CC BY
32
риинои ситуации не представляется целесообразным. Решение о вводе в действие конкретной позиции ПЛА должен принимать ответственный руководитель работ по ликвидации аварии. Помощником в принятии решений может и должен стать программный аварийно-вентиляционный комплекс, состоящий, как минимум, из взаимоувязанных вышеперечисленных задач мониторинга, моделирования и статистико-информационного обеспечения.
Авторы статьи, как и все заинтересованные стороны, выражают надежду, что работа по созданию ПАВК будет продолжена с учетом вышеперечисленных требований, реализация которых является насущной производственной необходимостью и логичным продолжением ранее созданных программных продуктов. При этом следует учитывать, что по мере освоения возможностей ПАВК, а также по мере появления изменений в норматив-
ных документах, требования технологов неизбежно будут расширяться. В силу этого необходимо относиться к комплексу как к живому, развивающемуся объекту с обратной связью и обеспечить поддержание комплекса в соответствии с изменяющимися требованиями ситуации силами создающего и совершенствующего ПАВК коллектива.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------------------
Калинин Н.Б. - Отдельный Военизированный Горноспасательный Отряд (ОВГСО) Печорского бассейна, помощник ком. взвода службы депрессионных съемок.
Калинина М.Н. - филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт», старший преподаватель кафедры прикладной механики и математики.
© A.B.Якoвлeв, H^.Ермаков, 2003
YAK 622.46.001.57
A.B.Якoвлeв, HM.Ермаков
AECTPYKmBHblE KРИПОBЫE AEФОРМAUИИ HA ОПОЛЗHEBОМ Y4.ACT.ХЕ БО—TA KОРШYHОBCKОГО ^P^PA
По типу проявлений деформации прибортового массива условно подразделяются на оползни, оплывины, обрушения и осыпания. В основу такой классификации положено два фактора: геометрия разрушенного участка прибортового массива и скорость деформационного процесса. В классификации совсем не принимается во внимание, каким образом из сплошного прибортового массива образуется разнофракционная, по существу, отвальная горная масса. Мы считаем, что для типизации явлений разрушения при-бортовых массивов следует привлечь еще один фактор, который бы характеризовал динамику раз-
рушения массива до начала активной стадии деформации, что позволило бы не только расширить рамки нашего понимания оползневых явлений, но и прогнозировать поведение массива вблизи поверхности обнажения и предотвращать деформации отдельных участков массива.
Для борьбы с обозначенными деформационными процессами в прибортовом массиве прежде всего необходимо еще раз более подробно остановиться на причинах возникновения разрушений и механизме протекания процесса разрушения до момента, когда массив подготовлен к транспортировке оползневой массы в выработанное
пространство. Начальные деформационные процессы в прибортовом массиве связаны с изменением его напряженного состояния, пока какой-то из его участков не окажется полностью дезинтегрированным от остальной части прибортового массива и не начнет вести себя по законам гравитации. Чтобы понять, какие структурные изменения происходят в прибортовом массиве, сначала остановимся на общих закономерностях распределения поля напряжений, связанных с образованием открытого выработанного пространства.
Если исходное поле напряжений в массиве пород месторождения имеет тектоническое происхождение, то общие закономерности трансформированного поля напряжений в прибортовом массиве известны. Они заключаются в том, что главная максимальная компонента напряжений ориентирована согласно наклону поверхности борта, минимальная компонента напряжений действует перпендикулярно линии наклона борта, промежуточная главная компонента поля напряжений ориентирована по простиранию борта. Транс-
формированное поле напряжений в прибортовом массиве является более неоднородным по значениям главных напряжений, чем исходное тектоническое поле напряжений. Главная максимальная компонента напряжений нового (вторичного) поля напряжений почти в два раза превосходит ее аналог первичного поля напряжений, а минимальная компонента от нулевого значения возрастает до некоторой величины. Новая ориентировка главных компонент напряжений и их неоднородность по значениям приводят к дезинтеграции прибортового блочного массива. Изменение плотности первоначальной упаковки структур сопровождается изменением напряженного состояния, то есть снижением величин главных компонент напряжений в зоне разуплотнения пород. Эти процессы на различных карьерах, и даже в бортах одного карьера, имеют разную продолжительность по времени и включают разный объем горного массива.
Механизм изменения напряженного состояния может быть различным в зависимости от начальной структуры тектонического поля напряжений. Например, минимальная компонента напряжений может быть растягивающей, а не сжимающей. Кроме того, если эта растягивающая компонента напряжений в прибортовом массиве действует вдоль борта карьера, то прибортовой массив испытывает очень сложное деформирование. Такой вариант распределения трансформированного поля напряжений в прибортовом массиве, на наш взгляд, имеет очень негативные последствия для устойчивости борта. Особенно рельефно негативные последствия перераспределения напряжений происходят при соответствующем тектоническом строении массива.
Теперь подкрепим наши рассуждения фактическими данными. Объектом наших исследований был прибортовой массив Коршуновского железорудного карьера. Наблюдения за деформированием при-бортового массива северо-западного борта велись в течение 4 лет с момента, когда на этом участке начали интенсивно развиваться оползневые явления. Это был рецидивный процесс, так как первые оползневые деформации в северозападном борту карьера начались в 1975 г. Продолжительное время деформации этого борта карьера
изучались с использованием методических приемов, изложенных в инструкциях института ВНИМИ. Главными факторами, которые учитываются при оценке устойчивости массива являются вес пород в потенциально оползневой призме (гравитационная компонента напряжений), ориентировка плоскостей напластования, средняя плотность структурных ослаблений в прибортовом массиве, физикомеханические показатели пород, давление подземных вод и геометрия борта. Действующая методика расчета устойчивости прибортовых массивов не позволила правильно обосновать параметры борта и надежно прогнозировать дальнейшее состояние прибортового массива.
Использование для изучения устойчивости бортов нетрадиционных способов измерения деформа -ций прибортового массива с использованием спутниковой геодезии дает возможность расширить представления о характере его деформирования. Главная особенность деформирования массива в приконтурной зоне северо-западного борта карьера проявилась в том, что вектор перемещения 9 геодезических пунктов был направлен на восток, а не, как ожидалось, в карьерное пространство. Такая направленность движения наблюдательных пунктов позволила предположить, что на месторождении действует тектоническое поле напряжений. Для изучения особенностей действия поля напряжений в прибортовом массиве было заложено около 90 маркшейдерских реперов, 23 из которых располагались в южном прибортовом массиве, а остальные - в северном. На северном борту карьера наблюдательные репера были сгруппированы в 4 наблюдательные станции, приуроченные к разным горизонтам карьера.
Результаты наблюдений за перемещением реперов оказались также очень неожиданными. Спектр перемещений отдельных реперов на северо-западном участке борта был очень широким, но чаще всего преобладало восточное направление отдельных точек массива. Фактические данные о характере деформирования прибортового массива не совпадали с теоретическими представлениями или гипотезами. Деформации отдельных интервалов между реперами свидетельствовали о дезинтеграции (разрушении) прибортового
участка. Растяжение интервалов между реперами здесь встречается гораздо чаще, чем сжатие интервалов. Значения растягивающих и сжимающих деформаций интервалов на порядок превосходят пределы упругой деформации пород, то есть в этом борту мы имеем дело с сосредоточенными деформациями массива, подавляющая часть из которых происходит за счет возникновения новых структур растяжения.
Результат деформирования прибортового массива отражается и в морфологии отдельных берм. Появляются сначала узкие и небольшие по протяженности трещины растяжения. Их ориентация в массиве не однотипна как по падению, так и по простиранию. С точки зрения тектонофизики они чаще всего представляют эшелонированные трещины отрыва, разноудаленные от поверхности скольжения, их породившей. Азимут угла падения таких трещин фрагментами по падению и простиранию направлен в массив, иногда -в карьер.
Для каждого участка прибортового массива характерно свое развитие трещин отрыва. Процесс их роста является дискретным и идет с различной скоростью. Порой берег трещины, ближайший к карьеру, испытывает подъем, а потом опускание. Этот процесс смещения берегов трещин может быть многократным. Берега трещин очень невыдержанные по морфологии, потому что они проходят через ослабления в массиве, которые залегают неопределенным обра-зом. Трещины начинают расти более интенсивно при увлажнении массива атмосферными осадками. Рост отдельной трещины может внезапно прекратиться, а по соседству на поверхность бермы выходит сонаправленная трещина, которая развивается по тем же законам, что и первая. Механизм возникновения и развития трещин никак не подходит под тот, что следует их традиционных взглядов на развитие фронтальной трещины отрыва в оползневой призме. Различие наблюдается не только в тех деталях, что были перечислены выше, но и в том, что деструктивные трещины перед оползнем почти синхронно развиваются на нескольких горизонтах, образуя ряд оползневых призм. В этот период расчет устойчивости прибортового массива по типовой методике яв-
ляется некорректным, поскольку выделяется несколько призм со своими индивидуальными характеристиками.
Развитием деструктивной трещины отрыва процесс формирования оползневой призмы не заканчивается. На северо-западном борту Коршуновского карьера вслед за образованием и развитием этих трещин начинают формироваться поперечные относительно борта трещины отрыва, природа которых является сложной и необъяснимой при традиционном рассмотрении последствий от действия гравитационного и даже тектонического поля напряжений. Изучение морфологии боковых поверхностей массива, граничащих с оползневой призмой, и внешнего вида оползневой горной массы, а также тыловой поверхности призмы после ее деформационного перемещения позволяет понять природу и этих деструктивных трещин.
Чтобы понять природу возникновения продольных и поперечных деструктивных трещин в массиве на стадии подготовки оползня, пришлось более детально изучить распределение напряжений в прибортовом массиве, геологическое строение участка и оценить механизм его деформирования. Распределение напряжений в этом прибортовом массиве оценивалось с помощью метода дискования керна и кинематического метода, базирующегося на анализе векторов перемещений отдельных участков массива по залеченным швам нарушений под влиянием тектонического поля напряжений, существовавшего к моменту кинематических подвижек. Нами было обнаружено дискование керна в 6 разведочных скважинах, четыре из которых были пробурены вертикально, а две -под углом 15-20° к горизонтали. Вертикальные скважины были пробурены с берм, расположенных на глубине 120-150 м от земной поверхности, а субгоризонтальные скважины были пробурены с бермы, находящейся на глубине около 60 м. Диаметр дисков в скважинах в зоне концентрации напряжений от карьерной выработки варьировал в пределах 5-25 мм. По зависимостям, установленным в восьмидесятых годах в институте ВНИМИ В.М. Барковским и А.В. Исаевым, были рассчитаны значения максимального главного напряжения (а1) для соответствующих глубин (Н) и установлена ориентиро-
вочная зависимость между а1 и Н в виде: а1 = 0,1 Н.
Результаты оценки напряжений кинематическим методом подтвердили справедливость расчетов максимальной компоненты напряжений в зоне концентрации напряжений от карьерной выработки с глубиной. Параметром для оценки а1 этим методом послужили борозды скольжения по кальциту субгоризонтальных тектонических поверхностей швов нарушений.
Проведенные геомеханические исследования прибортового массива позволяют утверждать, что он разбирается на отдельные блоки только под влиянием трансформированного карьерной выемкой тектонического поля напряжений. Однако судить о механизме и глубине этой дезинтеграции массива невозможно, не изучив строение прибортового массива.
Результаты изучения геологического строения северо-западного прибортового массива только в общих чертах подтвердили структуру этого участка, предложенную на стадии разведки месторождения. На разрезах породная толща представлена двумя разновозрастными слоистыми свитами, между которыми расположена переходная толща пород небольшой мощности, датируемая более поздним периодом образования из-за внедрения постинтрузивных растворов. Эта переходная толща отнесена к низкотемпературной скарнированной зоне, которая согласно залегает с покрывающей и подстилающей породными свитами. Угол падения слоистости на разрезах составляет около 15°. Это значение угла залегания слоистой толщи стало отправной точкой для расчета устойчивости прибортового массива. Угол трения по контактам слоев определялся на породных образцах и достигал 20°. Слои представлены различным набором аргиллитов, алевролитов, песчаников и известняков. Мощность слоев определена по расстоянию между плоскостями контактов и варьирует в широких пределах.
Наши исследования показали, что в период отложения слои были очень компетентными, и между ними сохранились седиментационные контакты, которые представляют собой очень шероховатую поверхность. Существующие тонкие слои, по нашему мнению, являются результатом тектонических подвижек компетентных осадочных слоев в
субгоризонтальной плоскости еще до образования рудных тел. Наиболее существенные изменения в структуре массива в этот геологический период случились как раз на контакте двух мощных свит (устькутской и верхоленской). В этот период была образована мощная тектоническая зона, которую условно назвали илгинской свитой. Проявление этой свиты картировано только на ограниченном по простиранию и падению участке массива. Протяженность ее по простиранию составляет около 300 м, по падению - в несколько раз больше. На западе тектоническая зона ограничена другим слоистым массивом, представленным более компетентными породными слоями из набора тех же материалов, имеющими более крутое падение. На востоке зона ограничена антиклинальной флексурой, за пределами которой структура массива обеих свит становится иной, чем на западе от нее. По падению эта тектоническая зона ограничена рудными телами.
Строение тектонической зоны довольно сложное. В нее входят ряд тектонических участков меньшей мощности (от 3 до 10 м) и крупноблочные слоистые породные включения с общей мощностью, превышающей мощность соседних тектонических зон. Эти небольшие по мощности тектонические участки или тектонические швы выполнены тектоническим материалом в виде разлинзованных пластин разной толщины, упакованных в глинистый материал. Некоторые из участков швов включают более прочные материалы, например, кальцититы, кальциты, магнетит, гематит, которые играют роль более прочного каркаса всей тектонической конструкции. В сухом состоянии массив обладает относительно высокими прочностными свойствами. При увлажнении и под влиянием тектонических напряжений свойства пород тектонической зоны изменяются в сторону уменьшения угла внутреннего трения и сцепления.
Залегание отдельных тектонических участков не согласуется с залеганием покрывающей и подстилающей слоистой толщи, то есть с залеганием Устькутской и Верхоленской свит. Они имеют изменяющийся угол падения от 10° в карьер до 5° в массив. Лишь отдельные участки характеризуются более крутым углом падения в
Этап тектонимеского
направление подвижки Рис. і
Продольное сечение оползневой призмы перед сползанием
Рис. 2
карьер, достигающим 2Q°. B общей тектонической зоне или илгинской свите картировано до восьми таких тектонических участков с ограниченной протяженностью по паде -нию. За пределами илгинской свиты в породах устькутской и верхоленской свит аналогичные текто-
нические зоны не выражены, а слои расчленены мелкоамплитудными субгоризонтальными и субвертикал ьными нарушениями,
фрагментарно залеченными кальцитом.
Очень неоднородное поле напряжений в прибортовом массиве
в совокупности с тектоническими участками или нарушениями при -водят к локальному перемещению многочисленных областей массива, как это показано на рис.1. Результатом такого взаимного перемещения крыльев нарушений является квадрантное распределение напряжений и деформаций в области влияния каждого из кинематических швов. Образуются две области сжатия и две области растяжения. В первых двух областях формируются трещины сдвига, во вторых зонах - эшелонированные трещины отрыва, которые фрагментарно выходят на поверхность карьера. В тектонической зоне разрушение посредством сдвига случается на тех участках, где угол трения по контакту поверхности, вероятно, превышает 12°. При этих условиях контакта происходит криповое дискретное перемещение крыльев нарушений относительно друг друга с возникновением и раскрытием многочисленных трещин растяжения
Последствием такого постепенного (крипового) разрушения массива является образование отвальной (разной крупности) горной массы, которая насыщается атмосферными осадками. Если эта масса подстилается поверхностью нарушения более крутого падения (рис. 2), чем угол трения по контакту ра зрушенных пород с по -верхностью шва, то отвальная масса транспортируется в карьер, как это случается в северо-западном борту Коршуновского карьера.
Таким образом, нашими наблюдениями установлена детальная последовательность ра зрушения одного из участков борта Коршуновского карьера, приводящая к оползневым явлениям. Эта последовательность дезинтеграции массива может служить дополнительным признаком для типизации негативных деформационных процессов в прибортовых массивах рудных и нерудных карьеров.
kopotko об abtopax
Яковлев A.B, Ермаков Н.И. — Институт горного дела УрО РAH.
