Глава 4. Упрощенные наблюдения за деформациями

Наблюдения следует проводить по профильным линиям наблюдательных станций. В каждой серии наблюдений производится детальная съемка профиля откоса на участке высачивания; сравнение результатов наблюдений по профилям фильтрующих участков в смежных сериях позволяет определить динамику развития деформаций за период между этими сериями наблюдений.

116. Для прогноза развития деформаций во времени на профиле отображаются: положение водоупора, состав и свойства фильтрующего и налегающего слоев пород, депрессионная поверхность, удельный расход фильтрующего потока. При наличии концентрированных источников, приводящих к развитию каверн и промоин, следует определять объем каверн и их распространение вглубь откоса, а также заменить расходы потока и объем выносимого потоком материала за единицу времени.

117. Наблюдение необходимо начинать непосредственно после выемки очередной экскаваторной заходки. С целью выявления динамики развития фильтрационных деформаций наблюдения в первый период проводятся ежедневно.

118. В легкорастворимых породах фиксируются все источники, систематически производится обследование поверхности карьера, а также площадок уступов для выявления и своевременной ликвидации провальных воронок в случае их появления. При наличии сосредоточенных наземных водотоков в размываемых породах проводятся наблюдения за развивающимися эрозионными деформациями. Схема расположения реперов и порядок измерений при наблюдении за развитием промоины показаны на рисунке 14.

Рис. 14. Наблюдения за развитием промоины

120. При развитии осыпи происходит выполаживание откоса, нарушение, а иногда и полная сработка предохранительных берм, оставляемых между уступами, вследствие чего борт приобретает вид сплошного откоса большой высоты, работать под которым становится опасно.

Опасность осыпей глинистых пород заключается в том, что осыпавшиеся массы представляют собой аккумулятор для накопления влаги и в дальнейшем переходят в оползни и оплывины. Процесс разрушения и осыпания крутой части откоса завершается после того, как осыпь достигает верхней бровки уступа, протекая с определенной скоростью, зависящей от свойств пород, климатических условий, угла откоса уступа и его местоположения относительно сторон света.

121. Интенсивность осыпания зависит, в основном, от выветриваемости пород, углов откосов уступов и способов заоткоски уступов. Выветриваемость, то есть склонность горных пород изменять прочность под влиянием агентов выветривания, определяется их геолого-петрографическими признаками: минеральным составом, структурой, текстурой, условиями залегания слоев, степенью литификации, характером и степенью трещиноватости и зависит от климатических условий и положения откосов относительно сторон света. Сотрясения горных пород под влянием взрывных работ и работы горнотранспортного оборудования активизируют развитие осыпей.

122. Целью наблюдений за выветриванием и осыпанием пород является определение оптимальных углов откосов и ширины берм уступов, длительности срока службы в зависимости от определяемых показателей:

времени начала осыпания и интенсивности осыпания в откосах пород различного литологического состава при различной экспозиции откосов, а также от величины углов откосов;

закономерности осыпания пород по высоте откоса и сработки верхней площадки (отступления верхней бровки) уступа и движения нижней границы осыпи во времени:

1) интенсивность осыпания характеризуется:

мощностью слоя осыпавшихся с поверхности откоса пород в результате выветривания за единицу времени;

сработкой верхней площадки за единицу времени;

объемом осыпи на 1 м (погонный) длины борта, образовавшимся за единицу времени;

перемещением нижней границы осыпи за единицу времени. В зависимости от интенсивности указанных показателей за единицу времени принимается год, месяц и тому подобное.

123. Нарушение устойчивого равновесия частиц породы на поверхности крутого откоса при выветривании и их осыпание происходит при определенной величине прочности, характерной для данной породы, называемой критической. Снижение начальной прочности пород на поверхности откоса до критического значения в различных породах характеризуется разными интервалами времени.

124. Процесс выветривания пород на поверхности откосов в крепких и слабых породах протекает различно.

Период снижения начальной прочности до критической в крепких породах зависит, при прочих равных условиях, от степени их трещиноватости. Процесс выветривания в откосах, сложенных породами средней крепости, отличается большей интенсивностью, чем в крепких породах, вследствие обезвоживания (усыхания), при котором образуется частая и беспорядочная трещиноватость. Процесс выветривания откосов, сложенных песчано-глинистыми породами, характеризующимися высокой естественной влажностью, протекает еще более интенсивно, чем в полускальных породах, так как эти породы у поверхности откосов подсыхают и подвергаются усадке, интенсивному растрескиванию и шелушению. Осыпание в этих породах начинается вскоре после отработки очередной заходки.

125. Время начала осыпания крепких и средней крепости горных пород устанавливается путем определения критической их прочности, закономерности изменения прочности во времени (рисунок 15).

126. Критическая прочность пород для каждой литологической разности определяется на поверхности нескольких осыпающихся откосов с различными углами заоткоски, превышающими угол естественного откоса (при α > 45 °).

Рис. 15. Изменение прочности пород на поверхности откосов во времени
127. Изменение прочности породы на поверхности откоса устанавливается путем определения прочности одной и той же литологической разности на поверхности нескольких откосов различного срока пребывания его в нерабочем состоянии.

128. Прочность скальных пород определяется испытанием на одноосное сжатие образцов неправильной и полуправильной формы, отобранных с поверхности откоса. Методика таких испытаний дана в приложении 14.

129. Прочность пород средней крепости определяется испытанием образцов неправильной и полуправильной формы на сжатие и динамическим пробником (пенетрометром) непосредственно на поверхности откоса.

130. Интенсивность осыпания пород с поверхности откоса и ее изменение во времени определяется по результатам длительных полевых наблюдений за осыпанием пород.

Для этого производится:

1) закладка наблюдательных станций на откосах уступа;

2) периодическая инструментальная съемка местоположения в плане верхних бровок уступов и границ осыпи на бермах;

3) периодическая инструментальная профильная съемка уступов.

131. Наблюдательные станции на откосах уступов закладываются на откосах нерабочих уступов или уступов, находящихся не менее 1 года в нерабочем состоянии. Haблюдательная станция состоит из 1-2 рядов реперов, закладываемых горизонтально по откосу выше уровня осыпи на расстоянии 1 м один от другого в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Рис. 16. Замер превышений реперов над поверхностью откоса (вид сверху)

Репер представляет собой металлический штырь диаметром 15 - 20 мм и длиной 300 - 700 мм; длина репера определяется крепостью пород и его местоположением.

Замеры производятся не менее двух раз в год (весной и осенью). Пример проведения наблюдений за осыпанием уступов приведен в приложении 15.

132. При закладке наблюдательной станции фиксируется следующее:

1) литологическое наименование пород, их состав, залегание, трещиноватость (размер и форма структурных блоков, элементы залегания основных систем трещин), прочность, нарушенность пород взрывами (способ заоткоски уступов);

2) положение уступа по высоте (его высотная отметка), экспозиция борта;

3) средние высота и угол откоса уступа, профиль уступа, продолжительность времени пребывания уступа в нерабочем состоянии до момента наблюдения за ним.

При повторных замерах дается характеристика осыпавшегося материала (форма и размер кусков в осыпи).

133. Периодическая (ежегодная) съемка верхних бровок уступов и границ осыпи на бермах позволяет выявить изменение интенсивности осыпания бровки уступа.

134. Для обеспечения устойчивости уступов в течение длительного времени (на время работ в карьере), а также безопасности работ на нижних горизонтах карьера для уступов, достигших предельного положения по проектному контуру, углы откосов и ширину берм следует рассчитывать с учетом интенсивности осыпания откосов и срока их службы. В отдельных случаях для предохранения откосов от влияния выветривания целесообразно предусматривать укрепительные мероприятия.

135. Зависимость критической прочности и интенсивности осыпания от угла откоса определяется формулами:

R_α=R₉₀·cosα(tgα-tgρ), (21)

m _α=m₉₀·cosα(tgα-tgρ), (22)

где α - угол откоса уступа;

137. Наблюдения проводятся с применением высокоточной измерительной аппаратуры (сейсмостанции, тензометрические датчики и прочие приборы) и более простыми методами (наблюдательные станции с металлическими реперами или конусами-индикаторами, устройство бетонных или гипсовых дорожек, покрытие поверхности откоса известковым раствором или специальным красителем и прочие).

138. Наблюдательные станции с металлическими реперами закладываются на горизонтах, подготавливаемых к массовым взрывам. Станции состоят из 1 - 3 профильных линий, направленных вкрест простирания уступа. Линии, как правило, включают 10 - 12 рабочих и 1 - 2 опорных репера. Расстояние между соседними рабочими реперами составляет около 2 м. Опорные реперы закладываются по возможности вне зоны остаточных деформаций. Опорные и рабочие реперы представляют собой стальные штыри, длиной порядка 3 м и диаметром 15 - 20 мм с накрененными оголовками. На станции проводятся две серии наблюдений: первая - накануне взрыва и вторая - после взрыва. Наблюдения состоят в нивелировании реперов и измерении расстояний между ними. Кроме того проводится съемка верхней и нижней бровок уступа (до и после взрыва), а также съемка расположения взрываемых скважин и всех видимых трещин на берме уступа в районе взрыва. Регистрация смещений реперов по профильным линиям позволяет установить размеры деформированного участка и величину остаточных деформаций.

139. Метод конусов-индикаторов заключается в определении величины отрыва гипсовых конусов, заложенных на поверхности выработанного пространства для регистрации дополнительных напряжений в откосе, возникающих под влиянием взрывов.

Перед установкой (закреплением) конусов-индикаторов, на уступе производят испытания опытных образцов-восьмерок (из материала конусов) на разрыв в лабораторных условиях, с целью получения тарировочного графика зависимости s_ί = f (σ_ί). В натурных условиях измеряются расстояния между пунктами взрыва и заложенными конусами-индикаторами. После взрыва замеряется площадь отрыва части конуса (Si). Определяются возникающие нормальные напряжения (σ _ί). При оценке устойчивости откоса величины последних учитываются путем сложения их со сдвигающими напряжениями (τ _ί). Если в результате расчета окажется, что коэффициент запаса устойчивости уступа (нескольких уступов) n < 1, тогда необходимо при оформлении проектных контуров карьера изменить технологию взрывных работ с целью снижения сейсмической силы.

140. Бетонные и гипсовые дорожки закладываются на площадках борта и служат для обнаружения микродеформации поверхности.

Покрытие откосов гипсовым раствором или специальными красителями позволяет судить о характере и области деформирования трещиноватых горных пород.

Глава 5. Мероприятия по обеспечению устойчивости

откосов на карьерах

Параграф 1. Общие положения
141. Разработка мероприятий по обеспечению устойчивости откосов на карьерах осуществляется на основе результатов наблюдений за деформациями откосов, расчетов их устойчивости и соответствующих технико-экономических расчетов и соображений.

142. Мероприятия по обеспечению устойчивости откосов на карьерах, сложенных скальными и полускальными породами, заключаются, в основном, в применении соответствующей технологии ведения буровзрывных работ в приконтурных зонах (микрозамедленное взрывание скважин в блоке и другие), специальной заоткоске уступов (предварительное щелеобразование, гладкое взрывание) и в искусственном укреплении ослабленных участков.

Обеспечение устойчивости откосов на карьерах, сложенных глинистыми и песчано-глинистыми породами, заключается, в основном, в эффективном дренаже, обеспечении стока поверхностных вод, пригрузке фильтрующих участков откосов.

Для обеспечения устойчивости откосов отвалов эти мероприятия заключаются, в основном, в дренаже песчано-глинистого основания и в установлении допустимого по условиям устойчивости общего угла разгона ярусов.

143. На выполнение всех мероприятий по обеспечению устойчивости откосов на карьерах следует составить специальный проект, утверждаемый главным инженером предприятия.

В проекте отражаются:

1) ожидаемые деформации откоса;

2) ожидаемый ущерб от этих деформаций;

3) наиболее целесообразные меры предотвращения деформаций;

4) затраты на выполнение противодеформационных мероприятий и технико-экономическое обоснование предусматриваемых мероприятий.

После выполнения каждого из предусмотренных в проекте мероприятий составляется акт, утверждаемый главным инженером предприятия.

Параграф 2. Заоткоска уступов в их предельном

положении
144. Заоткоска уступов в их предельном положении под углами, соответствующими свойствам пород и характеру их трещиноватости, является одним из основных мероприятий, обеспечивающих длительную устойчивость нерабочих бортов или их участков, поставленных в предельное положение. Приближенные значения углов откосов нерабочих уступов даны в приложении 16.

145. Заоткоска уступов в их предельном положении осуществляется:

1) в скальных и полускальных породах - специальными заоткашивающими скважинами диаметром 80 - 100 мм, расстояние между которыми не допускается более 3-х м; в каждом конкретном случае устанавливается опытным путем;

заоткашивающие скважины бурятся по линии предельного контура карьера под углами, равными углам откоса уступов (приложение 16); допускается взрывание заоткашивающих скважин предварительное (предварительное щелеобразование) и после взрывания основных зарядов (гладкое взрывание); методика производства буровзрывных работ при специальной заоткоске уступов в предельном положении изложена в приложении 17;

2) в слабых глинистых и песчано-глинистых породах драглайнами, а также мехлопатами со специальными насадками на зубьях.

Параграф 3. Укрепление слабых участков откосов на карьерах
146. Отдельные участки откосов уступов в их положении на предельном (проектном) контуре, сложенные скальными и полускальными породами интенсивной трещиноватости или ослабленные неблагоприятно расположенными трещинами, дизъюнктивными нарушениями, слабыми контактами между слоями пород укрепляются. Для укрепления откосов скальных и полускальных пород следует применять:

1) способы механического удержания призмы обрушения, к которым относятся укрепление штанговой крепью, шпунтами, железобетонными сваями, гибкими тросовыми тяжами, а также подпорными, защитными и контрфорсными стенками. Эти способы применяются самостоятельно и комплексно;

2) способы по улучшению прочностных свойств массива путем инъекции в массив укрепляющих растворов; из этих способов наиболее широко распространена цементация;

3) способы, при которых слагающие откосы породы, склонные к быстрому и интенсивному выветриванию, выщелачиванию или дефляции, изолируются с помощью устойчивых покрытий торкретбетоном, шприц-бетоном, битумом, карбамидными, формальдегидными и эпоксидными смолами; способы применяются также в сочетании с металлической сеткой и штангами.

В таблице 1 даны условия применения способов укрепления откосов в скальных и полускальных породах.

147. Фильтрующие участки откосов песчано-глинистых пород укрепляются гравийно-щебеночной пригрузкой фильтрующего участка откоса; схемы пригрузки изображены на рисунке 17, 18.

Рис. 17. Схема для определения параметров пригрузочной призмы

q- pacxoд, притекающий к откосу; k и k_пр -коэффициенты фильтрации грунта и материала пригрузки; _пр - объем- вес материала пригрузки; ρ -угол трения грунта.
Примечания: 1. Для величины α рекомендуется коэффициент запаса, равный 1,2 - 1,4.

2. Для откоса на проницаемом основании величина α дополнительно увеличивается на 15 %.

1 - суглинок, 2 - песок глинистый, водоносный; 3 - глина пластичная; 4 - щебенка

Таблица 17

148. Для предотвращения эрозии откосов песчаных и песчано-глинистых пород следует покрывать их растительным слоем или торфом с посевом трав. Предотвращение размывания и эрозии песчано-глинистых откосов стекающими потоками дождевых вод достигается также путем устройства упорядоченных стоков дождевых и талых вод с площадок уступов. Для этой цели площадкам уступов придается уклон в сторону водоотводной канавы, расположенной в основании вышележащего откоса и имеющей уклон 3 - 5 % к поперечным канавам, в которых уложены железобетонные трубы для спуска воды на нижележащую площадку.

Размываемые участки водосточных канав укрепляются железобетонными лотками.

Параграф 4. Обеспечение общей устойчивости бортов карьеров,

уступов и отвалов
150. Нарушения общей устойчивости значительных участков бортов, уступов и отвалов возникают в тех случаях, когда сдвигающие силы, действующие по наиболее слабой поверхности, по величине становятся равными удерживающим силам, то есть при возникновении состояния предельного равновесия:

∑Τ _ί= ∑ k _ί l_i + ∑f _ί ( N _ί- D _ί,) (23)

где Σ Τ ί, — сумма сдвигающих сил;

k _ί и f _ί - величины сцепления и коэффициента внутреннего трения массива пород;

l_ί - протяженность площадок поверхности скольжения с характеристиками k _ί и f _ί;

N_ί -нормальная составляющая веса вышележащих пород, опирающихся на площадку l_ί;

D_ί - сила гидростатического давления на площадку l_ί.

151. При решении вопроса о мерах по предотвращению развития выявленного инструментальными маркшейдерскими наблюдениями начавшегося оползня устанавливаются основные факторы и причины, вызвавшие появление деформаций, а также тип оползня.

152. Если причиной начавшейся деформации большого участка борта является несоответствие углов наклона борта или его высоты (например, при увеличении общей высоты рабочего борта при погружении пласта или повышении отметок земной поверхности) геологическим условиям, то в этом случае необходимо придавать борту более пологий угол наклона.

Если при аналогичных условиях на деформацию борта оказывают влияние и напорные воды, имеющиеся в его основании, то первой мерой предотвращения развития деформаций является снятие напоров.

153. Если факторами, способствующими развитию опасных (неизбежно приводящих к обрушениям и оползням) деформаций большого участка борта являются местные, неблагоприятно залегающие нарушения массива - тектонические нарушения, поверхности скольжения древних оползней, контакты между литологическими разностями и так далее, то в этих случаях применяются мероприятия локального характера:

1) разгрузка призмы активного давления в пределах участка, ограниченного поверхностью ослабления;

2) пригрузка призмы выпирания;

3) создание контрфорсов и упоров.

154. В ряде случаев опасные деформации больших участков бортов карьеров, уступов и отвалов вызываются обводненностью земной поверхности, площадок уступов, подошвы карьера и основания отвалов; основной мерой предотвращения деформаций откосов в этих условиях является своевременное осушение земной поверхности вблизи карьера и обеспечение стока воды с площадок уступов, подошвы карьера и основания отвалов.

155. Для предотвращения развития начавшегося оползания больших участков отвалов необходимо или уменьшать их общую высоту, или уменьшать общий угол разгона ярусов отвалов с таким расчетом, чтобы соотношение удерживающих и сдвигающих сил, действующих по поверхности скольжения, возросло на 10-15 % по сравнению с тем положением, при котором наблюдениями зафиксированы начавшиеся деформации.

Оценка устойчивости отвалов (установление соотношения удерживающих и сдвигающих сил, действующих на поверхности скольжения) выполняется на основе расчетов, методика выполнения которых изложена в соответствующих методических документах.

156. В тех случаях, когда по ряду обстоятельств невозможно или трудно предотвратить развитие оползней отвалов, инструментальными наблюдениями ограничивается призма возможного оползания, на которой не рекомендуется размещать оборудование, используемое при отвалообразовании; для этих условий разрабатывается специальная технология отвалообразования, обеспечивающая безопасность работ на оползающем отвале.