ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ КАРЬЕРОВ

Сдвижение горных пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых в значительной степени определяет как экономику добычи, так и безопасность труда. Нарушения устойчивости откосов бортов карьеров и отвалов приводят к увеличению объемов вскрыши, непроизводительным расходам на дополнительную переэкскавацию, нарушению режима работы карьера и опасным условиям труда.

Потеря устойчивости (сдвижение) бортов и уступов в карьерах связана главным образом с изменением напряженного состояния нетронутого массива пород в результате проведения открытых горных выработок. При этом разрушение горных пород происходит под воздействием касательных напряжений, которые при определенных условиях вызывают в массиве необратимые деформации сдвига по поверхностям, называемым поверхностями скольжения. Под поверхностью скольжения понимается наиболее слабая поверхность прибортового массива, по которой действуют максимальные касательные напряжения и соответствующие им деформации.

Рисунок 2.1. Эпюры касательных напряжений в борту разреза

В общем случае в массиве горных пород, ослабленном боковым вырезом (бортом карьера), распределение касательных напряжений может быть представлено эпюрами, показанными на рисунке 2.1 (линии I-I, II-II, III-III). Точки с максимальными значениями касательных напряжений, расположенные на различной высоте борта, формируют направление наиболее слабой поверхности abсde, которая в случае предельных напряжений становится поверхностью скольжения.

Представим потенциальную поверхность скольжения в прибортовом массиве прямой линией АСВ (рис. 2.2).

Участок ADBC — призма возможного обрушения прибортового массива. Массу Р прибортового клина ADBC, отнесенную к середине АСВ (точка С), можно разложить на две составляющие: сдвигающую М и нормальную N. Силы, удерживающие прибортовой клин от сдвига по линии АСВ, будут следующими: сила трения, равная N tg ρ, и сила сцепления К.

Рис. 2.2 - Схема распределения сил по потенциальной поверхности скольжения

Таким образом, условие устойчивости прибортового клина можно записать так:

(2.1)

Из схемы видно, что обеспечение устойчивости прибортового массива в первую очередь достигается изменением массы клина ADBC, которая в свою очередь зависит от высоты откоса H или угла его наклона α.

Можно сделать вывод о том, что устойчивость прибортового массива, с одной стороны, определяется характером перераспределения естественных напряжений вглубь и по высоте откоса, а с другой — прочностными свойствами слагающих массив пород.

Согласно теории предельного равновесия прочность горной породы характеризуется некоторой кривой (рис. 2.3, а), построенной в координатах τ, σ_п (касательное и нормальное напряжения). Кривая ABC определяет собой предельное состояние горной породы в образце. Отрезок OB, отсекаемый кривой на оси τ, определяет величину сцепления. Угол наклона к оси σ_п отрезка прямой тп, заменяющий на некотором интервале кривую ABC, называется углом внутреннего трения, а тангенс этого угла — коэффициентом внутреннего трения. Отрезок ОА выражает временное сопротивление породы растяжению σ_Р, отрезок OD численно равен временному сопротивлению сжатию σ_сж.

Рисунок 2.3. Паспорт прочности горной породы:

а — с криволинейной огибающей кругов Мора; б —с огибающей в виде прямой

Общий вид уравнения кривой предельного равновесия τ=f(σ_п). В зависимости от типа горных пород уравнение может быть представлено параболой, циклоидой, прямой. В последнем случае (рис. 2.3, б) уравнение равновесия записывается следующим образом:

τ = σ_п tg ρ + k, (2.2)

где τ — касательное напряжение по площадке сдвига, МПа;

σ_п — нормальное напряжение на площадке сдвига, МПа;

ρ — угол внутреннего трения пород, градус;

k — коэффициент сцепления пород, МПа.

Определение вида кривой предельного равновесия и количественную оценку ее параметров производят при испытаниях на срез образцов горных пород.

Основным фактором, формирующим естественное напряженное состояние пород, служат гравитационные силы. Необходимо учитывать и тектонические силы. Кроме того, при открытом способе разработки полезных ископаемых важное значение для устойчивости откосов приобретает целый ряд других факторов: фильтрационные процессы, выветривание, набухание и разуплотнение пород, динамическое воздействие массовых взрывов, вибрация от работы горнотранспортного оборудования и т. д.

Кроме того, прибортовой массив сложен не однородными породами, имеет естественную трещиноватость, по которой в целом ряде случаев формируются поверхности ослабления. Все эти факторы являются причиной сдвижения горных пород на карьерах.

С геометрической точки зрения устойчивость бортов и отвалов карьеров определяется двумя параметрами: высотой и углом наклона откоса, поэтому необходимо знать их оптимальные величины.

На геолого-маркшейдерскую службу карьеров возлагается задача по наблюдениям за деформациями бортов и уступов, а также отвалов. Данная служба принимает участие в разработке мер по укреплению оползневых участков, в расчетах параметров откосов.

Таким образом, основная задача изучения сдвижения горных пород на карьерах сводится к предотвращению деформаций бортов, уступов и отвалов с целью обеспечения безопасной и бесперебойной их эксплуатации при условии выполнения минимального объема вскрышных работ.

2.2. ВИДЫ НАРУШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПОРОД В ОБНАЖЕНИЯХ КАРЬЕРА

Все случаи нарушения устойчивости уступов, бортов и отвалов обычно подразделяют в зависимости от скорости сдвижения массива, наклона поверхности скольжения, объема сдвигающихся масс и причин возникновения на осыпи, обрушения, оползни, просадки.

Осыпь — наиболее распространенный вид деформаций пород, слагающих откосы. В результате выветривания приповерхностного слоя откоса в течение длительного времени разрушенные породы осыпаются на подошву уступа, что приводит к выполаживанию откоса. Возникают осыпи в тех случаях, когда угол наклона откоса уступа α больше угла естественного откоса слагающих его пород (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 - Схема образования осыпей: 1 — разрушенная часть уступа; 2 — осыпь; φ — угол естественного откоса; α — угол наклона откоса уступа

На развитие осыпей в скальных породах большое влияние оказывает разрушение приповерхностного слоя откоса взрывными работами. Осыпи приводят к ухудшению условий эксплуатации карьера, так как уменьшается ширина предохранительных берм и рабочих площадок уступов, что вызывает затраты на периодическую зачистку берм.

Обрушение — быстрое, практически мгновенное разрушение и смещение горных пород откоса, которое может охватить значительные участки уступов, бортов карьеров и отвалов.

Обрушения уступов и бортов карьеров чаще всего возникают в следующих случаях:

а) при обнажении горными работами плоскостей напластования, дизъюнктивных нарушений и других поверхностей ослабления, наклоненных в сторону выемки круче 25—30 ^o;

б) при наличии тектонических трещин, ориентированных приблизительно параллельно фронту работ (до 30°), имеющих угол падения в сторону выемки круче 35 — 40°;

в) из-за несоответствия между высотой уступа и применяемым выемочно-погрузочным оборудованием, что может привести к образованию нависей («козырьков»).

Обрушения отвалов чаще всего происходят в следующих случаях:

а) при расположении отвальных пород на наклонных (более 30°) основаниях;

б) при наличии в теле отвалов прослоек слабых пород, снега, образующих наклоненные в сторону откоса поверхности.

При обрушениях средний наклон поверхности скольжения больше угла внутреннего трения пород. Этот вид нарушений устойчивости пород является наиболее опасным, его трудно прогнозировать.

Оползни — медленное смещение масс горных пород, слагающих откос, а нередко и его основание по пологой поверхности скольжения. Это наиболее крупный по размерам вид нарушения устойчивости откосов, захватывающий прибортовой массив объемом от тысяч до миллионов кубических метров. Угол наклона поверхности скольжения в среднем меньше угла внутреннего трения пород, пересекаемых этой поверхностью. Оползни, как правило, происходят при наличии пластичных пород.

По причине возникновения и по положению поверхности скольжения выделяют следующие основные виды оползней бортов карьеров:

а) контактные оползни возникают при обнажении горными работами пологопадающих (менее 25—30°) поверхностей контактов, представленных границей более прочных пород со слабыми, обводненными породами или дизъюнктивными нарушениями. Характерным признаком контактных оползней является параллельность векторов смещения, измеренных по реперам профильных линий, поверхности естественного контакта, по которому происходит скольжение (рис. 2.4, а);

б) оползни выпирания образуются при наличии в основании откоса борта карьера слабых пластичных глин или обводненных пород с невысокой прочностью. В этом случае под действием массы прибортового массива слабые породы основания частично выдавливаются в выработанное пространство карьера. Поверхность скольжения частично проходит через породы основания борта, а векторы, замеренные по реперам его основания, направлены вверх. В основании перед оползнем формируется вал выпирания, сложенный породами дна карьера (рис. 2.4, б);

Рисунок 2.4 - Типы оползней бортов карьеров:

1— слабый контакт в прибортовом массиве; 2 — первоначальное положение борта; 3 — векторы смещений; 4 — тело оползня; 5 — слабые породы в основании борта; 6 — поверхность скольжения; 7 — направление фильтрации подземных вод; 8 — фильтрующий слой пород.

в) фильтрационные оползни появляются при наличии в прибортовом массиве слоев слабосвязанных обводненных пород (плывунов и т. д.), поверхность которых горизонтальна или наклонена в сторону выработанного пространства. При подрезке этих слоев горными работами они выносятся в выработанное пространство фильтрующимся потоком, в результате происходит оползание верхней части борта карьера (рис. 2.4, в).

Оползни образуются и в откосах, сложенных однородными породами, если геометрические параметры борта H, α выбраны неправильно. В этом случае образуется криволинейная поверхность скольжения, которая выходит в основание борта, а в верхней части имеет вертикальную трещину отрыва.

В зависимости от положения поверхности скольжения относительно основания отвала различают следующие типы оползней отвалов:

а) надподошвенные оползни характерны для отвалов, сложенных слабыми, увлажненными породами при наличии переслаивания сухих и влажных, слабых и прочных пород, а также, если в теле отвала есть снеговой покров. Поверхность скольжения располагается выше основания отвала, большей частью по контакту слабых и прочных отвальных пород (рис. 2.5, а);

Рисунок 2.5 - Типы оползней отвалов:

1 — слой слабых пород в теле отвала; 2 — первоначальное положение откоса отвала; 3 — тело оползня; 4 — слабые породы основания отвала

б) подошвенные оползни возникают при формировании отвалов на пологом или наклонном основании, при наличии обводненного, заболоченного основания. Поверхность скольжения совпадает с поверхностью основания отвала (рис. 2.5, б);

в) подподошвенные оползни образуются, когда отвалы формируются на основаниях, сложенных слабыми породами, которые под действием массы отвала выдавливаются впереди оползня с образованием вала выпирания. Поверхность скольжения частично расположена в породах основания отвала (рис. 2.5, в).

Просадки — неравномерное вертикальное проседание верхней поверхности отвалов в результате уплотнения пород под влиянием собственной массы и динамических нагрузок работающего оборудования. Этот вид деформаций вызывает необходимость периодической планировки поверхности отвальных масс для обеспечения нормальных условий работы горнотранспортного оборудования.
2.3. МАРКШЕЙДЕРСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ БОРТОВ И ОТВАЛОВ НА КАРЬЕРАХ

Основной целью наблюдений за нарушениями устойчивости бортов, уступов и отвалов карьера является определение мест проявления и размеров деформаций пород, слагающих обнажения и отвалы карьера, а также установление причин их возникновения. Оценка степени опасности деформаций, а также прогноз их развития позволяют предупредить аварийные ситуации и несчастные случаи.

Определение размеров деформаций пород на нарушенных участках, контроль за их развитием с учетом времени может производиться как прямыми, так и косвенными методами.

Прямые (маркшейдерские) методы используются для непосредственного измерения размеров сдвижений и деформаций. К ним можно отнести:

1) наблюдения по профильным линиям реперов;

2) метод геодезических засечек для определения размеров смещений пород в местах, неудобных для закладки профильных линий реперов, а также при невозможности нахождения людей на нарушенном участке;

4) топографические съемки оползневых участков, в том числе с применением фотограмметрических методов.

Косвенные методы основаны на измерении физических характеристик горного массива с использованием радиометрических, электрометрических, ультразвуковых и других способов, позволяющих оценить изменение напряженного состояния массива горных пород в прибортовой зоне для прогноза вероятности обрушений. Эти методы наиболее целесообразны, если обрушение происходит в крепких породах при небольших размерах предельных деформаций. К косвенным методам относят также изучение геологических и гидрогеологических условий эксплуатации карьера и физико-механических свойств горных пород.

Маркшейдерские наблюдательные станции, состоящие из профильных линий реперов, закладывают в том случае, когда необходимо определить величины смещений и деформаций прибортового массива для установления типа оползня или обрушения и прогноза его развития с учетом времени. Профильные линии создаются в местах с косвенными признаками оползневых явлений или обрушений. Такими признаками являются:

а) подрезка горными работами слабых контактов, фильтрующих пород, поверхностей тектонических трещин и нарушений, имеющих наклон в сторону выработанного пространства и простирание, приблизительно параллельное фронту борта;

б) вскрытие карьером слабых, пластичных, обводненных пород основания борта, а также укладка пород отвала на наклонное основание или на слабые, обводненные породы;

в) размещение на бортах и уступах карьера не предусмотренных проектными расчетами отвалов пустых пород, тяжелого горнотранспортного оборудования, при производстве в карьере массовых взрывов большей чем по проекту единичной мощности;

г) несоблюдение установленных проектными расчетами геометрических параметров уступов, бортов и отвалов карьера.

Перед закладкой наблюдательной станции маркшейдер разрабатывает ее проект, в котором приводится анализ участка карьера с точки зрения инженерно-геологических условий, обосновываются и устанавливаются расположение и конструкции профильных линий, методика и объем наблюдений.

Наблюдательная станция, проектируемая на потенциально опасном участке, должна состоять из двух или более профильных линий, располагаемых посередине этого участка перпендикулярно фронту борта карьера или отвала.

На каждой профильной линии закладывают опорные и рабочие реперы.

При расположении профильной линии на борту карьера (рис. 2.6) опорные реперы располагают на верхней и нижней площадках борта парами на расстоянии друг от друга не менее 20 м. Расстояние от опорного репера до верхней бровки откоса борта принимают равным 2Н, где Н — высота борта, а от нижней бровки откоса до опорного репера на нижней площадке — 0,3Н. На нижней площадке, а также на верхней в пределах ширины призмы возможного обрушения а, равной 0,8Н, расстояние между рабочими реперами принимают равным 5 — 15 м, а за пределами призмы это расстояние увеличивают до 30 м. На каждом уступе откоса борта закладывают не менее двух рабочих реперов.

Рис. 2.6 - Профильная линия репе- Рис. 2.7 - Профильная линия

ров на борту карьера реперов на отвале

1 — потенциальная поверхность скольжения; 2 — опорный репер; 3 — рабочий репер

При закладке профильной линии на отвалах (рис. 2.7) опорные реперы на верхней площадке располагают на расстоянии от верхней бровки не менее высоты отвала, а в его основании — в 100 метрах от нижней бровки. Расстояние между рабочими реперами принимают равным не более половины ширины одной заходки отсыпки отвала А.

Возможны и другие варианты расположения реперов. Например, при наличии внутренних отвалов реперы по нижней площадке борта не закладывают. Не во всех случаях удается заложить реперы в основании отвалов. Для удобства измерений вертикальных смещений рабочих реперов на промежуточных уступах откоса целесообразно закладывать дополнительные опорные реперы.

По конструкции опорные и рабочие реперы, как правило, не различаются. При сроке службы наблюдательной станции более одного года, в районах с сезонным промерзанием грунта бетонный якорь репера должен быть заложен на 0,4—0,5 м ниже глубины промерзания грунта. Для уменьшения сцепления металлического стержня репера с грунтом его поверхность смазывают вязкими маслами и заворачивают в полиэтиленовую пленку. В грунтах, не подверженных сезонным колебаниям, а также при сроке службы наблюдательной станции менее года используют забивные реперы. В насыпных грунтах отвалов длину забивных реперов увеличивают до 2—2,5 м. В скальных породах реперы бетонируют в специально пробуренных шпурах. Конструкция реперов на рабочих площадках уступов и отвалов должна обеспечивать их сохранность при работе горнотранспортного оборудования.

Перед вынесением в натуру проекта наблюдательной станции от пунктов маркшейдерской опорной сети в данном районе выносят исходные реперы, которые должны находиться от опорных в пределах прямой видимости и за пределами зоны ожидаемых сдвижений земной поверхности. Координаты исходных реперов определяются проложением теодолитных ходов или засечками, высоты — техническим нивелированием. От исходных реперов полярным способом выносят в натуру крайний опорный репер, а от него производят разбивку всех остальных. Высотную отметку опорного репера определяют нивелированием III класса.

На каждой профильной линии для определения смещения реперов производят нивелирование и измерение расстояний между ними. После закладки реперов до начала процесса сдвижения выполняют две серии наблюдений, позволяющие получить исходное их положение. Определяется периодичность последующих наблюдений. В начальный период необходимо произвести оценку скорости деформирования прибортового массива. Для этого делают 3—4 наблюдения с периодичностью 1 месяц. В дальнейшем, если скорость смещения оползня меньше 1 мм в сутки и продолжает уменьшаться, то наблюдения можно производить два раза в год. Если же скорость смещения 1 мм в сутки, то рекомендуется проводить наблюдения ежемесячно. Для определения критических скоростей смещений, предшествующих обрушению или сползанию оползня, период наблюдений уменьшается до недель и даже дней. При скорости более 10 мм в сутки, наблюдения производятся ежедневно. Учитывая трудоемкость измерений и довольно большую их частоту, наблюдения можно выполнять по сокращенной программе (нивелированием реперов, расположенных в пределах вероятной призмы обрушения).

Нивелирование рабочих реперов, контроль положения опорных реперов, который должен выполняться в каждой серии наблюдений с помощью измерения превышений между ними, выполняются по методике нивелирования III класса. При геометрическом нивелировании все рабочие реперы используются в качестве связующих. Тригонометрическое нивелирование применяют для определения смещений реперов, расположенных на соседних уступах.

Измерение расстояний между реперами выполняют стальными компарированными рулетками или светодальномерами по методике полигонометрии 1 разряда.

Камеральная обработка включает проверку и соответствующую обработку полевых журналов, вычисление горизонтальных расстояний между реперами, вычисление горизонтальных и вертикальных смещений, построение векторов полных смещений, вычисление горизонтальных деформаций и относительного сдвига, построение потенциальной поверхности скольжения на разрезе.

Вычисление горизонтальных ξ и вертикальных η смещений реперов, горизонтальных деформаций ε интервалов производят по следующим формулам:

оседания ;

горизонтальные сдвижения ; (2.3)

горизонтальные деформации ,

где Н_о, Н_Т – высотные отметки репера из начальной и данной серии наблюдений;

- расстояние от опорного репера до репера n в данной (текущей) и начальной серии наблюдений;

- горизонтальная проекция расстояния между реперами n и n-1 в данной и начальной серии наблюдений.

По профильной линии строят вертикальный разрез борта карьера (рис. 2.8), на котором показывают начальное положение рабочих реперов. Затем откладывают векторы вертикальных и горизонтальных смещений реперов. При небольших смещениях η и ξ масштаб векторов принимают крупнее, чем масштаб разреза. Если значения величин η и ξ выражены на чертеже в масштабе разреза, то этот масштаб принимают и для построения векторов.

Рис. 2.8 - Схема построения вероятного положения поверхности скольжения по результатам наблюдений:

1 — график относительного сдвига; 2 — график горизонтальных деформаций

Вектор полных смещений b — замыкающая векторов ξ и η. На разрезе для всех реперов строят векторы полных смещений. Значения b измеряют в разрезе или вычисляют по формуле

. (2.4)

Направление векторов полных смещений используют для оценки вероятного положения в прибортовом массиве поверхности скольжения оползня.

Для построения этой поверхности необходимо сначала определить положение точек выхода поверхности скольжения на верхней (точка А) и нижней (точка В) площадках борта карьера.

Положение точки А определяется из измерений, так как она относится к местам максимальных разрывов и уступов, образующихся на поверхности верхней площадки борта. При их отсутствии точку А находят по положению точек с максимальным растяжением или сдвигом пород.

Точка В выбирается на участках максимального сжатия в нижней части оползня.

Для определения положения этих точек вычисляют горизонтальные деформации ε и относительные сдвиги γ_отн участков борта между реперами.

Относительный сдвиг участка поверхности между реперами определяется из выражения

, (2.5)

где т — расстояние между векторами b_i и b_i-1 , измеренное на разрезе по нормали, построенной к одному из векторов.

Значения т и γ_отн. определяют только для верхней площадки борта карьера.

Положение точек максимальных растяжений ε_т (сжатий) и относительных сдвигов может быть определено графически (см. рис. 2.8). Точка А находится посредине между реперами 1 и 2, а точка В — между реперами 7 и 8.

Вычисляют глубину вертикального участка поверхности скольжения.

, (2.6)

где ρ — угол трения; К_m — сцепление в массиве., γ – средний объемный вес породы, т/м³;

Из точки А проводят вертикальную линию, равную H₉₀. От точки с строят криволинейный участок поверхности скольжения, исходя из того, что касательная к криволинейной поверхности скольжения параллельна векторам полных смещений. В данном случае поверхность скольжения представляет собой совокупность отрезков ломаной линии, параллельных векторам полных смещений. Для определения длины этих отрезков к каждому вектору восстанавливают перпендикуляр. Если векторы построены в масштабе разреза, то перпендикуляры проводят через середины этих векторов, если же векторы даны в более крупном, чем разрез масштабе, то — из их основания.

Длины отрезков ломаной линии, соответствующие длинам векторов полных смещений, ограничены биссектрисами углов между перпендикулярами. По границам двух смежных биссектрис получают отрезок ломаной линии скольжения, соответствующий данному вектору. Следовательно, линию скольжения от точки с проводят до точки d параллельно b₂, от точки d до точки е — параллельно b₃ и далее до точки В. Однако при таком построении линия скольжения не попадает в точку В. Тогда описанным выше способом строят линию скольжения, начиная от точки В через точки k, ℓ, m, а в середине массива эти две линии усредняют, проведя линию ℓf. Таким образом, вероятная линия скольжения проходит через точки А, с, d, e, f, ℓ, k, В и является границей в массиве сползающей части прибортового клина.

Положение линии скольжения в прибортовом массиве позволяет определить тип оползня, а оценка скоростей нарастания деформации — прогнозировать развитие оползня с течением времени.

Прогнозную оценку устойчивости откоса и степень опасности развивающихся деформаций чаще всего производят путем сравнения величин наблюдаемых скоростей смещения. Критическими скоростями считаются такие, которые предшествуют разрушению массива. Их величины устанавливаются натурными наблюдениями для конкретных инженерно-геологических условий и типов деформаций откосов. Диапазон полученных по опытным данным критических скоростей смещения прибортового массива изменяется в пределах 1—10 мм/сут. у бортов карьеров и 10—500 мм/сут. у рабочих площадок отвалов; при этом абсолютные величины смещений изменяются от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров.

Признаком прогрессирующего развития разрушения откоса является возрастание скорости смещения, особенно при появлении трещин и заколов на поверхности прибортового массива. Разрушения откоса не представляют опасности при скоростях 1—2 мм/сут. и затухающем характере развития деформаций.

Для прогноза времени обрушения откоса целесообразно проводить упрощенные наблюдения наиболее характерных точек наблюдательной станции (реперов в пределах призмы возможного обрушения). Их организуют обычно в местах появления трещин, уступов, в районах вероятного выхода на верхнюю площадку откоса поверхности скольжения. Чаще всего измеряют полное смещение репера, заложенного на деформирующемся участке, относительно репера, расположенного на относительно неподвижном участке. Для этого применяют две рейки, шарнирно прикрепленные к реперам. Измеряют расстояние ℓ между упорами реек штангенциркулем с точностью ±0,02 мм (рис. 2.9). Рейки могут быть заменены проволокой с грузом, перемещение которого может фиксироваться или относительно индекса, закрепленного на неподвижном репере, или с помощью индикаторов.

Рисунок 2.9 - Схема измерения относительных деформаций: 1 — репер; 2 — штанга; 3 — шарнир; 4 — трещина

Метод геодезических засечек обычно используют для дистанционного измерения смещений отдельных реперов, закладываемых на участках, опасных для нахождения людей в период сдвижения, а также в местах, неудобных для применения профильных линий.

В зависимости от расположения опорных пунктов, используемых приборов и требуемой точности наблюдений, применяют различные виды засечек. При этом реперы закладываются в виде вешек. Конструкция и высота вешек должны обеспечваить хорошую видимость с опорных пунктов.

Фотограмметрические методы наблюдений применяют для съемок обрушений, оползней, осыпей, если смещение отдельных точек за период смежных наблюдений на снимке не менее 0,03—0,05 мм. При этом целесообразно применять наземную стереофотограмметрическую съемку и короткобазисную фотограмметрию; оползни, развивающиеся на больших площадях, могут быть сняты аэрофототопографической съемкой.

Обработка фотограмметрической съемки производится или на универсальных фотограмметрических приборах, или аналитическими методами с использованием ЭВМ. Смещение поверхности оползня определяют по разностям координат отдельных точек из предыдущей и последующей съемок. Поэтому характерные точки на местности до начала наблюдений маркируют. Если это сделать невозможно, то смещение оползня можно оценить по характеристике его топографической поверхности или по построенным профилям поверхности оползня.

Для наблюдений за оползнями можно также использовать фотограмметрическую съемку с определением смещений методом псевдопараллаксов. Способ псевдопараллаксов позволяет выделять по паре снимков, экспонированных в разные время с одной опорной точки, границы участков откоса, смещенных за данный период времени. На участках без смещений наблюдатель воспринимает изображение плоским, а на деформированных участках — в виде рельефа. По характерным маркированным точкам этим способом можно определить вертикальную и горизонтальную (параллельную плоскости съемки) составляющие полного вектора смещения.

Маркшейдерские наблюдения позволяют контролировать приповерхностные деформации прибортовых массивов. Для изучения деформаций внутри оползня могут быть использованы специально пробуренные скважины, обсаженные стальными или полиэтиленовыми трубами. По измерениям искривления ствола скважины производится оценка смещений внутри прибортового массива.

Результаты анализа данных о деформациях бортов используются при корректировке проектных углов откосов и общих углов наклона бортов при реконструкции карьера, при его погашении, а также для принятия оперативных решений при планировании очередности отработки отдельных участков.

2.4. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ, УСТУПОВ И ОТВАЛОВ КАРЬЕРОВ

Обязательным элементом определения параметров откосов карьеров является оценка их устойчивости. Под устойчивостью любого откоса (борта, уступа, отвала) карьера понимается его способность сохранять в течение времени эксплуатации установленные проектом геометрические параметры и форму при воздействии внутренних и внешних сил. К геометрическим параметрам, определяющим устойчивость бортов, уступов и отвалов, относят высоту и угол наклона поверхности откоса. Задача расчета устойчивости заключается в определении оптимального угла наклона откоса при установленной технико-экономическим расчетом его высоте, либо наоборот, в определении высоты откоса при условии, что угол его наклона, например отвала, задается, исходя из технологии формирования откоса. Методы расчета устраняют такие виды нарушений устойчивости как оползни и обрушения.

Из всех известных методов расчета устойчивости откосов наиболее широко применяются инженерные методы, основанные на предельном равновесии прибортового массива по потенциальным поверхностям скольжения, одним из которых является метод расчета однородного борта по круглоцилиндрической поверхности скольжения.

Рис. 2.10. Схема построения потенциальной поверхности скольжения в однородном прибортовом массиве

Названный метод расчета основан на том, что предельно напряженный прибортовой клин ABCDE (рис. 2.10) ограничен в массиве потенциальной поверхностью скольжения, которая делится на три части: вертикальная плоскость отрыва CD, наклонная площадка скольжения ED, отклоняющаяся от вертикали на угол ; круглоцилиндрическая поверхность скольжения АЕ, пересекающая основание откоса под углом ε к его плоскости.

Для построения этой поверхности по характерным участкам борта карьера вкрест его простирания строят детальные инженерно-геологические разрезы, на которых должны быть выделены слои или группы слоев пород с различными показателями сопротивления сдвигу (ρ_i, К_i) и трещиноватости. Исходя из опыта эксплуатации карьеров с аналогичными горно-геологическими условиями, задаются приближенным значением угла наклона борта α_о, под которым строят поверхность откоса AВ. Длалее вычисляют ширину призмы возможного обрушения АС и глубину вертикальной трещины отрыва Н₉₀ по формулам:

, (2.6)

где ρ — угол трения; К_m — сцепление в массиве;

(2.7)

В формулах (2.6), (2.7) в качестве ρ и К принимаются их средние значения по выделенным сдоям. В том случае, когда сцепление пород определялось в образцах, сцепление в массиве K_M определяют по формуле:

, (2.8)

где К – сцепление породы в образце, Па;

а – коэффициент, зависящий от прочности пород и характера трещиноватости;

Н – глубина залегания данного слоя;

W – интенсивность трещиноватости, обратно пропорциональная среднему расстоянию между трещинами.

От точек F и D под углом ε к вертикали проводят линии до пересечения в точке Е. В точке А под углом ε к поверхности откоса проводят касательную к поверхности скольжения. Перпендикуляры ОА и ОЕ к прямой аа и DE — радиусы кругло-цилиндрической поверхности скольжения, а точка О — центр окружности.

После построения потенциальной поверхности скольжения CDEA вычисляют средние весовые характеристики сопротивления сдвигу пород по поверхности скольжения:

(2.9)

где K_i и ρ_i — сцепление и угол внутреннего трения отдельных слоев пород, Па, и угл. градус; l_i — длина линии скольжения по отдельным слоям, м; σ_i — нормальное напряжение в середине каждого слоя, вычисляемое по формуле

(2.10)

где φ_i — средний наклон поверхности скольжения в отдельных слоях, равный наклону касательной к поверхности скольжения в середине слоя, угл. градус;

γ_і – средний объемный вес породы в данном слое, т/м³;

Н – глубина залегания данного слоя.

Влияние погрешностей определения прочностных характеристик пород, методики расчета, влияния динамических нагрузок при массовых взрывах, снижения прочности пород с течением времени учитывают в расчетах посредством введения коэффициента запаса, на величину которого снижают характеристики сопротивления пород сдвигу. С учетом назначения откоса, его срока службы коэффициент запаса n принимают равным от 1,1 до 1,5. Характеристики сопротивления пород сдвигу, уменьшенные на величину коэффициента запаса, называют расчетными. Их можно получить по формулам:

, (2.11)

где К_n и ρ