ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2014, № 6, с. 553-559
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 504.064.2
ПРОГНОЗ И КОНТРОЛЬ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ
И СТРОИТЕЛЬНОЙ ПРАКТИКЕ
© 2014 г. А. М. Гальперин, В. В. Ческидов, Ю. В. Бородина, А. В. Демидов
Московский государственный горный университет, Ленинский проспект, д. 6, Москва, 119991 Россия. E-mail: galperin_a@mail.ru
Поступила в редакцию 12.03.2014 г.
Освещаются вопросы оценки деформируемости и прочности глинистых горных пород на примере объектов Курской магнитной аномалии (КМА) и района строительства олимпийских объектов близ г. Сочи. Рассмотрены возможности применения дистанционного контроля геомеханических процессов при ведении горных и строительных работ, в том числе с использованием аэро- и кос-мосъемки и GPS-технологий.
Ключевые слова: горные работы, геомеханические процессы, массивы горных пород, связные (глинистые) грунты, дистанционный контроль.
За последние десятилетия в горной геомеханике получило существенное развитие изучение процессов изменения во времени напряженно-деформированного состояния горных пород. Важность этих исследований обусловливается непрерывным ростом глубины и объемов горных работ.
Горные породы и их толщи (массивы) - среда и материал для возведения горнотехнических сооружений. Применительно к рассматриваемому ниже кругу задач целесообразно подразделить горные породы на следующие 3 основные класса: глинистые (связные), раздельнозернистые и твердые [7].
Изучению реологических свойств глинистых пород посвящены работы Н.А. Цытовича, С.С. Вялова, М.Н. Гольдштейна, Н.Н. Маслова, Г.И. Тер-Степаняна, С.Р. Месчана, Г.Л. Фисенко, Ю.К. Зарецкого, З.Г. Тер-Мартиросяна, ТанТьонг Ки, Л. Шукле, А. Скемтона и др. [1, 2, 8].
Ползучесть горных пород рассматривалась этими исследователями с позиций механики сплошных сред. Подход к породе как к квазиоднофазной системе с использованием классической теории ползучести допустим при выполнении условия о независимости характера изменения напряженно-деформированного состояния от геометрических размеров (образцов или зон в пределах массива).
Для многофазных глинистых пород процесс деформирования определяется физико-механическими свойствами отдельных фаз и их взаимодействием. В этом случае интенсивность изменения соотношения фаз в единице объема зависит от геометрических размеров деформируемой области. Виды уравнений состояния определяются для каждой фазы отдельно (в условиях их невзаимодействия). Расчетные модели многофазных глинистых пород реализуются в решениях задач консолидации грунтов (К. Терцаги, Н.М. Герсева-нов, В.А. Флорин, Н.А. Цытович, Д.Е. Польшин, В.Г. Короткин, М.Н. Гольдштейн, Н.Н. Веригин, Ю.К. Зарецкий, А.И. Ксенофонтов, З.Г. Тер-Мар-тиросян, М. Био, Н. Карилло, Р. Гибсон, Д. Тейлор, М.В. Малышев, М.Ю. Абелев и др.).
Исследования устойчивости бортов карьеров с учетом фактора времени проводились Г.Л. Фисенко, В.И. Веселковым, А.М. Мочаловым, Н.Н. Ку-ваевым, А.Н. Могилко и др. Фактор времени учитывается при оценке устойчивости и уплотнения пород бортовых и отвальных массивов с помощью решений задач структурной механики грунтов, фильтрационной консолидации и теории наследственной ползучести. Использование указанных теоретических решений позволяет осуществлять геомеханическое обоснование порядка выполнения вскрышных и отвальных работ. Постулат о нестационарности протекающих в массивах
горных пород механических процессов - общий для всех методов прогноза состояния карьерных откосов во времени.
Разработанными под руководством В.В. Ржевского научными основами управления карьерными откосами предусматривается гибкое реагирование на изменение состояния массивов пород. Усовершенствование методов прогноза нестационарных геомеханических процессов на карьерах позволяет, на основании масштаба и характера изменений прочности бортовых и отвальных массивов во времени, регламентировать инженерные мероприятия по управлению состоянием пород [1, 2].
К группе пород, характеризующихся высокой степенью ползучести и пластичности, Г.Л. Фи-сенко относит все горные породы, содержащие глинистые минералы, каменные и калийные соли, а также все другие породы в массиве, имеющие кососекущую трещиноватость [8].
На кафедре геологии Московского государственного горного университета изучали деформируемость и прочность (сопротивление сдвигу) горных пород во времени для глинистых пород бортовых массивов карьеров КМА, техногенных отложений различных горнопромышленных регионов и пород потенциально оползневых склонов по трассе комбинированной (автомобильной и железной) дороги до олимпийских объектов горного кластера близ Красной Поляны.
Согласно современным представлениям, деформацию глинистой породы целесообразно рассматривать как следствие изменения структуры, т.е. одновременного развития дефектов и переориентации минеральных частиц, что подтверждается экспериментальными исследованиями. Таким образом, индикатором напряженно-деформированного состояния можно считать структуру породы и ее перестройку. С учетом необходимости определения критических (разрушающих) деформаций пород бортовых массивов целесообразно использовать закономерности деформирования, описывающие все три стадии процесса ползучести.
Физические основы структурно-механического подхода сформулированы С.С. Вяловым и сводятся к следующим положениям [4]. Процесс образования дефектов рассматривался как случайный (стохастический) по схеме мгновенных повреждений, причем изменение (активация) необходимой для смещения частиц энергии предполагается пропорциональным вероятности повреждения. Согласно кинетической теории прочности и ползу-
чести, деформирование и разрушение горных пород связываются с преодолением минеральными частицами и их агрегатами энергетического барьера и переходом в новое положение равновесия под воздействием активирующей эти частицы силы.
Зависимость для определения скорости ползучести и при использовании предложенных Ю.К. Зарецким реологических уравнений состояния принимает следующий вид [4]:
5т г'
Тт,
1
ho
exp
t 8
(1)
где ho = const = exp J - начальная вязкость,
зависящая от начальной структуры, плотности, влажности и температуры 6; и0* - начальная энергия активации; k - постоянная Больцмана; 8 - безразмерный параметр; ТТ - параметр, имею-
x - x
щий размерность времени;
Xo - x
x - уровень
напряжений; т, т„, т0 - соответственно текущее, длительное и условно-мгновенное значения сопротивления сдвигу; г - время начала деформирования.
Из формулы (1) получаем зависимость для расчета деформаций сдвига в виде
г
и (г) = и 0 + а у ехр(хг) г Ж, (2)
0
где и0 - начальная деформация; х = —; а = т/^0.
Тт
Универсальность выражения (2) подтверждается тем, что оно обобщается на случай сложного напряженного состояния, а также при соответствующем подборе параметров переходит в известные эмпирические уравнения, поэтому это уравнение можно рассматривать в качестве закономерности деформирования как для глинистых, так и для твердых пород.
С учетом предложенного Ю.К. Зарецким и С.С. Вяловым выражения для описания процесса трещинообразования уравнение длительной прочности принимает вид [4]:
x = xo - (xo - xm)■
tp
T +1
* p 1 p
(3)
где гр - момент разрушения породы; Тр - параметр, имеющий размерность времени.
x
Для определения параметров ползучести горных пород (^р, % , 8) или скоростей деформации следует использовать равенства, вытекающие из уравнений (1) и (3):
и т Т
г т
т-8 %
т
а2 IР
_т_
■п р:
(4)
где гт - момент начала пластического течения; гр -момент разрушения; а1, 8, а2 - параметры сдвиговой ползучести; ит - скорость установившейся
ползучести; ир - скорость разрушения.
Структурно-механические уравнения ползучести и длительной прочности можно использовать для описания процессов сдвиговой ползучести в отвальных массивах и их основаниях, сложенных глинистыми и мерзлыми породами.
Для определения параметров длительной прочности (сдвиговой ползучести) выполнялись обратные оползневые расчеты по материалам выполненной институтом ВИОГЕМ паспортизации оползней карьера Михайловского ГОКа КМА [9], а также (для девонских глин) длительных трехосных испытаний в стабилометрах УСВ-2.
В таблице даны характеристики длительной прочности и сдвиговой ползучести вскрышных пород бортового массива Михайловского ГОКа КМА, на рис. 1 - графики зависимостей критических (разрушающих) скоростей деформаций от сдвигающих (т) и нормальных напряжений аш. Эти графики являются основой для кон-
троля по деформациям состояния бортовых массивов карьеров КМА. Для отвальных насыпей, дамб гидроотвалов и хвостохранилищ эффективный контроль за состоянием откосных сооружений осуществляется путем комплексного зондирования приоткосных зон и с использованием стационарных датчиков-пьезодинамометров, заложенных по расчетным профилям в теле и основании дамбы на различных этапах формирования намывного массива.
В МГГУ разработана программа оперативного определения коэффициента запаса устойчивости ^ в зависимости от измеренного пьезодинамомет-рами давления воды, приведенного к вероятным поверхностям скольжения. Расчет устойчивости выполняется методами алгебраического суммирования и многоугольника сил. Определение текущего коэффициента запаса устойчивости проводится в зависимости от площади эпюры давления воды, определяемой путем снятия замеров величин Рк или Нк по вероятной поверхности скольжения.
Цель комплекса исследований МГГУ, выполненных применительно к откосным сооружениям в окрестности вокзала "Альпика - Сервис", -установление прочностных характеристик (сопротивления сдвигу) глинистых сланцев, подстилающих толщу раздельно-обломочных отложений при различном положении депрессионной кривой. Установлено, что физико-механические параметры глинистых сланцев в среднем составля-
Характеристики длительной прочности и сдвиговой ползучести пород бортового массива
Возраст пород Мощность слоя Краткое описание пород С , т/м3 % Д, т/м3 с кг/см2 с кг/см2 Ф, град Тр, лет кг сут см 2 мм 8
Q 15 Суглинок лес
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.