеты повторяются при дру-
гом угле откоса и строится график зависимости угла откоса от
его высоты.
Решение второй задачи производится аналогично первой, но
только по заданным значениям Н\ и «1 находим значение при
котором отношение (106) равно 1; затем при а2 определяем Р2
и т. д.
2. Если угол откоса борта « меньше угла падения слоев и
больше р'(р»>а>р'), поверхность скольжения пойдет по на-
слоению пород в верхней части откоса и под углом к наслоению
в нижней части (рис. 101).
Для равновесия призмы упора безразлично, что создает дав-
ление — вес массива, не имеющего ослаблений, или вес слоистого
£05
массива. При этом важно, чтобы величина активного давления
на призму упора и в том, и другом случае была одинаковой. При
слоистом массиве это может быть достигнуто только уменьше-
нием высоты призмы активного давления по сравнению с приз-
мой активного давления при отсутствии поверхностей ослабления.
Рис. 101. Схема к расчету углов заоткоски борта,
сложенного слоями пород, крутопадающими в
сторону выемки
Решение задач в таком случае производится в следующем по-
рядке:
1) задаемся углом откоса без учета наслоения. По графику
(см. рис. 95) определяем высоту откоса и проводим в нем по-
верхность скольжения, пользуясь механическими характеристи-
ками по направлениям, не совпадающим с наслоением;
2) ориентировочно ограничиваем высоту призмы активного
давления линией А\В{ (участок а на рис. 101) и производим
сравнение сил сопротивления сдвижению призмы упора
А = tg + kL - S 1\ (107)
и силы активного давления
В = Рп cos Р sin О (tg 0 - tg р') (ctg о — tg р) (108)
последовательно для линий /; 2; 3 и 4.
206
Сила активного давления призмы Рц на призму упора опре-
деляется умножением веса первой из них на sin и cos угла
падения слабых контактов. Рц • sin ₽является сдвигающей силой,
a Pn-cosfr—нормальной прижимающей, которая, будучи умно-
женной на коэффициент трения по контактам слоев, создает силу
трения, удерживающую призму Рц на поверхности
Разность Рц• sin — Рц- cos {5 tgр' =S составляет силу давле-
ния призмы Рц на призму упора по направлению, параллельному
наслоению. Касательная составляющая этой силы S сдвигает
призму упора, а нормальная составляющая прижимает ее к осно-
ванию и составляет силы трения.
Разность S cos 0 — S sin 0 tg р = В представляет силу, сдви-
гающую призму упора по ее основанию.
Преобразуя это выражение, получим формулу (108), затем:
а) строим график отношения — (участок б на рис. 101)
в
и находим линию с минимальным отношением;
б) уменьшая или увеличивая высоту призмы активного дав-
А
ления, находим такую высоту, где отношение- — по наиболее
В
слабой линии равно единице.
3. При залегании слоев пород в виде синклинальной складки,
одно крыло которой частично или полностью срезано горными
работами, наиболее слабая поверхность может или полностью
проходить по контактам слоев, или пересекать слои в отдельных
участках.
Положение этой поверхности, где
INifi А-Ы
— min,
может быть найдено путем подбора. Пример расчета устойчи-
вости борта при таком залегании пород приведен на рис. 102.
Расчетная характеристика для этого примера следующая:
р = 33°; k = 66,0 т/м2- р' = 25°; k' = 20 m/лг2;
1 = 2,3 т/л/3; С =184.
При расчете углов наклона бортов в условиях залегания по-
род, подобных изображенным н# рис. 99—102, устойчивость
бортов в значительной степени возрастает, если им придать вы-
пуклую форму.
Порядок расчета откосов выпуклой формы такой же, как и
для откосов плоской формы.
207
§ 11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ОТКОСАХ
Нередко при расчете углов откоса бортов возникает необхо-
димость определять величины напряжений в отдельных точках
массива; приближенно их можно получить, исходя из того, что
при определении предельного равновесия в расчет принимается
сумма сил, действующая по всей поверхности скольжения, а по-
этому следует считать, что в каждой элементарной площадке этой
поверхности существует предельное равновесие.
Рис. 102 Пример расчета устойчивости борта при мульдообразном
залегании слоев
Если известна величина или нормального, или касательного,
или одного из главных напряжений, величину напряжений в пре-
дельном равновесии можно определить аналитически или по пас-
порту прочности.
В треугольной зоне АВС (рис. 104) величина наибольшего
главного напряжения легко определяется как вес вертикального
столба породы. На криволинейном участке поверхности скольже-
ния нормальное напряжение можно определять приближенно,
как нормальную составляющую веса вертикального столба
породы, приходящейся на единицу поверхности скольжения.
Для определения берем вертикальный столбик породы
с площадью сечения, равной 1 *м2 (рис. 103). Вес этого столбика
составит P^hy. Он будет опираться на наклонную площадку
скольжения размером S= —— (>w2). Нормальная составляющая
COS а
веса столбика, приходящаяся на всю площадку, составит
208
а на 1 м2 площади
W = Ну cos а,
= 4 =/Л cos2 а-
О
(109)
Рис. 103. Определение действующих
нормальных и касательных напря-
жений от веса элементарных стол-
биков
Графически нормальное напряжение на криволинейном участке
поверхности скольжения определяется следующим образом: через
интересующую нас точку поверхности скольжения проводится
вертикальная линия, на кото-
рой вниз от поверхности сколь-
жения откладывается отрезок,
равный высоте столба породы;
затем этот отрезок проектиру-
ется на нормаль к площадке
скольжения, а проекция еще
раз проектируется на верти-
кальную линию; полученный
отрезок в соответствующем
масштабе и будет являться
приближенным значением нор-
мального напряжения в дан-
ной точке.
По нормальному напряже-
нию на паспорте прочности оп-
ределяется касательное напря-
жение как ордината до линии,
выражающей прочность породы
при соответствующем нормаль-
ном напряжении; наибольшее главное напряжение отсекается на
оси абсцисс линией, проведенной под углом ^45°—---j к оси абс-
цисс через точку с известными и т.
На рис. 104 приведен пример определения наибольших глав-
ных напряжений указанным способом. Все определения произ-
ведены графическим способом. Масштаб графика напряжений
(паспорт прочности) подобран так (рис. 104,6), чтобы величины
напряжений выражались высотой столба породы над рассматри-
ваемой точкой.
Измеряя откос в метрах, а напряжения в тоннах на квадрат-
ный метр, масштаб графика напряжений следует уменьшить
в у раз по сравнению с масштабом откоса (рис. 104,а).
На рис. 104,в пунктирной линией показан график наибольших
главных напряжений, построенный по методу С. С. Голушке-
вича [8], и сплошной линией — по предлагаемому способу. Как
видно, расхождения в определении величины небольшие, и пред-
лагаемый способ удовлетворяет практическим целям.
14 Г. Л. Фисенко 209
Для определения величин напряжений по наиболее слабым
поверхностям с определенным коэффициентом запаса прочности
делаем допущение, что для удержания массива в равновесии
в равной степени используются как сцепление, так и коэффи-
циент внутреннего трения. Тогда равновесие по поверхности с ко-
эффициентом запаса п рассматривается как предельное равно-
весие массива с механическими характеристиками, уменьшен-
ными в п раз, а напряжения определятся по паспорту прочности,
где к и tg р уменьшены в п раз.
§ 12 РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ
ПО КАСАТЕЛЬНЫМ НАПРЯЖЕНИЯМ
В изложенных выше способах расчет производится с исполь-
зованием основных механических характеристик прочности гор-
ных пород — сцепления и коэффициента внутреннего трения.
Однако во многих случаях при испытании горных пород на срез
разделение сопротивления сдвигу на силы трения и силы сцеп-
ления невозможно. Например, при напряжениях, превышающий
210
предельные устойчивые, зависимость между касательными и нор
мальными напряжениями при срезе не прямолинейна, а пред
ставляет собой сложную кривую. Еще более сложную зависи-
мость между нормальными и касательными напряжениями при
срезе имеют влажные глинистые породы в отвалах, уплотненные
в разной степени. В этих случаях расчет устойчивости откосов
Рис. 105. Пример расчета устойчивости откоса по допустимым каса-
тельным напряжениям:
7—возникающие касательные напряжения г; 77—допустимые касательные напряжения т’
необходимо производить по общему сопротивлению горной по-
роды сдвигу без разделения на силы сцепления и силы трения.
Для этой цели используется паспорт прочности горной по-
роды, где зависимость между з„ и т при срезе может иметь
любую форму.
Расчет устойчивости откосов производится в следующем по-
рядке (рис. 105):
1) производится развертка расчетной поверхности (рис. 105,а)
в прямую линию (рис. 105,в) и отмечаются на последней точки 1,
2, 3 и т. д., соответствующие точкам на кривой;
14* 211
2) в точках /, 2, 3 и т. д. определяются по кривой нормаль-
ные напряжения (как Aycos2.a), а по паспорту прочности
(рис. 105,6) —соответствующие им (на рис. 105,6 паспорт проч-
ности увеличен вдвое) предельно-устойчивые касательные напря-
жения. Последние откладываются от соответствующих им точек
на развертке кривой (рис. 105,в) как ординаты;
3) концы отрезков соединяются плавной кривой и опреде-
ляется площадь фигуры, ограниченной этой кривой и осью абс-
цисс. Площадь фигуры численно будет равна максимальной
сумме сил, удерживающих откос в устойчивом состоянии;
4) определяется сумма касательных сил Sr,, действующих
по расчетной поверхности. Величины этих напряжений опреде-
ляются согласно рис. 103. Для суммирования касательных напря-
жений на развертке расчетной поверхности откладываются орди-
наты, равные касательным составляющим силы веса элементар-
ных столбиков в соответствующих точках, и концы их соединя-
ются плавной кривой. Полученная площадь между этой кривой
и осью абсцисс будет равна сумме касательных сил, сдвигающих
откос.
Отношение суммы сил, удерживающих откос в устойчивом
состоянии, к сумме сил сдвигающих характеризует степень устой-
чивости откоса:
^тдоп > |
действ
При наличии области пластического состояния пород в откосе
наиболее слабая поверхность опускается несколько ниже, чем
для пород, находящихся в упругом состоянии, построенная по
графику, изображенному на рис. 91. Расчет повторяется для
двух-трех поверхностей и из них выбирается самая слабая.
Расчет устойчивости откосов по касательным напряжениям
необходимо производить в тех случаях, когда откос достигает
такой высоты, при которой в его основании наибольшие главные
напряжения превышают предельно-устойчивые. Приближенно эта
высота откоса определяется по формуле
Н > ----------2*2--------, (ЦО)
7(1 —‘3 Р)(1 - 1Я~2~)
где k(l — устойчивое сцепление горной породы в куске;
р —угол внутреннего трения в куске.
Рассмотрим пример оценки (рис. 105) устойчивости откоса,
в котором породы находятся в пластическом состоянии. Физико-
механические характеристики пород в массиве составляют: у=2,2;
р =30°; сцепление в куске « = 30 т/м2 и сцепление в массиве
к' =10 т/м2.
212
Предельная высота вертикального обнажения этих пород,
определенная по формуле (87), составляет 15,75 м.
Борт высотой 150 м, заоткошенный под углом 29° без учета
пределов упругого состояния, имеет коэффициент запаса устой-
чивости 1,5.’
Напряжение по поверхности с коэффициентом запаса 1,5
(поверхность BD) на всем ее протяжении укладывается в пре-
делы упругости (точки 20, 21 и 22). Напряжения По поверх-
ности CD (где коэффициент запаса без учета пластичности со-
ставляет 1,74) на большем ее протяжении от точки 4 до точки 16
выходят за пределы упругости. Поскольку сопротивление пород
сдвигу за пределами зоны напряжений, в пределах которых по-
рода пластически не деформируется, нам было неизвестно, то
устойчивое сопротивление сдвигу в этой зоне ориентировочно
было принято равным величине сцепления породы в куске.
Можно полагать, что величина сопротивления породы каса-
тельным напряжениям в условиях пластического состояния не мо-
жет быть менее величины сцепления в куске, так как пластиче-
ское деформирование требует перемещения материала по любым
плоскостям, в том числе и по несовпадающим с поверхностями
ослабления.
При расчете в указанном порядке отношение суммы удержи-
вающих сил к сумме сдвигающих составило 0,72, т. е. откос
не является устойчивым на длительное время; развитие дефор-
маций с течением времени приведет его к оползанию, в то
время как без учета пластического состояния коэффициент
запаса составлял 1,5.
§ 13 УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ РЕКОМЕНДУЕМЫХ СПОСОБОВ
РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ
Изложенные в этой главе способы расчета устойчивости от-
косов и условия их применения обобщены на сводном графике
расчетных схем (рис. 106). Условия их применения можно из-
ложить следующим образом-
1. Расчетные схемы I и II используются для расчета верти-
кального обнажения пород, причем в схеме II учитывается влия-
ние поверхностей ослабления, падающих в сторону выемки под
углами, большими угла внутреннего трения по этим поверхно-
стям.
2. Схема III используется при падении подрезанных слоев
в сторону выемки под углом более угла внутреннего трения
(в пределах 20—35°), когда поверхность скольжения имеет
плоскую форму и на всем протяжении совпадает с контактами
слоев трещиноватостью или дизъюнктивными нарушениями.
3. Схема V применяется тогда, когда поверхность скольже-
ния на всем протяжении не совпадает с поверхностями ослаб-
ления в массиве и имеет круглоцилиндрическую форму.
213
Расчетные схемы в
различных условиях
залегания пород
Предел*-
примене-
ния схем
Применяемые фор-
мулы и графики
»М'™СЧ'*5'
k. L _____
11 У COSJS р )
__________" < "у,___________
«' cosj>‘__________
н* Хсозр MnppHl-fityTtgp)
р 30\ График зава
Р ?9... (и мости высоты и
угла ^откоса
Масштаб графика
М fho
oL <90°
о) р-МГ
д)&>70-
61J3 >70^
Ю ТО ',0 60.70
<Г fUOipUK
предельных
откосов Ьы
^*пои фдр
Мосины ,6
грисри! и
м ,t
р‘<а<узСМ
P,,cosp мпвНдр tgp)(clgQ tgp! Я
где Р„ бес призмы давления,
Я IgprN, >XL, УТ, в об
пасти при \мы упора (/)
VI!
VIII
IX
П > Що
(Z )ф'
& < 70
P^ospltgp'tgp) bwiOfiigf! fgp/
где Р, бес призмы упора,
B^TL Цр KL„ 3 оЗлас
ти призмы активного давления
Рис. 106. Расчетные схемы в различных условиях залегания пород:
у—объемный вес; а—угол заоткоски борта; р—угол падения слоев; 6—угол между плоскостью
откоса и напластованием пород; В—угол излома поверхности скольжения на границе I и //;
Я1—сцепление по контактам слоев; Кк— сцепление в куске, Я—сцепление по другим направ-
лениям; р1—угол трения между контактами слоев, р—угол трения по другим направлениям
Пунктирной линией изображены откосы выпуклой формы
Зависимость между высотой откоса и его углом для различных
расчетных характеристик («, р и у) выражена графиками для пло-
ской, выпуклой и вогнутой формы откосов, по которым опреде-
ляются элементы откоса после определения масштаба графика.
4. IV, VI, VII и VIII расчетные схемы применяются, когда
поверхность скольжения частично совпадает с поверхностями
ослабления, а частично проходит под углом к ним. При наклоне
Рис. 107. Схемы к определению ориентировочных углов
заоткоски бортов
борта, согласном с поверхностью ослабления (по схеме IV),
зависимость между высотой откоса и его углом выражена анали-
тически. При расчете по схемам VI, VII и VIII откосам выгодно
придавать выпуклую форму.
5. В отличие от предыдущих восьми схем, расчет по схеме IX
производится без разделения сопротивления сдвигу на силы
трения и сцепления. В этом случае поверхность скольжения мо-
жет иметь любую форму, а наибольшие главные напряжения по
наиболее слабой поверхности превышают предельно устойчивые
для данной породы.
Все рассмотренные схемы расчета устойчивости бортов реко-
мендуются для пород средней прочности и слабых, когда вели-
чина углов наклона бортов ограничивается прочностью пород.
В породах большой прочности величины предельных углов
наклона бортов зависят от углов откоса уступов, их высоты
и необходимой ширины площадок (рис. 107).
В этом случае угол наклона борта а может быть определен
по формуле проф. Б. П. Боголюбова
tga =----------, (111)
a + Actgp’
где h — высота уступов;
а — ширина площадок;
р — угол заоткоски уступов.
Углы откоса отдельных уступов при отсутствии поверхностей
ослабления — слоистости, сланцеватости, сильно развитой тре-
щиноватости, падающих в сторону выемки, — могут достигать 90°,
а при их наличии заоткоска уступов совпадает с ними.
Рассмотренные в работе способы расчетов устойчивости отко-
сов основаны на решении плоской задачи. В приложении к бор-
там карьеров вытянутой формы расчеты по вертикальным сече-
ниям, перпендикулярным средней линии простирания поверх-
ности борта, являются единственным решением; расчетные сече-
ния при этом могут располагаться одно от другого на рас-
стоянии, равном трехкратной глубине карьера, если в сложении
бортов на этом протяжении нет существенных изменений. При
изменчивом залегании пород расчетные сечения сближаются до
полуторной высоты борта. Поскольку обрушения и оползни от-
дельных блоков по монотонной поверхности происходят в каком-
то одром направлении, совпадающем с направлением равно-
действующей всех касательных (сдвигающих) сил, то два-три
решения, выполненных в плоскостях, параллельных направлению
этой равнодействующей, и их осреднение, исключают необходи
мость производить более сложные решения в объемном виде.
В работе не рассмотрены способы расчетов устойчивости от-
косов с учетом влияния взвешивающего гидростатического дав-
ления по той причине, что в крепких трещиноватых породах
депрессионная воронка располагается полого, и поэтому гидро-
статическое давление на устойчивость откосов не оказывает суще-
ственного влияния. В откосах пород средней прочности и слабых
наличие гравитационной воды ведет к разуплотнению пород,
уменьшению их прочности и последующему оползанию, и по-
этому эти породы должны быть осушены до горных разработок.
ГЛАВА XI
ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ УГЛОВ НАКЛОНА
БОРТОВ И УСТУПОВ
Изложенные в предыдущих главах рекомендации дают воз-
можность устанавливать оптимальные углы откосов уступов и
бортов по результатам детального изучения физико-механиче-
ских свойств пород и условий их залегания в массиве. При
отсутствии детального изучения или, например, в стадии состав-
ления комплексного проекта углы откосов уступов и бортов
можно принимать, исходя, из общих свойств прочности .угленос-
ных горных пород, приведенных в главе I, которые сводятся
к следующему:
Временное сопротивление одноосному сжатию высокой призмы
находится в следующей зависимости от главных механических
характеристик:
of = 2k etg
Площадки скольжения в массиве откоса появляются лишь при
величинах напряжений, определяемых формулой
01 = 2k etg (45° — -М + З3 etg2 (45° —
В однородных нетрещиноватых породах или в породах, в которых
поверхности ослабления (трещины, контакты слоев, дизъюнк-
тивные нарушения и др.) вертикальны, горизонтальны или па-
дают в сторону массива, углы откоса бортов и уступов могут
достигать 90° при глубине карьера не более
45°-#
где о! — временное сопротивление сжатию породы самого сла-
бого слоя;
//—глубина его залегания;
7 — объемный вес породы.
15 г Л Фисенко 217
Угол внутреннего трения в породах зависит от их грануло-
метрического состава по расчетной или испытуемой поверхности
и для однородных слоев угленосных горных пород как в плоско-
сти, так и поперек наслоения является одинаковым и может
быть охарактеризован табл. 7.
По контактам слоев, по которым происходили межслоевые
подвижки в период тектонических процессов, угол внутреннего
трения составляег 20—25°, но не более р в однородном слое.
Таковы же величины углов внутреннего трения и по дизъюнктив-
ным нарушениям со значительной амплитудой перемещения. При
заполнении трещин разрывов истертым материалом угол внут-
реннего трения вследствие повышенной влажности глинистого
материала, заполняющего трещины, может снижаться до вели-
чины 5—10°.
По кливажным трещинам угол внутреннего трения остается
таким же, как и в однородном монолитном куске.
Сцепление горных пород глинистого состава в куске в зави-
симости от плотности или объемной влажности приближенно
может быть охарактеризовано табл. 7 или графиком, изображен-
ным на рис. 10. Сцепление в однородном куске по площадкам,
параллельным наслоению, остается таким же, как и под углом
к наслоению.
Сцепление в неодонородных кусках по площадкам, параллель-
ным наслоению, в 2—3 раза меньше чем по площадкам под
углом к ,наслоению.
Сцепление в массиве по контактам слоев, по которым проис-
ходило скольжение в период тектонических процессов, составляет
1—2 т/ж2 (0,1—0,2 кг!см2) и практически может быть принято
равным нулю. Так как в слоистом массиве, подвергавшемся
тектоническим процессам, такие контакты встречаются очепп
часто, то в расчетах сцепление по контактам слоев можно при-
нимать равным нулю.
То же самое относится и к дизъюнктивным нарушениям. По
поверхностям, ослабленным трещиноватостью, сцепление в мас-
сиве в 2—5—10 раз (в зависимости от степени трещиноватости)
меньше, чем сцепление в куске.
Исходя из указанных основных свойств прочности горных по-
род, углы откосов уступов и бортов могут достигать следующих
величин:
1. На месторождениях первого типа, временное сопротивление
сжатию которых в несколько раз превышает величину Яу, пре
дельные углы полностью определяются структурой пород:
а) если поверхности ослабления вертикальны, горизонтальны
или падают в сторону массива (см. рис. 107,а), 5тлы откосов
уступов достигают 90°, а углы откосов бортов определяются как
a=arctg —, (112)
а
218
где Л —предельная высота уступа (сдвоенного или строенного);
а — минимальная ширина бермы.
Величины h и а определяются техническими условиями раз-
работки
б) при падении слоев в сторону выработки под углами от 25°
и более (см. рис. 107,6) углы откосов уступов равны углу паде-
ния слоев р , а угол наклона борта будет равен величине
а = arctg--------;
& а + h etg ₽
в) при падении слоев и дизъюнктивных нарушений в сторону
выработки под углами от 15 до 25° (см. рис. 107,в) углы откосов
уступов могут доходить до 90°, а наклон всего борта под углами,
равными углам падения слоев или дизъюнктивных нарушений.
Создание навалов на подрезаемых уступах не допускается;
г) при падении слоев и дизъюнктивных нарушений в сторону
выработки под углом положе 15° (см. рис. 107,г) углы откосов
уступов и бортов могут достигать величин, указанных в пунк-
те «а». При наклоне борта под углами, равными углам падения
слоев, на подрезанных уступах могут создаваться внутренние от-
валы. Для предотвращения сползания подрезанных треугольни-
ков, загруженных отвалами, можно рекомендовать взрыхление
пород по слабым контактам путем взрывания;
д) для висячего бока при падении трещин в сторону выемки
под углом более 45° углы откосов уступов необходимо принимать
равными углам р, а наклон всего борта — углам q, равным
, Л
а = arctg---------,
а + h etg $
где Р —угол падения трещин;
е) при падении трещин под углом от 35 до 45° в сторону
выработки углы откосов уступов могут доходить до 90°, а наклон
всего борта не превышать углов падения трещин (при слабо
развитой трещиноватости и небольшой глубине карьера углы на-
клона бортов могут быть и более);
ж) при падении трещин в сторону выемки под углами положе
30—35° (т. е. под углами, меньшими углов внутреннего трения
для данных пород) углы откосов уступов и бортов могут дости-
гать величин, определяемых пунктом «а».
2. На месторождениях второго типа углы откосов опреде-
ляются всеми перечисленными ранее факторами: физико-механи-
1 Минимальная ширина рабочей площадки (бермы) не всегда опреде-
ляется техническими условиями разработки. Нередко ее4величина зависит от
показателей сопротивления сдвигу и от давления экскаваторов и путей на верх
откоса Для условий Днепровского бассейна и Ермолаевского карьера можно
применить метод Л Е Родионова (Определение углов откоса рабочих уступов
угольного разреза, Углетехиздат, 1956). Прим отв ред.
15* 219
Тип место- рожде- ний Характеристика месторождений Гидрогеологические условия
I Месторождения геосинклиналь- ные, сложенные скальными и полу- скальными породами, не разуплот- няющимися при обводнении; проч- ность всех слоев пород > Ну Гидрогеологические усло- вия простые; воды пластово- трещинные и карстовые; де- прессионная воронка пологая
II Месторождения промежуточного типа (между геосинклинальными и платформенными), сложенные слоями полускальных и слабо- уплотненных пород, склонных к разуплотнению. Прочность наибо- лее слабых горных пород характе- ризуется по подтипам: а) <4 > Я?; б) gj < Чередование трещиноватых слоев с хорошей водоотда- чей и водоупорных слоев; наличие напорных вод в ле- жачем боку
в) Я(ч — 1) < aj < Яу t
III Месторождения платформенные, межгорных депрессий и третичные, сложенные породами, не претер- певшими уплотнения большого веса вышележащих пород. Прочность большей части пород 7/(7 — 1) С <Я7 Гидрогеологические усло- вия сложные; воды пластово- поровые; коэффициент филь- трации небольшой; депрес- сионная воронка крутая; имеются плывуны и напор- ные воды в лежачем боку
ческими свойствами пород в куске и в массиве, структурой пород
и условием их обводнения:
а) на месторождения, где наиболее слабые породы имеют
временное сопротивление сжатию более величины Ну(т!м2),
при благоприятных условиях для дренирования пород и при
обеспечении условий, предотвращающих их разуплотнение, вели-
чина углов откосов уступов и бортов может быть такой же,
как и на месторождениях первого типа;
б) на месторождениях, где имеются слои пород, временное
сопротивление сжатию которых менее величины но
при этом Ну< ------------------г, ориентировочные величины
(1 —tgp) (1 -tg-тг)
220
Таблица 10
Углы откосов
уступов 3,
град. ,
Углы наклона бортов «
в зависимости от
положения поверхно-
сти скольжения, град.
Основные методы дренирования по наслоению и трещинам под углом к наслоению по наслое- нию под углом к наслоению частично по наслоению
Дренаж открытый или водопо- нижающими колодцами, проходи- мыми с подошвы карьера По подтипам; По наслое- нию—при па- дении слоев пол углом более 25 До 90 15-25 1 а = arctg- а=arctg- h j-f-ftctgp h n+hctgp
а) открытый дренаж при по- мощи самоизливающихся сква- жин; По трещи- нам—при па- бдении тре- щин . круче 35—45 70 15—25
6) глубинный дренаж водо- понижающими скважинами и комбинированный дренаж нера- бочего борта; 45-60 15-20 35-40 25-30
в) глубинный дренаж не позд- нее чем за год до начала раз- работок; методы, как и для подтипа „б* 45-60 15-20 35-40 25—30
Глубинный дренаж за 1—2 года до начала разработок на данном участке; нерабочий борт и откосы траншей дренируются штреками и забивными фильтрами; на осталь- ном поле дренаж почвы пласта производится водопонижающими скважинами и колодцами 30-45 15-20 30—35 25
углов наклона бортов не следует принимать больше углов внут-
реннего трения (естественного откоса раздробленных пород) —
для висячего бока 30—35°, для лежачего бока 20—25°.
После детального изучения условий устойчивости пород эти
углы могут быть увеличены.
В проекте должны быть предусмотрены все мероприятия* по
дренированию пород, рекомендуемые в главе VIII;
в) на месторождениях, имеющих слои пород, сцепление кото-
рых менее величины, определяемой формулой
ь tgp>(i—tg-0
221
или приближенно
£<0,ЗЯ, т/м\
дренажные работы необходимо начинать не позже, чем за год
до начала открытых разработок на данном участке. При этом
условии углы откосов в проектном задании могут приниматься
такими же, как и для месторождений пункта «б»;
г) на уступах, сложенных рыхлыми породами, сцепление ко-
торых не превышает 1 кг/см?, при остановке на длительное время
необходимо устанавливать углы откоса не более 45°.
3. На месторождениях третьего типа, где породы не испыты-
вали уплотняющей нагрузки более величины Я (у— 1), исключая
породы, залегающие выше уровня грунтовых вод, и значитель-
ная часть пород, окружающих проведенные выработки, приходит
в пластическое состояние, дренажные выработки должны быть
пройдены за 1—2 года до начала разработок, а уровень грунто-
вых вод должен быть снижен до глубины не менее чем 1,2Я. При
этом условии углы откосов уступов могут приниматься 30—45°,
а углы наклона бортов 25—35°.
Ориентировочные величины углов откосов уступов и наклона
бортов могут быть охарактеризованы табл. 10.
При укладке в отвалы пород, подвергшихся уплотнению при
дренаже, можно производить их отсыпку под углами естествен-
ного откоса до высоты
^А>тв —
где т — коэффициент разрыхления пород в отвалах;
Нв — мощность вскрышных пород.
При предотвращении увлажнения пород в отвалах их устой-
чивость под углами естественного откоса будет сохранена. При
отсыпке отвалов необходимо в нижние слои помещать менее
влажные и более опесчаненные породы, в том числе и пески,
а в верхние слои — более глинистые и влажные породы, с мень-
шим пределом упругости и меньшей водопроницаемостью.
Поверхности отвалов необходимо придавать форму, обеспе-
чивающую максимальный сток воды. Форма вытянутых гряд при
обеспечении непрерывного уклона в сторону водосборника по
междугрядиям будет давать наибольший сток. Образование изо-
лированных впадин и придание поверхности отвалов мелкого
бугристокотловинного рельефа, совершенно исключающего сток,
недопустимо.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотрев влияние различных факторов на устойчивость
бортов и образование оползней, мы установили, что основными
из них являются: направление падения слоев, трещйн и дизъюнк-
тивных нарушений, прочность горных пород, их обводненность,
состояние сдренированности, расположение и форма горных вы-
работок.
При обследовании оползней главной причиной их образова-
ния в большинстве случаев считают факторы геологического
порядка — слоистость горного массива, его обводненность и др.,
причем иногда утверждают, что оползни неизбежны при откры-
тых разработках. Взгляд на оползневые явления как на неиз-
бежный стихийный процесс природы часто является следствием
смешения оползневых явлений при открытых разработках с ополз-
нями естественных склонов.
Оползни естественных склонов действительно происходят под
влиянием геологических и естественно-исторических факторов без
какого-либо вмешательства человека, тогда как на открытых
разработках оползни всегда происходят лишь вследствие дея-
тельности человека, а поэтому и причина их образования зависит
от того, насколько целесообразно направлена эта деятельность.
Исследованием многочисленных оползней и обрушений на
угольных и меднорудных карьерах установлено, что большую
часть из них можно было бы предотвратить при сознательном
учете всех основных факторов, влияющих на устойчивость отко-
сов горных пород.
При открытых разработках мы не можем изменить условия
залегания горных пород и элементов ослабления в них, а поэтому
необходимо применительно к условиям залегания соответствую-
щим образом ориентировать горные выработки, а углы откосов
уступов и бортов принимать соответственно условиям залегания
пород и ориентировке горных выработок.
Решающим фактором, оказывающим влияние на устойчивость
бортов и уступов, является дренаж месторождения; при отсут-
ствии дренирования углы устойчивых бортов уменьшаются в 3—4
223
раза, а также происходит набухание горных пород, которое
ведет к уменьшению их прочности и оползанию.
Отсутствие дренажных работ или плохое их проведение ока-
зывают большое влияние не только на образование оползней
бортов и уступов, но и на все процессы производства по вскрыше
и добыче угля.
Ярким примером неправильной организации дренажных ра-
бот и вредных последствий этого для всего процесса открытых
горных разработок является Ермолаевский карьер.
На этом карьере по почве вскрываемого угольного пласта
было пройдено большое количество дренажных выработок (штре-
ков), но вследствие недооценки ца карьере роли дренажных работ
сквозные фильтры не вскрывались горными выработками, а за-
бивные фильтры, пробуренные в почву штреков, ликвидирова-
лись с целью уменьшить приток воды в них. Эта боязнь воды
появилась в связи с полной заиленностью водосборника; приток
воды в дренажную шахту, достигавший 200 м?1час, откачивался
из приямка глубиной не более 0,5 м, вырытого в почве основного
дренажного штрека.
Вследствие такого отношения к организации дренажных работ
строящийся карьер оказался в аварийном состоянии. Все пло-
щадки уступов были обводнены грунтовыми водами, а это вы-
зывало деформацию железнодорожных путей и систематические
аварии паровозов и вагонов. Экскаваторы тонули в грязи и под
них пришлось подкладывать шпалы и железные листы. Обвод-
нение пород в уступах затрудняло работу экскаваторов и по-
движного состава как в летнее, так и в зимнее время и вело
к образованию оползней уступов и отвалов.
Способы дренирования угольных месторождений еще не раз-
работаны в достаточной степени. При разведке месторождений
часто делаются выводы о дренируемости пород, не подтверждаю-
щиеся при проведении дренажных выработок (Ермолаевский
карьер). До сих пор еще не существует единого мнения о дрени-
руемости различных угленосных пород. Такое положение вызы-
вает необходимость ведения строгого контроля за осуществлением
проекта дренажных работ со стороны проектных организаций и
своевременного внесения корректив в соответствии с эффектив-
ностью дренажных устройств различного вида.
При расчетах устойчивости откосов необходимо рассматри-
вать их как слоистую трещиноватую среду. При разнообразных
условиях залегания слоев, их трещиноватости и дизъюнктивных
нарушениях нельзя ограничиваться какой-либо одной расчетной
схемой, а нужно подбирать соответствующую расчетную схему
применительно к данным конкретным условиям.
Для расчета углов наклона устойчивых бортов необходимо
летально устанавливать структуру пород и элементы их зале-
гания в граничных зонах, где углы бортов принимаются более
224
крутые, но сеть разведочных скважин значительно реже, чем ни
всем остальном поле. Для расчета углов откосов необходимо
определять основные механические характеристики прочности гор-
ных пород — сцепление и коэффициент внутреннего трения. Хеля
давно известно, что при расчетах устойчивости применяются
только эти характеристики, разведка продолжает определять ряд
второстепенных, не нужных для расчетов данных (пределы пла-
стичности и др.), а основные характеристики изучаются недо-
статочно.
При разведке и эксплуатации угольных месторождений, раз-
рабатываемых открытым способом, необходимо подразделять их
по степени устойчивости бортов на три основные группы и в со-
ответствии с их геологическими условиями применять соответ-
ствующие дренажные устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бабокин И. А Шахтные воды и способы борьбы с ними в Под-
московном бассейне. Углетехиздат, 1954.
2. Беляев Н. М. Сопротивление материалов. Гостехиздат, 1949.
3. БелаенкоФ А. Свойства горных пород с точки зрения управления
кровлей. ОНТИ НКТП, 1936.
4. Бернацкий Л. Н. Прикладная геотехника. Трансжелдориздат, 1935.
5. Веселовский В. М. К вопросу о природе сцепления и трения
в глинистых грунтах. Сборник трудов НИИ оснований и фундаментов, № 13
Машстройиздат, 1949
6 Герман А. П Свод равновесия и оседание поверхности над гор-
ными выработками. Изв. АН СССР ОТН № 6, 1952.
7. ГерсевановН. М Основы динамики грунтовой массы. ОНТИ, 1937
8. Голушкевич С. С Плоская задача теории предельного равновесия
сыпучей среды. Гостехиздат, 1948.
9. Денисов Н. Я Строительные свойства лёсса и лёссовидных суглин-
ков Москва, 1953.
10. Динник А. И, Моргаевский А. Б, Савин Г. И. Распреде
ление напряжения вокруг подземных горных выработок. Труды совещания
по управлению горным давлением. Академиздат, 1938
11 Емельянова Е. П. О причинах и факторах оползневых процес-
сов. Труды ВСЕГИНГЕО. Вопросы гидрогеологии и инженерной геологии.
Госгеолиздат, 1953.
12. Залесский А С., Леонов Ф А, Скиргелло О. Б, Си-
ми с К М Опыт осушения углеразреза бесшахтным способом. «Уголь»,
1951, № 2.
13 Ио фин С. Л. Устойчивость бортов карьеров. Металлургиздат, 1953
14 Каменский Г. И., Климентов П. П., Овчинников А. М.
Гидрогеология месторождений полезных ископаемых. Госгеолиздат, 1953
15 Красниковский Г В. За дальнейший технический прогресс
в угольной промышленности, «Уголь», 1954, № 1.
16 Кузнецов Г. Н. Механические свойства горных пород. Углетех-
издат, 1947.
17. Кузнецов Г Н. Определение полной несущей способности кровли
подземных выработок Сборник ВНИМИ, XXII, 1950
18. Маслов Н. Н. Прикладная механика грунтов. Машстройиздат,
19. Малюшицкий Ю. Н. Физико-механические свойства горных по-
род и их значение в вопросах устойчивости бортов угольных карьеров. Угле-
техиздат, 1951.
20. Мельников Н. В. Добыча ископаемых открытым способом Угле-
техиздат, 1948.
21 Мельников Н В. За дальнейший прогресс техники открытых
горных работ. «Горный журнал», 1954, № 10.
226
22 Михлин С Г. Об основной задаче теории горного давлении До
клады АН СССР, т. 49, 1945, № 9.
23. Н овотор цев В. И. Общее решение плоской задачи теории ирг
дельного равновесия земляных масс. Известия НИИГ, 1941, № 29.
24 Орнатский Н. В. Механика грунтов. Изд-во, Московского уни-
верситета, 1950
25 Пельдяков И. С. Геология месторождений ископаемых углей
Углетехиздат, 1954.
26 П о п о в С. И. К вопросу определения угла погашения карьера. НИС
Магнитогорского ГМИ, вып. V, 1948.
27 Пономарев И. П Оползни на угольных разрезах. Углетехиздат,
1949
28 Приклонский В А. Грунтоведение, часть I. Госгеолиздат, 1949
29. Прокофьев И. П Теория сыпучих тел в приложении к расчету
подпорных стенок. Госстройиздат, 1934
30. Протодьяконов М. М. Давление горных пород и рудничное
крепление, часть I, Государственное научно-техническое горное издательство,
1933
31. Прохоров С. П. Требования к гидрогеологической изученности
месторождений полезных ископаемых, Госгеолиздат, 1951.
32. Пузыревский Н. П. Фундаменты. Госстройиздат, 1934.
33. Рухин Л. Б. Основы литологии. Гостоптехиздат, 1953.
34. Саваренский Ф. П. Инженерная геология. ГОНТИ, 1939
35. Сенк ов А. М. Графо-аналитический метод решения задач меха-
ники грунтов. Труды ВНИМИ, сборник XX. Углетехиздат, 1949.
36. Сергеев Е. М. Общее грунтоведение. Изд-во Московского универ-
ситета, 1952
37. С о к о л о в с к и й В. В. Статика сыпучей среды. Изд-во АН СССР,
1942
38 ТерцагиК. Инженерная геология. ГОНТИ, 1939.
39. Т р о и ц к а я М Н. Новый способ расчета устойчивости откосов и
склонов Дориздат, 1951
40 Фисенко Г. Л. Определение объемного веса угля на шахтах и
разрезах комбината Челябинскуголь Сборник статей «Маркшейдерское
дело». Металлургиздат, 1951.
41 Фисенко Г Л К вопросу о направлениях в исследовании дефор-
маций горных пород «Уголь», 1954, № 7.
42. Ф и с е н к о Г. Л. Определение сцепления и коэффициента вну-
треннего трения полускальных горных пород Коркинского месторождения
Труды ВНИМИ, сборник XXVII Углетехиздат, 1953
43 Фисенко Г. Л Определение углов заоткоски бортов Коркинских
угольных карьеров Углетехиздат, 1953
44. Хеннес Оползни и меры борьбы с ними. Бюллетень инженерной
опытной станции Вашингтонского университета, 1936, № 91
45. Цимбаревич Н. М. Механика горных пород. Углетехиздат, 1948
46 Цытович Н. А. Механика грунтов. Стройиздат Наркомстроя,
1940
Стр.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.................................................. 3
Глава 1. Ф и з и к о - м е х а н и ч е с к и е свойства горных по*
родугольных месторождений.................................. 7
§ 1. Литологический, гранулометрический и минералогический
состав . *........................................ . . . —
§ 2. Объемный и удельный вес, плотность и влажность пород . 8
§ 3. Взаимодействие горных пород с водой.............. 10
§ 4. Виды воды в горных породах....................... 12
§ 5. Основные сведения о напряжениях...................14
§ 6. Основные механические характеристики прочности горных
пород............................................. 18
§ 7. Сцепление горной породы в куске...................22
§ 8. Пределы устойчивости горной породы при касательных на-
пряжениях ...............................................24
§ 9. Коэффициент внутреннего трения....................28
§ 10. Характеристики прочности горных пород в массиве .... 32
§ 11. Механические характеристики горных пород в отвалах . . 33
Глава II. Фюр м и р о в а н и е угольных месторождений. . 35
§ 1. Отложение пород и их уплотнение с погружением вглубь
земли........................................................ —
§ 2. Тектоника, отдельность и трещиноватость............. 38
§ 3. Поднятие угленосных отложений и их выветривание (раз-
уплотнение) 39
§ 4. Покровные отложения................................. 41
§ 5. Гидрогеологические условия ............................ —
§ 6. Разделение месторождений по склонности к оползням в за-
висимости от физико-механических свойств горных пород 43
Глава III. Изучение структуры, ф и з и к о - м е х а н и ч ес-
ких свойств и гидрогеологических условий за-
легания горных пород .................................... 45
§ 1. Разведка структуры месторождений..................... —
2. Полнота разведки всех пластов и горизонтов...........47
§ 3. Изучение физико-механических свойств горных пород ... —
§ 4. Изучение гидрогеологических особенностей............ 60
Глава IV. Основные условия устойчивости
откосов горных пород............................ 62
§ 1. Условия равновесия несвязных (сыпучих) горных пород
в откосах ............................................... —
§ 2. Условия равновесия связных горных пород............. 63
§ 3. Основные формы поверхностей скольжения.............. 65
§ 4. Условия равновесия в откосах горных пород, находящихся
в пластическом состоянии................................ 65
228
Стр.
§ 5. Устойчивость сыпучих пород в откосах при фильтрации
воды через откос...................................... 67
§ 6. Влияние водного давления на устойчивость связных пород
в откосах........................................... 68
Глава V. Виды оползневых явлений на угольных
карьерах....................... *....................... 71
§ 1. Виды деформаций бортов и уступов.................... —
§ 2. Оползни и обрушения уступов, сложенных глинами и су-
глинками ................................... < . . . . 73
§ 3. Оползни насыщенных водой навалов глин по поверхности
коренных пород.........................................78
§ 4. Оползни и обрушения уступов коренных пород по подре-
занным контактам между слоями..........................93
§ 5. Глубинные оползни коренных пород лежачего бока .... 94
§ 6. Глубинные оползни пород висячего бока..............10+
§ 7. Оползни внутренних и внешних отвалов...............108
§ 8 Морфология и динамика оползня......................115
Глава VI. Установление характера оползней по
маркшейдерским наблюдениям и по результа-
там обследования . .........................117
§ 1. хМетодика инструментальных маркшейдерских наблюдений . —
§ 2. Установление характера оползня по результатам маркшей-
дерских наблюдений................................... 120
§ 3. Характерные признаки оползней и установление их вида
по результатам обследований...........................123
Глава VII. Меры борьбы с оползнями.......................126
§ 1. Меры предотвращения оползней........................ —
§ 2. Механические, химические и другие способы закрепления
земляных масс........................................... —
§ 3. Планировка и заоткоска обрушений и оползней пород . . . 127
§ 4. Борьба с оползнями насыщеных водой рыхлых пород путем
оставления целиков или путем отгрузки оползающих масс . 128
§ 5. Горные работы в зоне образования глубинных оползней ко-
ренных пород..........................................129
§ 6. Борьба с оползнями отвалов.........................130
Глава VIII. Др е н а ж угольных месторождений, раз-
рабатываемых открытым способом.........................132
§ 1 Цели дренирования .... —
§ 2. О величине давления воды (напора) в слоях горных пород . 133
§ 3. О водоотдаче глинистых пород........................ —
§ 4. Зона необходимого дренажа........................ 135
§ 5. Способы дренирования..............................139
§ 6. Примеры расположения дренажных выработок и устройств . 143
Глава IX. А н а л и з методов расчетов устойчивости
откосов............................................... 154
§ 1. Расчет и построение откосов по методам В. В. Соколовско-
го и С. С. Голушкевича . . ...............—
§ 2. Методы расчета углов откосов, основанные на принятии
плоской поверхности скольжения ..........163
§ 3. Методы расчетов углов откосов, основанные на принятии
круглоцилиндрической поверхности скольжения ... . 166
§ 4. Методы расчетов углов откосов при сложной поверхности
скольжения, учитывающие наслоение и трещиноватость по-
род .................................................. 171
§ 5. Методы расчетов углов откосов по углам сдвига .... 173
229
Стр.
§ 6. Недостатки существующих методов расчета устойчивости
откосов . . ......................................176
Глава X. Р е к о м е н д у е м ы е способы расчета устойчи-
вости откосов. ...».....................................178
§ 1. Горные породы — слоистая трещиноватая среда, к которой
применимы законы сыпучей среды .......................... —
§ 2. Напряжения и площадки скольжения...................179
§ 3 Предельная высота вертикального обнажения горных пород 181
§ 4. Условия равновесия подрезанных слоев при плоской поверх-
ности скольжения........................................183
§ 5. Три формы откосов...................z.............186
§ 6. Расположение поверхностей скольжения в массиве откосов,
не имеющих поверхностей ослабления......................187
§ 7. Графики откосов вогнутой, плоской и выпуклой формы . . 191
§ 8. Коэффициент запаса устойчивости....................197
§ 9. Условия равновесия слоев пород, падающих в сторону вы-
емки при отсутствии их подрезки.........................200
§ 10. Равновесие пород при других условиях их залегания . . . 202
§11. Определение напряжений в откосах ............... 208
§ 12. Расчет устойчивости откосов по касательным напряжениям 210
§ 13. Условия применения рекомендуемых способов расчета устой-
чивости откосов.........................................213
Глава XI. Ориентировочные величины углов наклона
бортов и уступов...................................... 217
Заключение.............................................. • 223
Литература....................................... ... . 226
Фисенко Георгий Лаврентьевич
Устойчивость бортов угольных карьеров
Ответственный редактор Л. Е. Родионов
Редактор издательства А. X Славоросов
Переплет художника Ю Ф. Немчинова
Техн, редактор В. Г. Зазульская
Корректор А Г Либергал
Сдано в наб 2/VI 1956 г. Подп. в печ. 17 IX 1956 г.
Формат бумаги 60 X 92*/ie Печ. л. 14 5
Уч.-изд. л. 14,07 Тираж 2 500 экз Т-08900
Изд. № 435 Инд. 1/П Цена 1 р. 4-переплет 1 р.
Заказ № 2211
Типография № 5 Углетехиздата
Москва, Южно-портовый 1-й пр. д , 17