книги / Сдвижение горных пород.-1

Таким образом, результаты испытаний с длительным нагруже­ нием, в 30—50 раз превышавшим обычное, позволяют утверждать, что существенного снижения прочности песчаника во времени ожи­ дать не следует.

ТРУДЫ ВСЕСОЮЗНОГО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ИНСТИТУТА

ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА (ВНИМИ)

Сб. 89

1973 г.

Канд. геол.-мин. наук А.С. Забродин

Г Р А Ф И Ч Е С К И Й И А Н А Л И Т И Ч Е С К И Й С П О С О Б Ы П О С Т Р О Е Н И Я П Р Е Д Е Л Ь Н О Й О Г И Б А Ю Щ Е Й М О Р А П О М И Н И М А Л Ь Н О М У К О Л И Ч Е С Т В У И С П Ы Т А Н И Й

Предел прочности породы в широком диапазоне напряженных состояний описывается уравнением, предложенным А.Н. Ставрогиным*. Это уравнение является уравнением прямой в полулога­ рифмических координатах и в принятых нами обозначениях может быть представлено в следующем виде:

бсмс	ас	( 1 )
^ тая — 2	6

где'Гтая — максимальные касательные напряжения, равные

_ 6ma»"6mih

^ m a x —

п---------

1

(2)

6 max и 6min— максимальные и минимальные нормальные напря­ жения; бсяс— предел прочности при одноосном сжатии; е — осно­ вание натурального логарифма:

	С=	б min	(3)
		Ôma x
A =tgj3— константа	породы,	характеризующаяугол	наклона ft
предельной прямой	(1) в координатах (lnUma*. С).

Константа А может быть вычислена на основании минимум двух испытаний прочности с разным значением С. Уравнение (1) справедливо для интервала напряженных состояний, ограничен­ ных, с одной стороны,областью разрушения породы путем разрыва и, с другой — путем чистого среза.

Решив совместно уравнения (2) и (3),	имеем:
2 'Отазе	^

1-С

*Ставрогин А.Н. Исследование предельных состояний и деформации горных пород. «Изв. АН СССР. Физика Земли», 1969, № 12.

	1пни	2 'Gmax С		(5)
		1 -	С

Построение огибающей предельных кругов Мора осуществля­ ется следующим образом. Задаются разными значениями С и с помощью уравнения (1) получают соответствующие значения 'Gn>axПо полученным в е л и ч и н а м п о л ь з у я с ь уравнениями (4) и (5),

определяют Ojnax HÔmin Для каждого круга Мора. Затем из точек, отстоящих от начала координат на расстояниях

л	бтах	+ 6min	’	/с,
бд	—'	2		(®)

радиусами ^ таж проводят окружности, представляющие предель­ ные круги Мора. После этого с помощью лекала строят огибаю­ щую.

Используя уравнение (1), можно определить и координаты предельной огибающей. Из рассмотрения схемы двух сближенных кругов Мора (рис. 1) можно заключить, что

cos2d= X max - 1} max	(7)
в." -
где d — угол разрушения, образованный направлением	напряже­

ний 6 max с площадкой разрушения;'Umax Л'таж — максимальные касательные напряжения большего и меньшего кругов; ô0, 6J, — расстояния от центров этих кругов до начала координат.

<з о

Рис. 2

Подставив в уравнение (7) значения соответствующих величин из уравнений (6), (5) и (4), имеем

cos2ot= _____ (Umax—'l'mqy) (1 — Сг) (1 —Ci)

(8)

^ m a x O + ^ î ) (1 — G , ) — ' î ' m a x ( l + C 1) (1 — C 2)

Заменив в	(8) значения	и 'С'тахих выражениями из урав­
нения (1) и	задавшись условием, что С2=С , +0,01, получим

	г	Л(С +	ЛС .		, .	\	i п п о	с* \	,
cos2 =	_______ [е_______ — е			1	(1 — С)		(0,99— С)________			(9)
	eÂ(cto.oi)	( 1 — С)	(1 ,0 1 + С) — eAÏ( l + С)					(0,99— С)

Это выражение, при известной константе А, позволяет определить угол разрушения о(.для каждой точки предельной огибающей, что в свою очередь дает возможность вычислить координаты огибаю­ щей 6 H t для данного значения С.

Из рис. 2 видно, чтоб =60—К, гдеб^б^п+^тал >или с учетом

1 +с

выражения (6) ô0= ^ max -pqr ; К ^ т а х cos2ct. Тогда

ô	—	_ ç	cos2o() ,	(10)
а с учетом уравнения (1)
6	- 6‘3,сеАС(		,1+ 5 cos2oO.	(И)
	L	'	1-С
Вторая координата огибающей
^	='Cmax-sin2ot,			(12)
или с учетом уравнения (1)
-С _ 2 » « e* s in 2 4 .				(13)

Таким образом, определив из выражения (9) угол разрушения <*. для интересующего нас значения С, при известных значениях констант А и 6СЗ(С, можно рассчитать по формулам (11), (13) координаты предельной огибающей.

В связи с тем, что определение константы А в настоящее время может быть произведено только по испытаниям прочности в ста­ вилометре, необходимы поиски функциональной зависимости этой константы от других характеристик породы, определяемых более

простым путем. Нами доказано, что A=f.(-ffC3lt) и A„=f (d0). Из-

ложение первой зависимости не может быть произведено в рам­ ках данной статьи. Что касается второй зависимости, то она ясна из следующего.

При С = 0 уравнение (9) примет вид:

(е0,01А — IV	0.99		. . . .
C0s2*o 1,01е#,0,А —	0^99	’	^14)

где оСр—угол разрушения при одноосном сжатии.													ниже.
	Значения А в зависимости от угла ^.„приведены
о(.0	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29 30	31	32
А	Ю,2	8,8	7,7	6,8	6,0	5,2	4.6	4,1	.3,7	3,3	2,9	2,5	2^ 2,0	1,8	1,5

Для использования угла оСр в качестве константы породы необ­ ходимо разработать методику измерения этого, угла с точностью до 1°.

ТРУДЫ ВСЕСОЮЗНОГО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ИНСТИТУТА

ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА (ВНИМИ)

Сб. 89

1973 г.

Канд. геол.-мин. наук Ю.А. Норватов, канд. геол.-мин. наук Л.Л. Бокий, инж. Е.Н. Шмидт

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ ОЦЕНКЕ УСЛОВИЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГИДРООТВАЛА КОМБИНАТА КМАРУДА

Гидроотвал «Березов лог» намывается из вскрышных пород (суглинков, песков и мелов) Лебединского и Южно-Лебедин- ского карьеров КМА. Общая высота его в настоящее время со­ ставляет 45 м. Периферийная часть гидроотвала, в том числе дам­ ба, перекрывающая лог Березовый, намывается из мелкозернистых песков, центральная часть — из глинисто-меловых пород, на по­ верхности которых располагается пруд-отстойник.

В настоящее время решается вопрос об обеспечении устойчи­ вости этого уникального для своего класса сооружения, высота которого в ближайшие годы достигнет 70—80 м ..

Одним из важнейших аспектов исследований устойчивости гидроотвала является изучение гидрогеологических факторов, влияющих на общую устойчивость гидроотвала и определяющих фильтрационные деформации откосов дамбы. В связи с этим в течение летних полевых периодов 1970— 1971 гг. на гидроотвале был проведен комплекс работ, в результате которых получены ма­ териалы, позволившие выбрать и обосновать оптимальные меро­ приятия по борьбе с фильтрационными деформациями откосов гидроотвала и сделать вывод о влиянии гидроотвала на режим подземных вод прилежащей территории.

Комплекс полевых работ включал: гидрогеологическую съем­ ку гидроотвала (определение расходов высачивания в основании дамбы, замеры уровней по наблюдательным пьезометрам и на­ блюдения за закономерностями изменения уровней в период намывов, замеры параметров языков оплывания), опытные работы по определению испарения с водной поверхности гидроотвала, про­ ницаемости намываемых пород и пород естественного основания.

Замеры расходов высачивания на различных участках осно­ вания дамбы гидроотвала, которые увязывались с режимом и

технологией намыва (количеством и положением сбросов пульпы, их расположением относительно друг друга и удалением от осно­ вания дамбы), показали, что величины расхода колеблются от 250 до 700 мь1час. Удельный расход на откос нижнего уступа из­ меняется от 0,07 до 0,4 мг!час на 1 пог.м; максимальные удельные расходы наблюдаются на участках, где в момент замеров происхо­ дит намыв и где расстояние от фронта намыва до промежутка высачивания (порядка 80 м) и высота дамбы (около 15 м) — наименьшие.

При максимальных расходах (до 0,4 м3/час) в основании дамбы гидроотвала формируются языки оплывания длиной до 60—70 м. На некоторых участках оплывание с обрушением пес­ ков захватило два нижних уступа дамбы. Наиболее интенсивно этот процесс развивается в период намыва на данном участке, когда депрессионная кривая занимает наивысшее положение при существующей высоте дамбы и начинается высачиваниё на про­ межуточной берме. Электромоделирование этого процесса на бу­ мажной плановой модели* позволило получить положение депрессионной кривой в откосе в период намыва на нескольких участ­ ках дамбы, характеризующихся различными параметрами откоса и удалением точки сброса пульпы от бровки верхнего уступа (рис. I).

Для оценки величины и характера потерь воды на фильтрацию из гидроотвала производились .определения фильтрационных свойств пород, слагающих гидроотвал и его основание.

Проницаемость песков гидроотвала определялась по величине расходов высачивания в основании дамбы — при уровнях, фик­ сируемых по пьезометрам в момент наблюдений. Коэффициент фильтрации песков в среднем составляет 10 м/сут.

Для определения проницаемости мелов, залегающих на некото­ рых участках непосредственно в основании гидроотвала, была проведена серия наливов в шурфы, при различной их глубине. В результате проведенных работ выяснено, что проницаемость мелов изменяется по глубине и с течением времени. В процессе опытов наблюдалось явление образования «корки» набухших ме­ лов на поверхности дна шурфа, малая проницаемость которой и определяла уменьшение коэффициента фильтрации мелов с тече­ нием времени. В верхней части толщи мелов залегает слой выветрелых заглинизированных мелов (до 1 м), характеризующийся коэффициентом фильтрации порядка десятых долей м1сут. С глу­ биной трещиноватость мелов увеличивается и коэффициент филь­ трации их возрастает до 68 м[сут.

Для определения коэффициента фильтрации суглинков, яв­ ляющихся-естественным основанием гидроотвала, были проведены длительные (5—7 суток) наблюдения за снижением уровней воды

* Электромоделирование выполнялось инж. О.А. Кожуховой.

Рис. 1. Положение уровней подземных вод					в теле	гвдроотвала:
а — профиль	1—1;	б — профиль 2—2;		в — схема плановой	модели	по	разрезу		2—2;	г —
профиль 3—3	= .х — х— фактические уровни в теле гвдроотвала (по					замерам		в	пьезомет­
рах, намыва	н е т ) ;	------ --------уровни		в теле гвдроотвала при сбросе пульпы				вблизи		верх­
ней бровки отксэса (по результатам				моделирования) ; - г ------	уровни	в	теле	гвдроотвала,
вычисленные	по' формуле Дюпюи		при положении контура питания			на	границе		верхнего
		прудка;	v	— отметка верхнего прудка

(с учетом испарения) в зумпфе, площадью 100 ж2. Величина коэф­ фициента фильтрации получилась равной 0,05 м1сут. Отметим, что проницаемость суглинков и меловых пород в естественном залегании существенно отличается от проницаемости этих пород, пригруженных гидроотвалом (см. ниже).

Фактические потери оборотной воды в системе гидромеханиза­ ции (включая гидроотвал) составляют в среднем 4000 м31час. Непосредственно на гидроотвале суммарные потери воды склады­ ваются из потерь на испарение, инфильтрацию через относительно проницаемое основание и фильтрацию через дамбу. Проведенная

дифференциация общих потерь дала следующие результаты:							по­
а)	опыты по определению величины испарения с водной
верхности		гидроотвала показали, что она		колеблется	от	5	до
8 мм)сут		(для летних месяцев) и в среднём составляет			7 мм1сут.
Следовательно, с площади верхнего прудка				(2,3 X Ю6	ж2)	испа­
ряется в среднем 500—800 ж3			воды в час;
б) суммарные потери воды из верхнего прудка на фильтрацию
через	основание и дамбу		гидроотвала,	составляющие		1400—

1700 м31час, были определены по снижению уровня в прудке в зимний период (с 23.XII.69 г. по 18.111.70 г.), когда намыв отсут­ ствовал. Аналогичные наблюдения в зимний период 1971 г. пока­ зали, что величина потерь практически не увеличивается, несмот­ ря на увеличение высоты гидроотвала, что, очевидно, объясняется увеличением общей мощности намываемых глинистых слоев, про­ порциональной росту действующих напоров. Учитывая, что через

дамбу фильтруется	расход 200 м3!час (при отсутствии намыва),
па инфильтрацию	через основание гидроотвала непосредственно

в медовые породы приходится 1200— 1500 м31час:

в) часть воды (из общих потерь 4000 м31час) идет на насы­ щение пород, инфильтрацию и испарение в нижнем прудке и в забоях гидромониторов, что в сумме составляет 1600— 1900 м31час.

Инфильтрационные потери из гидроотвала, естественно, вы­ зывают подъем уровней сеноман-альбского водоносного горизон­ та в основании гидроотвала. Анализ данных наблюдений, по име­ ющимся немногочисленным режимным скважинам вблизи гидро­ отвала и одной скважине (№ 19) на дамбе, показывает, что в на­ стоящее время уровень в меловых породах на северном участке дамбы находится ниже подошвы гидроотвала на 16 ж (скв. 19), а на участке нижнего прудка (в нижнем бьефе— скв. 20) и вбли­

зи южного торца	дамбы — соответственно, на 12 и 44 ж ниже
земной поверхности	(рис. 2).

Для получения более полной картины распределения уровней в основании гидроотвала и установления характера влияния его на режим сеноман-альбского горизонта было проведено электро­ моделирование инфильтрации по. площади гидроотвала. При мо­ делировании проводимость (Km) сеноман-альбского водонос­ ного горизонта принималась равной 500 м2/сут, а расходы ин­ фильтрации — 1200 и 1500 м31час.

Задача решалась в трех вариантах, отличающихся характе­ ром распределения инфильтрации по площади гидроотвала (рав­ номерно распределенная, приуроченная только к полосе меловых пород в основании гидроотвала и неравндмерно распределенная). Последний из вариантов дал результаты, наиболее близко отве­ чающие фактическим наблюдениям за уровнями в сеноман-альб- ском горизонте по имеющимся пьезометрам. Решение задачи осуществлялось на комбинированной модели: в бумажную мо­ дель сеноман-альбского водоносного горизонта по площади гид­ роотвала была «врезана» сетка активных сопротивлений, вели­ чина которых определялась исходя из сопротивления квадрата

бумаги р, т. е.	масштаба сопротивлений	^ -	Расход
инфильтрации	(1500 м3/час) задавался	в каждую узловую точку

сеточной модели в виде силы тока, которая регулировалась до­ полнительными сопротивлениями R3. Задача решалась подбором: перераспределение расходов инфильтрации осуществлялось изме­ нением сопротивлений Rj до тех пор, пока уровни в точках рас­ положения наблюдательных скважин (ЗЗп, 35п, 19, 2026п) на мо­ дели не стали близкими к фактическим (см. рис. 2). По резуль­ татам моделирования построена карта гидроизогипс (рис. 2), на которой наблюдается повышение уровней под гидроотвалом; последние на 10— 12 м превышают уровни .на режимных кар­ тах гидроизогипс, построенных формально по наблюдательным скважинам без учета инфильтрации из гидроотвала. Отметим, однако, что зафиксированное повышение уровней сеноман-альб­ ского горизонта не является опасным с точки зрения снижения общей его устойчивости. В дальнейшем нет основания ожидать повышения уровней в меловых породах в нижнем бьефе, так как уже сейчас большая часть площади выхода наиболее проницае­ мых меловых пород находится непосредственно под гидроотйалом. Кроме того, фактические наблюдения по пьезометру (№20), расположенному в нижнем бьефе, свидетельствуют о постепенном снижении уровней сеноман-альбского горизонта, что объясняется дренирующим влиянием системы осушения Южно-Лебединского карьера.

Если оценить проницаемость суглинков основания гидроот-

вала по	формуле: К =	Q 5л , где Qjj, — расход инфильтрации в
пределах	блока модели,	F 3
		соответствующий подобранной силе тока,

F — площадь блока, a J — градиент фильтрации, то средний коэф­ фициент фильтрации суглинков получится равным 0,002 м1сут (значительно ниже, чем в естественном состоянии). Очевидно, суглинки по мере увеличения высоты гидроотвала уплотняются и их проницаемость снижается.

* Жернов И.Е., Шестаков В.М. Моделирование фильтрации подзем­ ных вод. «Недра», 1971.

.Q M W

1 — гнцроизогипсы,

Рис,

2. Результаты

моделирования

инфильтрации из гвдроотвала «Березов лог»:

на

модели в

полученные на модели

в

предположении, что

инфильтрация отсутствует;

2 — гидроизогипсы,

полученные

предположении, что инфильтрация неравномерно распределена на

площади гвдроотвала; 3 — карта кзогнпс, построенная по

данным

режимных

наблюдений;

4 — в

знаменателе — номер наблюдательной станции,

в

числителе — фактическое положение

уровня на

1.1.1970

г,

в

скобках —

уровень по

результатам

моделирования

при

неравномерно

распределенной

инфильтрации;

5 — выход

меловых

пород

под

гидроотвал;

6 — контур гидроотвала на

1.1.1970 г.