Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 25.00.16 - Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Инженерно-геологическое обоснование прогноза гидрогеомеханических процессов при ведении горных работ

КУТЕПОВА Н.А.

1. Разработка критериев идентификации типа деформационного поведения водонасыщенных горных пород в рамках решения гидрогеомеханических задач.

2. Установление закономерностей развития гидрогеомеханических процессов на базе экспериментального изучения деформационного поведения водонасыщенных породных массивов в различных инженерно-геологических, гидрогеологических и горно-технических условиях.

3. Выполнение инженерно-геологического обоснования методики прогноза опасных горно-геологических явлений на базе гидрогеомеханических расчетов применительно к решениям различных инженерно-технических задач.

4. Совершенствование методов и технических средств изучения водонасыщенных породных массивов в полевых и лабораторных условиях.

5. Разработка методики обоснования расчетных параметров физико-механических свойств водонасыщенных горных пород для прогноза гидрогеомеханических процессов.

6. Разработка системы научно-методического обеспечения безопасности горных работ в условиях развития гидрогеомеханических процессов.

Идея работы - для обоснования методологии гидрогеомеханических прогнозов целесообразно использовать инженерно-геологический анализ экспериментальной информации, позволяющий установить закономерности изменения напряженно-деформированного состояния водонасыщенных породных массивов под влиянием природных и техногенных факторов и адекватно их учесть в математических построениях.

Методы исследований. В работе использован комплексный подход к решению проблемы, включающий системный анализ, естественноисторический и сравнительно-геологический методы; лабораторные и натурные исследования с применением инженерно-геологических, гидрогеологических и маркшейдерско-геодезических методов, аналитические методы механики грунтов для решения задач теории консолидации и ползучести, математическое моделирование напряженно-деформированного состояния с использованием метода конечных элементов, промышленные испытания разработанных методик и рекомендаций по ведению горных работ при развитии гидрогеомеханических процессов.

Научная новизна работы:

- обоснованы критерии идентификации деформационного поведения водонасыщенных горных пород, в соответствии с которыми разработана типизация пород для целей прогноза гидрогеомеханических процессов;

- установлены закономерности развития гидрогеомеханических процессов в техногенно-нарушенных массивах шахтных и карьерных полей, что позволяет выполнять прогноз деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок;

- обоснован механизм дестабилизации естественных склонов под воздействием подработки территорий и намыва гидроотвалов; доказано, что после прекращения горных работ оползневые процессы продолжают развиваться, и их масштабность и интенсивность со временем возрастает;

- экспериментально установлена и теоретически обоснована связь между интенсивностью нагружения намывного массива и формированием в нем зональности по механизму изменения напряженно-деформированного состояния и физико-механических свойств намывных пород.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методология решения гидрогеомеханических задач должна адекватно отражать тип деформационного поведения водонасыщенных пород, который предлагается определять с учетом структурно-механических особенностей, фазового состава и фазо-физического состояния горных пород на базе разработанной типизации.

2. Затопление горных выработок сопровождается декомпрессионным расширением вмещающих породных массивов, которое в техногенно-нарушенных зонах протекает на фоне разупрочнения пород. Поэтому деформации земной поверхности проявляются как в виде поднятий, так и оседаний, и их распределение по площади затопляемых шахтных и карьерных полей закономерно увязано с природно-техногенной структурой массивов, деформационным поведением пород и режимом восстановления напоров подземных вод.

3. Изменение гидрогеомеханической обстановки в пределах шахтных и карьерных полей является причиной дестабилизации покровных отложений на естественных склонах, что выражается на начальных этапах ведения горных работ в виде повсеместного развития процессов ползучести, переходящих со временем в локальные оползнепроявления, масштабность и интенсивность которых постепенно возрастает вследствие необратимых породных структурно-механических и фазо-физических преобразований.

4. При обосновании устойчивости гидроотвалов следует учитывать, что нагружение намывных массивов сопровождается изменением напряженно-деформированного состояния слагающих их пород не только в зоне сжатия, но и в непригруженной части массива - зоне влияния. Размеры зон, величина и динамика развития в них порового давления, характер изменения состояния и свойств пород зависят от площади и интенсивности технологического воздействия.

5. С целью обоснования оптимальных горнотехнических решений следует комплексно использовать специализированные методы изучения, прогнозирования и мониторинга гидрогеомеханических процессов в соответствии с их функциональным назначением в рамках единой научно-методической системы обеспечения безопасности при ведении горных работ в водонасыщенных массивах.

Практическое значение работы - разработано научно- методическое обеспечение, которое может быть использовано при изучении и прогнозировании поведения водонасыщенных массивов в сфере влияния горных работ, проектировании и эксплуатации горнотехнических сооружений и обосновании мер защиты инженерных объектов, включающее:

- типизацию водонасыщенных горных пород;

- методику инженерно-геологического обоснования прогноза гидрогеомеханических процессов с целью оценки деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок;

- методику оценки степени оползнеопасности естественных склонов в сфере влияния подземных и открытых горных работ;

- методику и технические средства изучения порового давления и компрессионно-фильтрационных свойств пород намывных техногенных массивов;

- методику и технические средства гидрогеомеханического мониторинга безопасности на объектах промышленной гидротехники.

- методологические принципы функционирования единой система научно-методического обеспечения безопасности горных работ.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается: применением натурных методов изучения напряженно-деформированного состояния породных массивов; представительным объемом исследований, проведенных на различных горнодобывающих предприятиях России и бывшего СССР; положительными результатами внедрения рекомендаций по безопасным условиям ведения горных работ на различных объектах.

Реализация работы. Результаты работы использовались для обоснования экологической безопасности при затоплении шахт в г. Анжеро-Судженске, карьеров «Южный» на Урале и трубки «Мир» в Якутии; для разработки рекомендаций по предотвращению оползней на площадях шахтных и карьерных полей Кемеровской области; для обоснования безопасных параметров гидротехнических и горнотехнических сооружений. Методические разработки в части обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабом основании вошли в состав трех нормативно-методических документов угольной отрасли, один из которых - «Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах», утвержден Госгортехнадзором (Ростехнадзором) РФ.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на: - третьем Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988);- четвертом съезде гидромеханизаторов России (Москва, 2006); - международных симпозиумах «Проблемы прикладной геологии, горной науки и производства» (Санкт- Петербург,1993) и «Геотехнология: нетрадиционные способы освоения МПИ» (Москва, 2003); - II международном рабочем совещании “Проблемы геодинамической безопасности” (Санкт-Петербург, 1997); - научных конференциях: посвященной 85-летию В.Д. Ломтадзе (Санкт-Петербург, 1999), «Сергеевские чтения» (Москва, 2005, 2010), «Неделя горняка» (Москва, 2004, 2007 - 2010 г.), «Технический прогресс на открытых горных работах Кузбасса» (Кемерово, 1987, 1988 и 2001), «Прогнозная оценка инженерно-геологических условий при открытой разработке Урала» (Свердловск, 1989), «Экологические проблемы горного производства» (Москва, 1999) и др.

Личный вклад автора заключается в постановке научной проблемы, разработке программ и методик натурных и лабораторных экспериментов и непосредственном участии в проведении всех исследований, результаты которых приведены в диссертации; разработке рекомендаций по безопасным условиям ведения горных работ на шахтах, разрезах, карьерах, отвалах, гидроотвалах и хвостохранилищах. Автор принимал участие в разработке отраслевых нормативно-методических документов.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 60 печатных работ, в том числе 12 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получено 4 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 424 странице компьютерного текста, состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 246 наименований, содержит 109 рисунков, 28 таблиц и 7 фотографий.

Во введении показана актуальность работы, цели и задачи исследований, их научная новизна и практическая значимость.

В 1 главе выполнен анализ изученности гидрогеомеханических процессов и опасных горно-геологических явлений при разработке месторождений полезных ископаемых; выделены актуальные гидрогеомеханические задачи.

Во 2 главе рассмотрены особенности деформирования водонасыщенных горных пород различных инженерно-геологических видов. В 3 главе сформулировано представление о гидрогеомеханической модели и деформационном поведении водонасыщенных горных пород; разработана типизация пород для целей прогноза гидрогеомеханических процессов.

В 4 главе анализируются результаты гидрогеомеханического мониторинга при затоплении шахт и карьеров, на основании которых разработано инженерно-геологическое обоснование методики прогноза деформаций земной поверхности и выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния водонасыщенных массивов применительно к условиям затопления шахт г. Анжеро-Судженска и трубки «Мир».

В 5 главе по результатам мониторинговых наблюдений и комплексных натурных и лабораторных (в том числе реологических) исследований проанализированы характерные для Кузбасса оползневые проблемы, обусловленные изменением гидрогеомеханической обстановки под влиянием горных работ; разработано методическое и экспериментальное обеспечение прогноза оползневых явлений с учетом природных и техногенных факторов.

В 6 главе рассмотрены особенности техногенеза намывных пород; представлены результаты изучения гидрогеомеханических процессов в намывных массивах при выполнении различных технологических мероприятий; методические разработки в части изучения порового давления и компрессионно-фильтрационных свойств намывных пород, обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабом основании.

В 7 главе сформулированы общие закономерности гидрогеомеханических процессов; разработана система научно- методического обеспечения безопасности при ведении горных работ в водонасыщенных массивах; представлена методика организации интерактивного мониторинга безопасности на объектах промышленной гидротехники.

В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований.

Автор выражает глубокую признательность профессорам Ю.И. Кутепову, И.П. Иванову, кандидатам наук Ф.П. Стрельскому и В.А. Подольскому за научные консультации, ценные советы и внимание к работе, а также сотрудникам лаборатории гидрогеологии и экологии Научного центра геомеханики и проблем горного производства СПГГИ (ТУ), сотрудникам лаборатории устойчивости бортов карьеров ВНИМИ, Сибирского и Уральского Филиалов ВНИМИ за помощь при проведении исследований на объектах и предоставленные фактические материалы.

2. Защищаемые положения и их обоснование

I защищаемое научное положение. Методология решения гидрогеомеханических задач должна адекватно отражать тип деформационного поведения водонасыщенных горных пород, который предлагается определять в зависимости от структурно-механических особенностей, фазового состава и фазо-физического состояния горных пород на базе разработанной типизации.

На основе всестороннего анализа работ, посвященных изучению природы прочности и деформируемости горных пород различной литогенетической принадлежности, разработано представление о гидрогеомеханической модели, рассматривающее водонасыщенную породу, во-первых, как структурированное минеральное образовании, которое благодаря прочности структурных связей способно воспринимать внешние нагрузки без разрушения, а вследствие дискретности - обладает водопроницаемостью и способностью деформироваться при изменении напряженного состояния, и, во-вторых, как динамическую многофазную систему, в которой энергия взаимодействия между твердыми и жидкими компонентами изменяется в ходе деформирования, что в общем случае определяет непостоянство свойств пород, нелинейность зависимостей «напряжения- деформации», нестационарность развития деформаций во времени.

Вода в гидрогеомеханическом процессе играет многофункциональную роль: как силовой фактор - изменяет напряженное состояние пород, как физико-химический фактор - определяет энергию межфазовых взаимодействий, как реологический фактор - обусловливает длительный характер развития деформаций во времени.

Деформационное поведение - это гидрогеомеханическая характеристика породы, которая на логическом уровне отражает физическую модель трансформирования структурированной многофазной системы с целью ее адаптации в условиях изменившегося наряженного состояния. Деформационное поведение является индивидуальной характеристикой горной породы, которая зависит от ее структурно-механических особенностей (вида структурных связей, механической прочности и дискретности), фазового состава и фазо-физического состояния, соответствующих генезису породы и характеру испытанных ею постгенетических преобразований.

При идентификации фазового состава логично выделять инертную и активную твердые фазы по их способности к активизации межфазовых взаимодействий при нарушении структуры, изменении физического и напряженного состояния пород, а жидкую субстанцию - разделять на три самостоятельные составляющие, различающиеся функционально по характеру своего участия в гидрогеомеханическом процессе - гидродинамическую (гравитационная вода), консолидационную (вода преимущественно переходных категорий) и граничную (адсорбционно-связанная вода) фазы.

В ходе развития гидрогеомеханических процессов состав, соотношение и характер влияния фаз на закономерности деформирования пород могут изменяться, что характеризует водонасыщенные породы как динамические системы, направленность трансформации которых определяется их фазо-физическим состоянием. В зависимости от уровня реализации межфазовых взаимодействий породы могут иметь стабильное (инвариантное), стабилизированное (возможность развития процессов физико-химического взаимодействия подавлена действием внутренних или внешних сдерживающих факторов) и неустойчивое фазо-физическое состояние.

Механическое или гидродинамическое воздействие вызывает в водонасыщенных породах развитие процессов: - структурной реорганизации (структурные деформации); - уравновешивания соотношения фаз в соответствии с изменением физических полей напряжений (фильтрационные деформации); - реализации межфазового взаимодействия, изменяющего энергию взаимосвязи между структурными элементами (пластические деформации). В зависимости от индивидуальности пород определяющее влияние на динамику и результаты развития гидрогеомеханических процессов могут оказывать один или более видов адаптационных процессов. Соответственно, породы могут характеризоваться деформационным поведением структурного, структурно- пластического, структурно - фильтрационно-пластического и фильтрационно-пластического типа.

На этих теоретических положениях основана типизация водонасыщенных пород (табл. 1), ориентируясь на которую можно заранее составить представление закономерностях развития гидрогеомеханических процессов в условиях планируемого мероприятия, обосновать методы оценки напряженно-деформированного состояния водонасыщенных массивов, программу и методику исследований с целью получения необходимой информации.

Применение методологических принципов, отраженных в данной типизации, демонстрируется в работе на примере выполнения инженерно-геологического обоснования с целью решению трех задач - прогноз деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок, оценка оползнеопасности естественных склонов в сфере влияния горных работ, обеспечение безопасности горных работ при эксплуатации объектов промышленной гидротехники.

II защищаемое научное положение. Затопление горных выработок сопровождается декомпрессионным расширением вмещающих породных массивов, которое в техногенно-нарушенных зонах протекает на фоне разупрочнения пород. Поэтому деформации земной поверхности проявляются как в виде поднятий, так и оседаний, и их распределение по площади затопляемых шахтных и карьерных полей закономерно увязано с природно-техногенной структурой массивов, деформационным поведением пород и режимом восстановления напоров подземных вод.

Закономерности развития гидрогеомеханических процессов при затоплении горных выработок изучены и сформулированы на основании результатов мониторинга, выполненного ВНИМИ на территории шахтных полей в г. Анжеро-Судженске. Комплексные геодезические и гидрогеологические наблюдения показали, что при довольно монотонном повышении уровней подземных вод в массиве развитие деформаций на поверхности происходит в виде чередования поднятий и оседаний. По характеру движений земной поверхности выделены зоны: 1 - повышенной ритмичности проявления во времени знакопеременных форм деформаций с преобладанием оседаний; 2 - умеренной ритмичности с тенденцией к вздыманию поверхности; 3 - монотонного поднятия (рис.1). В результате полного затопления на большей части территории произошел подъем поверхности с максимумом (100-200 мм за 5 лет наблюдений) на центральных участках мульд сдвижения, где в эксплуатационный период было достигнуто максимальное понижение напоров подземных вод (до 550 м).

Факты подъема поверхности земли фиксируются также при затоплении открытых горных выработок, что подтверждается результатами натурных наблюдений Уральского филиала ВНИМИ на карьере «Южный» г. Карпинск. Однако на данном объекте они выражены менее значимо - за шесть лет наблюдений максимальная величина подъема земной поверхности в прибортовой полосе шириной 200-250 м не превысила 40 мм, что не представляло угрозы для расположенных здесь сооружений.

Общая физическая модель развития гидрогеомеханических процессов в техногенно-нарушенных массивах шахтных и карьерных полей, в рамках которой находят отражение выявленные объективные факты, сформулирована следующим образом. В ходе эксплуатации месторождения в недрах углевмещающей толщи формируется обширная область со сниженными напорами подземных вод - депрессия. После закрытия предприятия и прекращения водоотлива происходит естественное затопление выработанного пространства, сокращение депрессии, сопровождающееся постепенным ростом гидростатического давления воды в сдренированных слоях и их декомпрессионным расширением. Вместе с тем, обводнение осушенных трещиноватых породных слоев предопределяет возможность их уплотнения за счет размягчения. Оба процесса - декомпрессионное расширение и дополнительное уплотнение пород - могут протекать в массиве одновременно, конкурируя между собой на земной поверхности, интегрально вызывая либо поднятия, либо оседания.

Инженерно-геологический анализ природно-техногенной структуры подземного пространства, характерной для угольных месторождений, разрабатываемых подземным способом, позволил выделить основные факторы, определяющие условия развития гидрогеомеханических процессов при затоплении шахт и закономерности проявления деформационных процессов на земной поверхности (зональность, величину, скорость и направленность смещений). К их числу отнесены: естественная и техногенная структурно-механическая неоднородность углевмещающей толщи; размеры и пространственное расположение техногенного комплекса; размеры области депрессионного водопонижения и распределение в ней напоров на конец эксплуатации шахт; интенсивность восстановления уровней подземных вод в период затопления.

Принципиальная гидрогеомеханическая схема, составленная с учетом этих факторов, для условий подземной разработки свиты пластов наклонного залегания, приведена на рис.2. Основной таксономической единицей схемы является комплекс, объединяющий неоднородную (слоистую) толщу пород, относящихся к одному литогенетическому типу и характеризующихся схожими структурно- механическими особенностями. Таксономической единицей второго порядка является зона - часть комплекса, в пределах которой изменение напряженного состояния вызывает однонаправленный вид деформации. При этом каждый комплекс может быть охарактеризован присущими для слагающих его пород расчетными параметрами деформационных, физико-химических и фильтрационных свойств пород, а каждая зона - геомеханической моделью.

Обоснование вида и параметров геомеханических моделей выполнено на основании анализа деформационного поведения пород угольных месторождений с учетом техногенных изменений. Углевмещающие толщи представлены породами структурно- пластического типа (песчаниками, аргиллитами, алевролитами, сланцами, известняками). Их деформирование при нагрузках, не приводящих к разрушению цементационных связей и дестабилизации фазо-физического состояния, происходит упруго (за счет сжатия и раскрытия трещин) и синхронно с изменением напоров подземных вод. Оценку деформаций декомпрессионного расширения пород вмещающего комплекса допускается выполнять на базе упругих моделей с использованием деформационных параметров, свойственных породам в их естественном состоянии (до начала горных работ).

В пределах техногенного комплекса породы приобретают трещиновато-блочную дискретность, что придает им неупругий характер деформирования. Находясь длительное время в осушенном состоянии, породы подвергаются эндогенному выветриванию, что при повторном их обводнении обусловливает активизацию межфазовых взаимодействий, адсорбционное понижение прочности и как следствие - дополнительную осадку. Общая деформация, обусловленная одновременным разупрочнением и декомпрессией, может быть оценена по упрощенному выражению:

где Н1 - мощность налегающей, частично сдренированной толщи, м; Н2 - мощность осушенного техногенного комплекса, м; Е0*-модуль деформации трещиноватых пород, т/м2; Kпл - коэффициент пластичности - отношение модуля упругости Е* к модулю деформации Е0*; ksof -коэффициент размягчения; п и в - плотность пород и воды, т/м3.

Критерием определения направленности общей упруго-пластической деформации является условие ksof >1-0.5/Kпл, при котором декомпрессионное расширение преобладает над осадкой. Всестороннее изучение вопроса о влиянии трещиноватости и водонасыщения на механические свойства пород, позволило установить, что величина Kпл может изменяться в пределах техногенного комплекса от 1.25 (на верхней границе) до 4 (в зоне обрушения). Значения коэффициентов размягчения в зависимости от степени метаморфизма углевмещающих пород составляют: ksof = 0.90,95 - для месторождений углей марок ПА и А; ksof = 0.60.85 - для марок Ж, К, ОС, Т; ksof = 0.4-0.6 - для марок Д и Г.

Разработан способ определения коэффициента структурного ослабления для корректировки модуля деформации пород техногенного комплекса, с использованием которого определены ориентировочные значения коэффициента ослабления для месторождений углей различной степени метаморфизма. Способ базируется на теоретических разработках Н.К. Руппенейта и обобщенных закономерностях процессов сдвижения на угольных месторождениях.

Методика прогноза гидрогеомеханических процессов при затоплении горных выработок состоит в выполнении последовательных геофильтрационных и геомеханических построений по схеме: прогноз восстановления напоров подземных вод в области депрессионного водопонижения перерасчет полей геомеханических напряжений с учетом изменившихся гидростатических давлений оценка величин и направленности деформаций на базе обоснованных геомеханических моделей.

Реализация данного подхода осуществляется в работе с использованием программы численного моделирования гидрогеомеханических процессов на базе МКЭ при совместном рассмотрении трансформации геофильтрационных и геомеханических полей (автор программы В.А. Подольский). Сопоставление результатов прогноза для условий Анжеро-Судженского полигона, сделанных наперед - за 5 лет до завершения затопления шахт, с фактически зарегистрированными напорами и деформациями земной поверхности на этот момент времени, показало удовлетворительную сходимость в основной части расчетной области, для которой на стадии решения эпигнозной задачи выполнялся подбор деформационных и фильтрационных параметров. Принятая методика математического моделирования может быть использована для оценки параметров напряженно-деформированного состояния пород в массивах, в которых деформирование пород при декомпрессии описывается упругой или неупругой моделью с общей направленностью к расширению. При наличии в массиве зон неупругого деформирования с преобладающей консолидацией целесообразно применить принцип суперпозиции, выполняя геофильтрационную часть прогнозной задачи численными методами, а геомеханическую - аналитическим расчетом в рамках одномерных схем с использованием выражения (1).

Разработанные принципы инженерно-геологического обоснования и методика прогноза гидрогеомеханических процессов применимы для оценки изменения напряженно-деформированного состояния прибортовых массивов при затоплении карьеров, что демонстрируется на примере алмазоносной трубки «Мир». При этом решалась актуальная практическая задача - обоснование безопасности эксплуатации вертикальных стволов строящегося рудника и целесообразности организации наблюдений за состоянием поверхностных объектов в период планируемого затопления карьера.

III защищаемое научное положение. Изменение гидрогеомеханической обстановки в пределах шахтных и карьерных полей является причиной дестабилизации покровных отложений на естественных склонах, что выражается на начальных этапах ведения горных работ в виде повсеместного развития процессов ползучести, переходящих со временем в локальные оползнепроявления, масштабность и интенсивность которых постепенно возрастает вследствие необратимых породных структурно-механических и фазо-физических преобразований.

Рассмотрены оползневые ситуации, характерные для условий Кузбасса. Они спровоцированы разными техногенными воздействиями - подработкой склонов (на примере г. Осинники) и намывом гидроотвалов в логах (на примере карьерного поля разреза Ерунаковский), но имеют общие закономерности развития, которые следует учитывать при проектировании горных работ с целью заблаговременной организации мер инженерной защиты территорий.

Территория г. Осинники на протяжении десятилетий подрабатывалась шахтой «Капитальная», вследствие чего здесь насчитываются сотни активных оползневых тел, систематически разрушающих здания, сооружения и коммуникации. Маркшейдерскими измерениями, выполненными сотрудниками Сибирского Филиала ВНИМИ, установлено, что все склоны крутизной более 60 нестабильны, они смещаются со скоростью несколько мм в год без визуальных признаков деформирования. Оконтуренные оползневые тела приурочены к участкам склонов с углами 6-140, они смещаются непрерывно со скоростью от 10-1 до 103 мм/мес, зависящей от крутизны склона и времени года. Обычная скорость оползневого процесса летом составляет порядка 10 мм/сут, а в осенне-зимний период снижается до 1 мм/сут. В период прогрессирующего развития оползней скорость смещений достигает 103 мм/сут. При непосредственной подработке нестабильных склонов горизонтальные деформации и их скорости увеличиваются в 2-5 раз, а затем снижаются по мере затухания процесса сдвижения. Выявлено влияние направления движения забоя лавы по отношению к склонам. При вхождении лавы под склон горизонтальные смещения на 30-50 % больше по сравнению со склоном, из-под которого лава выходит.

Разработана оползневая концепция, раскрывающая закономерности развития оползневых процессов при совместном влиянии природных и техногенных дестабилизирующих факторов. Природная обстановка оползнеопасных районов располагает к развитию оползней покровного типа, которые могут происходить в виде смещения четвертичных отложений по контакту с коренными породами, либо по слабым слоям, расположенным внутри покровной толщи (рис.3). Однако в районах, находящихся вне зоны влияния горных работ, оползни распространены ограниченно. Благодаря естественной макропористости и повышенной проницаемости влажность ненарушенных покровных отложений всегда остается низкой, консистенция твердой, а наличие жестких связей - придает им дополнительный запас устойчивости на склонах.

Рис. Строение типичного оползневого склона г. Осинники

Четвертичная система. Делювиальные (dIY): 1 - суглинки и глины с гравием, дресвой, иногда без включений. Аллювиальные (aIY): 2 - суглинки с гравием и галькой; 3 - глины с редким гравием и без включений; 4 - галечниковые грунты с песчаным, супесчаным и глинистым заполнителем. Деляпсивные (dlIY): 5 - суглинки с дресвой, гравием, щебнем. Техногенные tIY: 6 - насыпные суглинки и щебень. Юрская система нижний отдел осиновская свита (J1os): 7 - конгломераты выветрелые; 8 - песчаники выветрелые, слабосцементированные.

Причиной активизации склоновых процессов является изменение гидрогеомеханической обстановки под воздействием техногенных факторов, которое в условиях ведения подземных горных работ складывается из следующих негативных последствий: снижение прочности покровных пород за счет нарушения их естественной структуры под воздействием деформаций сжатия и растяжения в пределах мульды сдвижения; повышение уровня грунтовых вод на склонах вследствие снижения проницаемости покровных пород и нарушения условий их дренирования; повышение напоров подземных вод в основании склонов в результате оседания земной поверхности; увеличение углов наклона поверхности в пределах мульды сдвижения. Намыв гидроотвалов в логах приводит к ухудшению условий устойчивости склонов главным образом благодаря изменениям гидрогеологических условий территорий.

Дестабилизация склонов на начальных этапах ведения горных работ выражается в виде повсеместного развития процессов ползучести, переходящих со временем на локальных участках в оползневые смещения с прогрессирующим характером развития. В результате устранения сдерживающего влияния цементационных связей фазо-физическое состояние деструктурированных пород из стабилизированного трансформируется в неустойчивое, при котором снижение эффективных напряжений, вызванное повышением уровня грунтовых вод, сопровождается увеличением влажности пород и их разуплотнением до состояния мягкопластичной и текучей консистенции. Эти изменения происходят не по всей мощности покровных отложений, а только в зоне сдвига - на глубине порядка 3-8 м, где зафиксировано наличие «слабого слоя». Деструктурированные водонасыщенные породы, находясь на склонах в состоянии, близком к предельному равновесию (при углах заложения склонов, близких к углам их внутреннего трения), постоянно деформируются по типу установившейся ползучести с переменной скоростью, зависящей от сезонного колебания уровней подземных вод.

Данная оползневая концепция базируется на результатах экспериментальных реологических исследований, основные результаты которых сводятся к следующему. Все породы, от текучей до твердой консистенции, проявляют деформации ползучести в определенном диапазоне касательных напряжений, ограниченном порогом ползучести пор, с одной стороны, и пределом их длительной прочности ,, с другой стороны. Деформации ползучести в пластичных (деструктурированных) грунтах в диапазоне напряжений пор - носят как затухающий, так и установившийся характер развития во времени; переход в прогрессирующую стадию для них выражается в увеличении скорости течения. Деформирование с постоянной скоростью наблюдается при напряжениях, превышающих некоторый предел, который назван порогом установившейся ползучести уст. Для скрытопластичных пород тугопластичной и более плотной консистенции стадия установившегося течения не характерна; при условии < деформации носят затухающий характер, а при - стремительно перерастают в разрушение; признаки установившегося течения наблюдаются иногда непосредственно перед разрушением (при ). Значения параметров пор, уст, уменьшаются при снижении эффективных напряжений, что объясняет установленное в натуре явление активизации смещений поверхности склонов при повышении уровней и напоров подземных вод.

Значение длительной прочности всех пород, кроме текучих, меньше мгновенной прочности мгн, определяемой методом быстрого сдвига. Разница между и мгн усиливается с уменьшением влажности и увеличением плотности пород. Отношение /мгн изменяется от 0.85 у текучепластичных грунтов до 0.25 у твердых пород. Значения параметров пор, уст, отличаются для пород различной консистенции, но при небольшом вертикальном давлении эф (0.05 МПа) эти отличия несущественные (табл.2).

Среди практических результатов реологических исследований наиболее важными являются установленные зависимости, описывающие изменение деформаций во времени. Стадия затухающей ползучести, характеризуемая логарифмическим законом изменения угловых деформаций во времени, с учетом найденных эмпирических выражений параметров 1 и 2 описывается в универсальном виде: (t)=0,085(/мгн)+[0,01(/)2+0,75(/)]lg t [час] применительно ко всем исследованным типам пород. Для прогнозирования смещений на склонах с установившимся характером деформирования определены значения скоростей ползучести V() и вязкостей для пород различной консистенции (табл.2). Расчеты, выполненные по полученным зависимостям с учетом строения и свойств пород оползневых склонов, показали близкое совпадение с результатами маркшейдерских наблюдений.

С целью разработки методики инженерных прогнозов оползневых процессов обоснована общая модель деформационного поведения пород, увязывающая реологические параметры пород с параметрами сопротивления сдвигу - мгновенной прочностью мгн, общим сцеплением Собщ, структурным сцеплением Сстр, сцеплением связности Сw и углом внутреннего трения , определяемыми испытаниями по ускоренной методике на приборах с различной скоростью сдвига.

Таблица 2 - Реологические параметры покровных отложений оползневых склонов г. Осинники (при эф= 0,05 МПа)

*) параметры определены по прямолинейному участку кривых ползучести на стадии прогрессирующей ползучести непосредственно перед разрушением

Разработана методика прогноза деформационных процессов на естественных склонах с учетом воздействия природных (гидрогеологических) и техногенных факторов, которая включает следующие этапы. I этап - схематизация гидрогеомеханических условий района (районирование оползнеопасной территории на участки по типу пород "слабого" слоя, глубине его залегания и углу падения склона в пределах участка). II этап - прогноз возможного проявления деформаций ползучести и оползневых смещений с учетом гидродинамического режима подземных вод, заключающийся в анализе для каждого выделенного участка соотношения величины и значений параметров пор, уст, в диапазоне напряжений , определяемом минимальным и максимальным уровнем подземных вод на расчетный период времени. На основании прогноза участки классифицируют на категории: относительно стабильные; нестабильные с периодической активизацией деформаций; нестабильные с устойчивым характером деформирования; оползнеопасные с возможным прогрессирующим разрушением. III этап - прогноз величин и скоростей развития деформаций на нестабильных участках, выполняемый по эмпирическим реологическим зависимостям с учетом периодичности изменения наряженного состояния пород, определяемой гидродинамическим режимом подземных вод. IV этап - прогноз деформаций земной поверхности с учетом влияния подземных горных работ, заключающийся в определении суммарных величин и скоростей горизонтальных смещений, обусловленных совместным развитием естественного оползневого процесса и сдвижения горных пород результате подработки.

Разработанная методика использована для районирования территории г. Осинники по степени оползнеопасности склонов с учетом планируемых подземных горных работ для разработки перспективного плана сноса жилого фонда на участках с ожидаемыми деформациями, превышающими допустимые для имеющихся зданий и сооружений.

IY защищаемое научное положение. При обосновании устойчивости гидроотвалов следует учитывать, что нагружение намывных массивов сопровождается изменением напряженно-деформированного состояния слагающих их пород не только в зоне сжатия, но и в непригруженной части - зоне влияния. Размеры зон, величина и динамика развития в них порового давления, характер изменения состояния и свойств пород зависят от площади и интенсивности технологического воздействия.

Анализ особенностей технолитогенеза отложений гидроотвалов вскрышных пород и хвостохранилищ показывает, что основным фактором диагенетических преобразований намывных осадков является давление, под действием которого происходит механическая реорганизация коагуляционных структур без образования прочных цементационных контактов. Намывные отложения в любом физическом состоянии содержат в преобладающем количестве воду переходных категорий (консолидационную фазу) с низким уровнем энергетической связи с минеральным веществом, которая обладает относительно высокой подвижностью. Эти техногенетические особенности намывных грунтов предопределяют неустойчивое фазо-физическое состояние, при котором любые внешние воздействия вызывают развитие фильтрационно-пластических деформаций. Под влиянием технологических процессов, изменяющих напряженное состояние техногенных массивов и его составляющую - поровое давление, намывные породы претерпевают изменения различного характера: они могут уплотняться в процессе фильтрационной консолидации от текучей до полутвердой консистенции с соответствующим возрастанием прочности или, наоборот, разуплотняться, при этом их прочностные характеристики снижаются. гидрогеологический водонасыщенный породный массив

Характер влияния технологических факторов на изменение НДС намывных массивов в период эксплуатации гидроотвалов иллюстрируется результатами мониторинга состояния устойчивости гидроотвала «Бековский». Показано, что НДС пород в откосной части сооружения нестабильно, оно изменяется в течение годичного цикла эксплуатации из-за колебаний порового давления (рис.4). Любые мероприятия вызывают повышение порового давления, но более всего - отсыпка дамб наращивания, которая вызывает резкое возрастание порового давления в обширной области намывного массива. Размеры этой области и величина инициированного в ней порового давления зависят от высоты отсыпаемой дамбы и скорости ее формирования. В частности, при отсыпке дамбы одним слоем мощностью более 2.5 м со скоростью 30 м в сутки зона влияния отсыпки распространяется в сторону низового откоса на расстояние более 100 м от оси отсыпаемой дамбы, прирост порового давления в ней достигает величины нагрузки от веса дамбы.

При высокой интенсивности формирования дамб наращивания избыточное поровое давление «накапливается» год от года в призме возможного оползания откоса гидроотвала, состояние его устойчивости ухудшается, и, во время очередной отсыпки может произойти оползень. Замеры порового давления, выполненные непосредственно перед крупной оползневой деформацией, свидетельствуют о том, что в верхней части откоса мощностью 20 м, сложенной текучепластичными грунтами, эффективные напряжения были снижены практически до нуля, что при весьма низком коагуляционном сцеплении (0,015 МПа) привело откос в состояние предельного равновесия.

Рис. Изменение избыточного порового давления в откосной части намывного массива на различных этапах эксплуатации гидроотвала:

I - намыва; II - «отдыха»; III - отсыпки дамбы наращивания (три слоя III-1, III-2, III-3); IY - формирования пригрузочных призм на откосе; Y - «отдыха»; YI - намыва.

Установленные закономерности изменения НДС намывных пород позволили разработать рациональный режим формирования дамб наращивания и систему мониторинга безопасности, которые обеспечили в последующем безаварийную эксплуатацию гидроотвала «Бековский» в течение 20 лет.