Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изученности вопроса и постановка задач 9
1.1 Факторы криогенного выветривания горных пород в естественных обнажениях и карьерах 9
1.2 Изменение физико-механических свойств горных пород при криогенном выветривании 22
1.3 Преобразования минералого-петрографического и гранулометрического состава горных пород в процессе криогенного выветривания 26
1.4 Цель и задачи исследований 37
Глава 2. Изучение изменчивости физико-механических свойств углевмещающих пород под действием криогенного выветривания 40
2.1 Методика экспериментальных исследований 40
2.2 Оценка изменчивости физико-механических свойств горных пород в бортах карьера «Нерюнгринский» 47
2.3 Исследования на Сыллахском каменноугольном месторождении 64
2.4 Изучение изменчивости физико-механических свойств горных пород при циклическом промораживании-оттаивании в лабораторных условиях 68
Глава 3. Исследование сезонных изменений физико-механических свойств горных пород 84
3.1 Методика экспериментальных исследований 84
3.2 Сезонные изменения прочностных и акустических свойств горных пород 90
3.3 Влияние криогенного выветривания на физико-механические свойства горных пород в натурных условиях 102
Глава 4. Оценка процессов криогенного трещино образования в бортах угольных карьеров 110
4.1 Сущность метода и техника проведения наблюдений 110
4.2 Изменение акустических свойств горных пород 117
4.3 Динамика криогенного трещинообразования 131
Глава 5. Преобразования вещественного состава горных пород в результате криогенного выветривания 144
5.1 Методика проведения исследований 146
5.2 Изменение минералого-петрографического состава горных пород 147
5.3 Изменения химического и гранулометрического состава горных пород 154
Глава 6. Влияние процессов криогенного выветривания на устойчивость откосов бортов угольных карьеров Южной Якутии 167
6.1 Методика расчета предельной высоты откоса 167
6.2 Влияние процессов криогенного выветривания на предельную высоту устойчивого откоса 169
Заключение 178
Список использованной литературы 180
- Изменение физико-механических свойств горных пород при криогенном выветривании
- Изучение изменчивости физико-механических свойств горных пород при циклическом промораживании-оттаивании в лабораторных условиях
- Сущность метода и техника проведения наблюдений
- Влияние процессов криогенного выветривания на предельную высоту устойчивого откоса
Введение к работе
Актуальность. Перспективы развития угледобывающей отрасли на юге Республики Саха (Якутия) связаны с открытой разработкой новых и эксплуатируемых месторождений.
Одним из главных вопросов горного дела является обеспечение устойчивости откосов уступов и бортов карьеров. Последняя существенно зависит от склонности горных пород к выветриванию. Воздействие процессов выветривания приводит к изменению физико-механических свойств и вещественного состава горных пород, их общей дезинтеграции, Нелоучет фактора выветривания горных пород при проектировании приводит к развитию нежелательных физико-геологических процессов, значительным деформациям горнотехнических сооружений, что в свою очередь усложняет проведение горных работ, увеличивает их объем и снижает уровень безопасности. Поэтому изучение, количественная оценка и учет интенсивности процессов выветривания является одной из важных задач, как на стадии проектирования, так и для всего срока эксплуатации горнотехнического объекта.
В частности, отработка угольных месторождений Южно-Якутского бассейна ведется при практически вертикальных откосах уступов. Вопросы оценки влияния процессов выветривания на их устойчивость при дальнейшей эксплуатации этих карьеров на сегодняшний день приобретают всё больший практический интерес.
Суровые условия резко континентального климата Южной Якутии (среднегодовое количество осадков - 520—550 мм/год, среднегодовая температура воздуха - -7,6-^-9,4сС при амплитуде колебаний среднемесячных температур 45-55С, количество переходов температуры через 0С - 80-100) определяют в целом по региону активное развитие процессов криогенного выветривания, отличающегося относительно других типов выветривания - высокой интенсивностью его воздействия на горные породы.
Поэтому всестороннее изучение влияния криогенного выветривания на углевмещающие породы Южно-Якутского каменноугольного бассейна является актуальной научной задачей, решение которой позволит прогнозировать изменение свойств пород во времени, а также оценить влияние криогенного выветривания на устойчивость откосов бортов карьеров с учетом срока их эксплуатации.
Цель работы - оценить степень влияния криогенного выветривания на устойчивость откосов бортов угольных карьеров Южно-Якутского бассейна.
Основная идея работы заключается в том, что изменения физико-механических свойств, трещииоватости и вещественного состава горных пород под воздействием криогенных процессов, необходимо учитывать при проектиро-зании и эксплуатации горнотехнических объектов.
Задачи исследований:
экспериментально исследовать воздействие криогенного выветривания на разрушение углевмещающих пород в натурных и лабораторных условиях;
выполнить исследования по оценке сезонных изменений прочностных свойств пород;
разработать методику и изучить процесс криогенного трещинообразования;
выявить основные процессы вещественных преобразований, влияющие на изменение физико-механических свойств углевмещающих пород при криогенном выветривании;
показать, что полученные результаты исследований позволяют совершенствовать методику расчета предельной высоты устойчивого откоса для условий криогенного выветривания углевмещающих пород Южно-Якутского бассейна.
Объектом исследований являлись углевмещающие породы (песчаники и алевролиты) нижнемелового и средне- верхнеюрского возраста Южно-Якутского каменноугольного бассейна.
Предмет исследований - воздействие криогенного выветривания на физико-механические свойства углевмещающих пород Южно-Якутского бассейна и устойчивость откосов бортов карьеров, сложенных этими породами.
Методы исследований. Реализация поставленной цели и вытекающих из неё задач осуществлялась с использованием комплекса методов, включающих: анализ и обобщение известных результатов исследований, выполнение натурных и лабораторных экспериментальных исследований, обработку экспериментальных данных на основе законов физики, теорий упругости и прочности твердых тел с привлечением методов математической статистики.
Научные положения, выносимые на защиту:
закономерности изменения физико-механических свойств углевмещающих пород в бортах карьеров зависят от их вещественного состава, геологического возраста, степени литификации, предразрушенности и срока воздействия процессов криогенного выветривания;
сезонные изменения прочностных свойств пород характеризуются минимальными её значениями в весенний и осенний период, максимальными в зимний;
криогенное трещинообразование в приповерхностной части массива определяется распространением акустического поля и шириной раскрытия трещин.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов исследований обеспечивается корректной постановкой задач на основе законов физики, теории упругости и прочности твердых тел, методов математической статистики, а также большим объемом экспериментальных данных и их хорошей сходимостью.
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлены закономерности и количественно оценено воздействие криогенного выветривания на изменения физико-механических свойств углевмещаю-щих пород Южно-Якутского бассейна;
количественно оценен годичный цикл сезонных изменении прочностных свойств углевмещающих пород в условиях резко континентального климата Южной Якутии;
разработана методика количественной оценки криогенного трещинообразова-ния в приповерхностной части вскрытого массива;
впервые выполнена количественная и качественная оценка изменения минера-лого-петрографического состава осадочных горных пород Южно-Якутского каменноугольного бассейна под воздействием криогенного выветривания;
впервые дана количественная оценка влиянию процессов криогенного выветривания на устойчивость откосов бортов угольных карьеров Южной Якутии.
Личный вклад автора заключается в:
непосредственном участии в проведении натурных и лабораторных исследований криогенного выветривания углевмещающих пород;
организации и проведении натурных наблюдений за сезонными изменениями прочностных свойств пород: постановка задачи, выбор методики;
разработке методики количественной оценки процессов трещинообразования на поверхности вскрытого массива;
уточнении предельной высоты устойчивого откоса с учетом воздействия на углевмещающие породы криогенного выветривания.
Обработка результатов исследований, анализ и интерпретация выполнены штором лично.
Практическое значение работы состоит в том, что результаты проведенных «следований позволяют принимать научно обоснованные решения по обеспече-шю устойчивости откосов бортов угольных карьеров с учетом срока его экс-ілуатации.
Реализация работы. Результаты исследований использованы в производст-ієнной деятельности ГУЛ «Якутуголь» для решения проблем эффективной и Зезопасной разработки каменноугольных месторождений Южной Якутии. Прак-ическая реализация полученных результатов подтверждена актом внедрения на-"шо-исследовательских работ в производство.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались іа: заседаниях научных семинаров и конференциях Технического института їкутского государственного университета (1998-2000 гг.), научно-технических юветах ГУП «Якутуголь» (г. Нерюнгри, 1998-2000 гг.), научно-практической' :онференции «Народы севера: пути и проблемы развития» (г. Нерюнгри, 1998 г.),
научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития угледо бывающей отрасли Республики Саха (Якутия)» (г. Нерюнгри, 1999 г.), Междуна родной научной геологической конференции, посвященной «XII Керуленскоі международной геологической экспедиции».(г. Иркутск, 1999 г.), городскоі конференции аспирантов и молодых ученых «Новые идеи на рубеже XXI века) (г. Нерюнгри, 1999 г.), расширенном заседании лаборатории инженерной геоди намики Института мерзлотоведения СО РАН (г. Якутск, 2000 г.), республика?! ской научно-практической конференции «Пути эффективного использовани: экономического и промышленного потенциала Южно-Якутского региона в XX веке» (г. Нерюнгри, 7-8 апреля 2000 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения 6-ти глав, заключения и списка использованной литературы из 146 наименова ний, изложенных на 196 страницах машинописного текста, включая 38 рисунко и 19 таблиц.
Изменение физико-механических свойств горных пород при криогенном выветривании
Инженерно-геологическое направление исследований преимущественно ориентировано на изучение изменения морозостойкости и физико-механических свойств горных пород в результате воздействия процессов криогенного выветривания в натурных условиях или при его лабораторном моделировании. Изученность этой проблемы возможно осветить следующим рядом работ: П.В. Овсянников, В.П. Портнова, С. В. Кагермазова и др., В.А. Войлошников, Ю.Д. Матвеев, O.K. Воронков, Т.В. Ростомян, Л.А. Ярг, "Инженерная геология СССР", O.K. Воронков, Л.Ф. Ушакова, Рекомендации по изучению влияния ..., В.М. Гуревич, Д.М. Шестернев, Г.Е. Ядрищенский.
Большое количество статистического материала по результатам изучения морозостойкости различных литологических разностей горных пород, выполненного проектными и изыскательскими организациями, опубликовано в монографии "Инженерная геология СССР" [42]. В работе представлена обширная информация по изменению прочности пород на одноосное сжатие после 15-25 циклов замораживания-оттаивания.
В работе П.В. Овсянникова [72] на примере дальневосточных андезито-базальтов показано влияние степени выветрелости первоначального состояния скальных пород и количества циклов замораживания-оттаивания на их прочность и морозостойкость.
Одним из основных показателей физико-механических свойств, используемых для оценки криогенного выветривания, является изменение величины предела прочности при сжатии. Например, по данным В.А. Войлошникова прочность пород в различных зонах сформировавшейся коры выветривания трапов Приангарья изменяется от 4-44 % [6].
В работах В.П. Портновой и Ю.Д. Матвеева подробно освещаются вопросы выветривания пород осадочного комплекса. Для выяснения динамики выветривания осадочных пород некоторых типов прослежено развитие инженерно-геологических процессов выветривания, вызванных искусственным вскрытием невыветрелых пород. Исследована связь физических и механических свойств пород в зависимости от выделенных зон выветривания [86, 68].
Наиболее интересной представляется работа Л.А. Ярг, где освещаются вопросы закономерностей строения коры выветривания, изменчивости состава и физико-механических свойств магматических, метаморфических и осадочных пород в различной климатической обстановке. Автором дан анализ критериев оценки степени выветрелости пород на основе изучения физико-механических свойств [142].
Работами [8, 10, 112] было показано влияние циклов замораживания-оттаивания на интенсивность проявления криогенного выветривания пород различного генезиса и состава. Также выполнен анализ полученных зависимостей изменения статического и динамического модулей деформации, предела прочности на одноосное сжатие для различных типов пород в зависимости от числа циклов замораживания-оттаивания.
Особо следует отметить „Рекомендации по изучению влияния ...", в которых предлагаются способы количественной экспресс-оценки скорости морозного выветривания общей дезинтеграции пород в массиве, а также влияния морозного выветривания на свойства пород. В работе обобщен большой объем результатов исследований влияния криогипергенеза на прочностные и деформационные свойства скальных пород и скорость их дезинтеграции [92].
Подробно и приближенно к условиям Южной Якутии влияние криогипергенеза на физико-механические свойства горных пород различного генезиса, состава и строения раскрыто в работе Д.М. Шестернева [132]. Детально исследованы изменения простейших характеристик свойств пород, скорости распространения ультразвука, коэффициента Пуассона, прочности и морозостойкости применительно к различным условиям выветривания. Следует также отметить работу Г.Е. Ядрищенского [141], в которой решаются вопросы оценки воздействия криогенного выветривания на морозостойкость, скорость разрушения и физико-механические свойства скальных пород на примере Удоканского месторождения меди.
Некоторые представления об изменении физико-механических свойств кристаллических пород в процессе криогенного выветривания были получены в результате натурного эксперимента по криодеструкции образцов долеритов в условиях г. Якутска и пос. Тикси [33].
На уровне проведенных региональных исследований влияния криогенного выветривания на физико-механические свойства следует отметить работу группы исследователей: А.Н. Козлова, Н.И. Труш и СЮ. Волченкова, в которой представлена схема расчленения коры выветривания верхнеюрских песчаников Чульманской впадины, с использованием данных определения некоторых физических характеристик пород [46].
Проблема оценки влияния изменчивости физико-механических свойств горных пород при воздействии криогенного выветривания на устойчивость бортов карьеров в условиях резко континентального климата на сегодняшний день изучена недостаточно.
Методические аспекты исследований деформаций оттаивающих массивов крупнообломочных пород рассмотрены в работах М.В. Ведерникова, И.Н. Вотякова, М.В. Водолазкина, СВ. Вялова, В.П. Давиденко, В.П. Ушкалова и др. Деформации криогенного пучения массивов изучались В.О. Орловым, О.В. Соколовой и др. Авторами предлагаются статистические и эмпирические математические модели прогноза осадок пород в зависимости от их льдистости.
На уровне региональных исследований следует отметить работу группы авторов Г.Л. Фисенко, Г.Р. Глозмана, СВ. Кагермазовой, Т.К. Пустовойтовой и Е.П. Валуева, в которой на основе изучения геокриологической обстановки разреза «Нерюнгринскии» авторами предлагаются рекомендации по сохранению устойчивости нерабочих бортов.
Также вопросы влияния процессов выветривания на устойчивость бортов карьеров рассматривались в условиях умеренных широт, где проявление процессов криогенного выветривания имеет менее интенсивный характер. К этому ряду работ относится работа А.И. Ильина [41], в которой на основании исследований физико-механических свойств горных пород разрабатываются теоретические основы прогнозирования развития нарушений устойчивости откосов на карьерах.
Определенный интерес представляет „Методическое пособие по изучению ...", где рассматриваются методические основы изучения процессов выветривания в откосах карьеров [69].
Наиболее интересными, на наш взгляд, представляются работы Р.П. Окатова [75] и Г.Л. Фисенко [113], в которых предлагаются аналитические способы определения и учета коэффициента запаса в вопросах устойчивости откосов скальных пород.
Среди описанного выше ряда работ следует также отметить работу М.В. Рац и С.Н. Чернышева [90]. В данной работе подробно рассматриваются вопросы изучения трещиноватости горных пород и характера изменчивости свойств трещиноватых пород.
В работе И.И. Попова и Р.П. Окатова [85] приводятся результаты исследований деформации осыпания откосов уступов на карьерах Донского хромитового рудоуправления, где наряду с другими факторами, влияющими на устойчивость откосов бортов карьеров, указывается на значительную составляющую процессов выветривания при оценке коэффициента запаса устойчивости. Но данные, приведенные в работе, имеют качественный, описательный характер без должной количественной оценки влияния процессов выветривания на устойчивость бортов карьеров.
Основные результаты, полученные исследователями, заключаются в следующем:
- процесс криогенного выветривания сопровождается увеличением удельной трещиноватости пород и, как следствие, изменением их физических свойств, выражающихся в снижении объемных масс, увеличении коэффициентов пористости, снижении упруго-скоростных характеристик от невыветрелых пород к выветрелым;
- при криогенном выветривании пород их прочностные свойства снижаются: предел прочности при сжатии и растяжении, сцепление, угол внутреннего трения;
- изменение минерального состава и структурных связей в горных породах при криогенном выветривании приводит к возникновению пластичности, гидрофильности, набухаемости, зависимости прочностных и деформационных свойств пород от влажности.
Изучение изменчивости физико-механических свойств горных пород при циклическом промораживании-оттаивании в лабораторных условиях
Характеристики физико-механических свойств горных пород являются базовыми величинами при планировании и строительстве горнотехнических сооружений. Интенсивное развитие процессов выветривания горных пород в суровых климатических условиях приводит к значительным изменениям их первоначальных свойств. Недоучет этого фактора при проектировании, а также при продлении срока эксплуатации горнотехнического сооружения является причиной многих осложнений и аварий.
Лабораторные исследования по изучению влияния количества циклов замораживания-оттаивания на физико-механические свойства пород позволяют в условиях интенсификации, протекающих в природных условиях процессов разрушения и преобразования, прогнозировать изменения их свойств и учитывать эти изменения на различных стадиях строительства горнотехнических сооружений.
Как следствие, изменение физико-механических свойств в ходе выветривания в предельном случае приводит к частичной или полной их дезинтеграции. В процессе лабораторного эксперимента по оценке влияния криогенного выветривания на физико-механические свойства исследуемых пород наблюдалась дифференциация степени дезинтеграции испытываемых образцов по литологическим признакам. Выявлена закономерность степени дезинтеграции горных пород в зависимости от количества циклов замораживания-оттаивания, их состава и свойств. График представлен на рисунке 2.7.
Максимальные значения относительной «потери массы» образцов после 400 циклов замораживания-оттаивания составляют 5,41 % у мелкозернистых песчаников, отобранных в интервале 59,0-83,5 м, и 4,51 % у среднезернистых песчаников, отобранных с глубин 13,5-43,0 м. Относительно высокие значения «потерь массы» у данных песчаников объясняются небольшой глубиной их залегания, где возможно развитие процессов физического выветривания, глубина воздействия которых увеличивается за счет техногенного обнажения последних и указывающих их скрытую предразрушенность. Немаловажную роль играют также повышенные значения коэффициентов пористости (Кп=4,0-4,2 %), предопределяющие склонность этих породных интервалов к процессам криогенного выветривания. Для других лито логических разностей значения относительной «потери массы» после 400 циклов замораживания-оттаивания колеблются в пределах 1,85-3,08 %.
Особого внимания среди представленных литологических разностей заслуживают крупнозернистые алевролиты, «потеря массы» которых уже после 100 циклов замораживания-оттаивания составила - 22,2 %. Дальнейшие испытания были прекращены, так как более 75 % образцов были разрушены и непригодны для дальнейших испытаний.
Зависимость изменения гранулометрического состава обломочного материала, образующегося в ходе эксперимента, от типа испытываемых литологических разностей выявлена не была. Но результаты исследований позволяют наметить следующие тенденции - для наиболее близлежащих к поверхности горизонтов (интервал опробования 13,5-83,5 м) преобладающей размерностью в образовавшемся криогенном материале являются частицы гравийной и песчаной фракции очень крупной степени крупности [116, С. 50]. В то время как для нижележащих горизонтов характерная размерность образованного криогенного материала имеет щебенчатую фракцию средней и мелкой степени крупности.
Исследования по оценке влияния количества циклов замораживания-оттаивания на прочностные свойства пород показали различный характер их изменения для испытываемых литологических типов (рис.2.8-2.10).
Прочность образцов среднезернистого песчаника (интервал опробования 13,5- -3,0 м) при сжатии, испытываемого в состоянии высушенных до постоянной массы пород, после 400 циклов замораживания-оттаивания изменилась на 62,8 %, для мелкозернистого песчаника, отобранного в интервале 59,0-83,5 м - на 67,7 %. При испытаниях в водонасыщенном состоянии этот показатель составляет 78,2 % и 71,1 % соответственно. Подобный характер изменения прочности песчаников отмечается у мелкозернистых песчаников, опробованных в интервале 244,0-294,5 м. Прочность пород при сжатии для высушенных и водонасыщенных образцов этого породного интервала после 400 циклов замораживания-оттаивания снизилась на 62,2 % и 61,4 % соответственно. Такое значительное снижение прочностных свойств, нехарактерное для глубоко залегающих литологических горизонтов, объясняется близостью этого породного интервала к кровле угольного пласта и, как следствие, относительно высоким содержанием мелкодисперсного углистого материала, предопределяющим подобные изменения прочностных свойств.
Для крупно-, мелко- и среднезернистых песчаников, отобранных с более глубоких интервалов (83,5-224,0 м), снижение прочности при одноосном сжатии не превысило: для водонасыщенных образцов - 34,1 %; для высушенных образцов - 39,9 %.
Максимальное изменение прочности пород при сжатии при минимальном количестве циклов замораживания-оттаивания наблюдалось для образцов крупнозернистого алевролита, где после 100 циклов замораживания-оттаивания снижение прочности составило: при испытаниях образцов в водонасыщенном состоянии - 59,7 %, для высушенных образцов - 56,3 %.
Оценивая вычисленные значения коэффициентов размягчения, следует отметить, что перед началом эксперимента только песчаники мелкозернистые (115,0-173,5 м) и песчаники среднезернистые (175,5—224,0 м) относились к категории неразмягчаемых (Кр= 81,5-89,0 %). По окончании эксперимента мелкозернистые песчаники перешли в категорию размягчаемых. Коэффициент размягчения понизился с 81,5 % до 72,4 % (табл. 2.5).
Меньшее снижение прочностных параметров наблюдалось для образцов, испытываемых в мерзлом состоянии (рис.2.10). Для песчаников средне- и мелкозернистых и алевролитов крупнозернистых, опробованных в интервале глубин 13,5-83,5 м, и песчаников мелкозернистых, приуроченных к кровле угольного пласта (244,0-294,5 м), прочность при сжатии снизилась в пределах от 40 до 50 %. Для остальных, участвующих в эксперименте литотипов, снижение прочностных параметров не превысило 23,6-37,0 %.
Общей тенденцией в изменении прочностных свойств пород в ходе эксперимента является проявление максимальных снижений значений предела прочности пород при одноосном сжатии в интервале испытаний от 200 до 300 циклов замораживания-оттаивания.
Изменение прочностных свойств испытываемых песчаников при растяжении на цилиндрических образцах сжатием по образующей в условиях циклического промораживания-оттаивания во многом сходно с изменениями прочности пород при одноосном сжатии. Зависимости изменения прочности песчаников при растяжении от количества циклов замораживания-оттаивания представлены на рисунках 2.8-2.10 под буквой б). В данном случае максимальное снижение прочности при растяжении до 32 % для образцов, испытываемых в состоянии высушенных до постоянной массы пород, характерно для мелко- и крупнозернистых песчаников, соответствующих интервалам опробования 59,0-83,0 м и 83,5-115,0 м. В водонасыщенном состоянии этот показатель изменился на 37 и 55 % соответственно.
Для нижележащих горизонтов с интервалом опробования 115,0-294,5 м прочность при растяжении для высушенных образцов после 400 циклов замораживания-оттаивания снизилась от 20 до 26 %, для образцов, испытываемых в водонасыщенном состоянии - 20-37 %. Для песчаников среднезернистых, опробованных в интервале 13,5-43,0 м, снижение прочности при растяжении при испытаниях в водонасыщенном состоянии и состоянии высушенных до постоянной массы пород оценивается в пределах 20 %.
Сущность метода и техника проведения наблюдений
Методика изучения заключается в наблюдении за изменением скорости распространения ультразвуковых волн и ширины раскрытия трещин.
Наблюдения за изменениями скорости распространения ультразвуковых упругих продольных волн в приповерхностной части массива позволяют проследить за сезонными колебаниями значений скорости распространения ультразвукового поля, а также являются одним из критериев определения мелкоструктурного трещинообразования.
Целью натурных циклических наблюдений является - оценить влияние криогенного выветривания на развитие трещиноватости вскрытого массива и скорость распространения ультразвуковых упругих продольных волн.
Объектом исследования для оценки влияния процессов криогенного выветривания на дезинтеграцию вскрытого массива был выбран юго-восточный участок карьера «Денисовский» и юго-западный участок карьера «ЭРЭЛ ЛТД».
На выбранных участках исследуемых бортов были размещены площадки для натурных наблюдений. Наблюдения проводились на 4 исследовательских площадках: три из них размещены в карьере «Денисовский», одна в карьере «Эрэл ЛТД». В карьере «Денисовский» исследовательские площадки имеют южные и восточные экспозиции. На карьере «Эрэл ЛТД» представлена только западная экспозиция. Краткая характеристика физико-механических свойств литотипов, представляющих углевмещающие породы обоих карьеров, дана в таблице 3.2.
При размещении исследовательских площадок в карьере и выборе массива для наблюдений учитывались следующие условия:
- минимальный промежуток времени с момента его обнажения;
- наибольшая удаленность от зоны ведения взрывных, вскрышных работ;
- в географическом расположении наиболее полный охват имеющихся экспозиций;
- представленный на площадке литотип пород должен иметь равномерный характер распределения;
- при выборе исключались зоны интенсивной трещиноватости, развития слоистости.
Исследовательская площадка представляет собой выделенный участок массива площадью 4-6 м . На площадках были размечены горизонтальные и вертикальные профиля для измерения скорости ультразвуковых колебаний в массиве по плоскостям и в крест напластования, а также для выявления динамики криогенного трещинообразования. По профилям отмечены точки измерений - пикеты (рис.4.1-4.4). Количество пикетов, размещенных по каждому профилю, от 20 до 30. Измерения производились ультразвуковым прибором УК-14 П и сервисным устройством к нему Villi. Замеры производятся 1 раз в месяц. Также фиксируется температура поверхности пород, при которой производятся измерения.
Одновременно с измерением скорости распространения ультразвукового поля ведутся наблюдения за развитием трещиноватости массива.
Из существующих методик оценки мелкоструктурного трещинообразования на поверхности вскрытого массива имеет место способ непосредственно визуальных наблюдений, но данный метод неточен и зачастую дает заниженные результаты.
Более точно оценить в количественном отношении процесс дезинтеграции пород представляется возможным с помощью исследований распространения в них ультразвукового поля. Одновременно с изменениями акустических свойств горных пород в годовом цикле в пикетах, отмеченных по вертикальному и горизонтальному профилям, в ходе эксперимента наблюдаются нулевые показания скорости волн, как следствие произошедшей деструкции песчаников.
Изменение трещиноватости массива оценивается величиной удельной густоты трещин (Гуд) [4, 57, 85] и определяется выражением: ryd = N/S, где N- количество трещин; S- площадь станции наблюдения, м .
Также для наблюдений были выбраны развивающиеся трещины. Измеряется ширина раскрытия трещины, её длина. Одновременно фиксируется температура воздуха и поверхности пород. Отмечены точки измерений - начало (1), среднее сечение (2) и развивающаяся часть (3, 4). Измерения ширины раскрытия трещин производятся оптическим прибором МПБ-3 с точностью до 0,04 мм. Частота измерений 1 раз в месяц. Схемы размещения наблюдений на исследовательских площадках представлены на рисунках 4.1-4.4.
Для каждой из площадок составляется краткое описание по признакам: геоструктурная зона; экспозиция; обводненность; представленные литотипы вмещающих пород. При описании литотипов пород указываются тип цемента, зернистость, слоистость. Описываются параметры трещиноватости: количество на 1 м2, основное направление и угол залегания трещин, ширина раскрытия и длина имеющихся трещин.
Влияние процессов криогенного выветривания на предельную высоту устойчивого откоса
В суровых условиях резко-континентального климата Южной Якутии основной формой проявления процессов выветривания является криогенное выветривание. Влияние криогенного выветривания на степень изменения физико-механических свойств горных пород по отношению к другим типам выветривания отличается высокой интенсивностью. Также учитывая, что углевмещающие породы по сравнению с другими литолого-петрографическими типами пород более склонны к выветриванию, то степень изменения их физико-механических свойств может достигать значительных величин за относительно короткий период времени.
Таким образом, воздействие процессов криогенного выветривания на углевмещающие породы Южно-Якутского бассейна в суровых условиях резко-континентального климата значительно изменяет картину устойчивости, откоса. Поэтому задачу устойчивости вскрытого массива необходимо решать с учетом воздействия процессов криогенного выветривания на горные породы.
Анализ результатов вычислений предельной высоты устойчивого уступа показал различную степень изменения этой величины в зависимости от времени воздействия процессов криогенного выветривания на исследуемые горные породы. Результаты вычисления предельной высоты откоса с учетом определенных физико-механических свойств пород, не подвергавшихся процессам выветривания, и аналогичных криогенно выветрелых пород приведены в таблице 6.1.
Общей тенденцией при оценке влияния процессов криогенного выветривания на расчетную величину предельной высоты устойчивого откоса является её снижение при увеличении сроков воздействия процессов криогенного выветривания на горные породы.
Максимальное понижение величины предельной высоты устойчивого откоса имеет место после 25-летнего цикла воздействия криогенного выветривания на углевмещающие породы. Эта величина составляет более 40 %. Тем не менее, вычисленные предельные высоты устойчивого откоса для некоторых породных интервалов указывают на минимальные изменения этой величины по отношению к „свежим" породам, вписывающиеся в пределы 5 % (песчаники мелкозернистые - Kjch).
Результаты сравнительного анализа изменения расчетной величины предельной высоты устойчивого откоса для 15, 10 и 5-летнего периода воздействия криогенного выветривания на горные породы указывают на практически одинаковое снижение этой величины, значения которой колеблются в пределах от 34 до 37 %, за исключением мелкозернистых песчаников нерюнгринской свиты, где после 5-летнего цикла криогенного выветривания пород, понижение расчетной величины предельной высоты устойчивого откоса составляет 55 %. Несколько меньшее снижение этой величины, порядка 32 %, имеет место при трехгодичном цикле криогенного выветривания пород.
Уменьшение расчетной величины высоты устойчивого откоса, вычисленной по результатам лабораторного эксперимента, соотносимого с двухлетним и годичным сроком криогенного выветривания пород, составляет соответственно 19 и 10 %.
Особое внимание при расчете предельной высоты устойчивого уступа следует уделять породным интервалам, сложенным алевролитами. По результатам наших испытаний для этих литологических разностей предельная высота устойчивого уступа должна быть снижена вдвое.
Как показали результаты вычисления предельной высоты устойчивого откоса, её изменения при относительно коротком сроке воздействия криогенного выветривания на горные породы - 1 месяц -требуют коррекции в пределах 6 %. Количество циклов замораживания-оттаивания, приравниваемых к 1 месяцу в натурных условиях, нами взято равным 50, что, в общем, соответствует одному весеннему месяцу с максимальным количеством циклов замораживания-оттаивания [87, С. 13].
Еще меньшей величиной снижения расчетной величины предельной высоты устойчивого уступа - 2,2 % - исследуемые породы характеризуются после 25 циклов замораживания-оттаивания. Влияние суточных изменений физико-механических свойств на предельную высоту уступа минимально и составляет 1 %.
Наибольшего внимания в годичном цикле наблюдений заслуживают месячные и сезонные изменения физико-механических свойств, оказывающие значительное влияние на расчетную величину предельной высоты устойчивого откоса. Разница оцениваемых высот устойчивого уступа на начало и конец одного месяца (апрель) может достигать в среднем до 35 %. Сезонные изменения физико-механических свойств в оцениваемый нами период (март-май) влияют на величину предельной высоты устойчивого откоса в пределах 20 %.
Таким образом, сравнительный анализ результатов вычисленных значений предельной высоты устойчивого откоса для пород, не подвергавшихся процессам криогенного выветривания и их криогенно выветрелым аналогам, показал снижение этой величины соразмерно со временем его воздействия.
В инженерных методах расчета при проектировании карьерных откосов оценку устойчивости бортов карьеров с их известными параметрами в изотропной среде производят через коэффициент устойчивости, определяемый при сдвиге по криволинейной поверхности (круглоцилиндрической), плоской (частный случай), волнистой и другим монотонным поверхностям [78, 85, 113]. Нами для примера приводится частный случай определения коэффициента устойчивости при плоской поверхности скольжения [78, С.71]: ny=(tg pWfCosdi + CYJi) /IPfsindi, (6.11) где Pj - масса элементарного вертикального блока призмы возможного обрушения; Sj - угол наклона элементарной площадки скольжения; lt - длина площадки скольжения, служащей основанием элементарного блока; (р =К3-(р - значение угла внутреннего трения на поверхности анизотропии; С = К3С удельное сцепление; К3 - коэффициент запаса устойчивости. Значения коэффициента запаса устойчивости приведены в таблице 6.2.
На основе полученных результатов исследований нами предлагается при расчете предельной высоты устойчивого откоса для углевмещающих пород Южно-Якутского каменноугольного бассейна вводить поправочный коэффициент криогенного выветривания пород, учитывающий степень их выветривания в соответствии со сроком службы закладываемого карьера.
Значения коэффициента криогенного выветривания углевмещающих пород вычислены на основе сравнительного анализа изменчивости расчетной величины предельной высоты устойчивого уступа и приведены в таблице 6.3.
Анализируя значения коэффициента криогенного выветривания, следует отметить, что основное снижение устойчивости откосов, сложенных углевмещающими породами, происходит за 5-ти летний период их эксплуатации и составляет величину порядка 30-35 %. В дальнейшем воздействие процессов криогенного выветривания на устойчивость откосов имеет затухающий характер. Максимальное снижение устойчивости откосов - до 40 % соотносится со сроком эксплуатации месторождения порядка 25 лет.
Особое внимание при оценке устойчивости откосов угольных карьеров следует уделять породным интервалам, сложенным алевролитами и песчаниками подошвы и кровли угольных пластов, которые более всего склонны к процессам криогенного выветривания. Высокая интенсивность изменения их первоначальных свойств может способствовать созданию активной поверхности скольжения, что вызовет непредвиденные вывалы и обрушения.
Таким образом, полученные значения коэффициента криогенного выветривания позволяют дифференцированно корректировать расчетную величину предельной высоты устойчивого уступа с учетом срока стояния и слагающих его литологических разностей углевмещающих пород.