Структурные особенности массивов скальных пород и их влияние на устойчивость карьерных откосов

Структурные особенности массивов скальных пород и их влияние на устойчивость карьерных откосов

Структурные особенности массивов скальных пород и их влияние на устойчивость карьерных откосов

Дунаев В.А., Серый С.С., ФГУП ВИОГЕМ

Устойчивость карьерных откосов в массивах скальных пород обусловливается главным образом наличием в них поверхностей ослабления (трещин, разрывных нарушений, плоскостей напластования или слоистости, прослоев пород со слабым сопротивлением сдвигу), их ориентировкой относительно друг друга и плоскости откоса.

Массивы скальных пород по виду и характеру проявления геолого-структурных факторов, влияющих на устойчивость откосов, целесообразно разделить на два контрастных структурных типа: неслоистые и слоистые.

Неслоистые массивы представлены, как правило, магматическими породами, в которых на фоновую прототектоническую трещиноватость накладывается собственно тектоническая в виде трещинно-разломных систем линейного или радиально-кольцевого типа, которые создают наиболее опасные плоскости ослабления. В неслоистых массивах по условиям возникновения и форме обрушений (оползней) пород в уступах (бортах) карьеров можно выделить четыре типа структурных обстановок.

Первый тип – квазиоднородный массив с относительно равномерной интенсивной трещиноватостью. Опасной считается интенсивность трещиноватости при размере образованных ею элементарных блоков менее 0,3 м и слабом сцеплении между ними. Такие условия характерны для крупных зон разломов, особенно участков их сочленения. Обрушение карьерных откосов в неслоистом квазиоднородном массиве происходит по круглоцилиндрической поверхности скольжения (рис. 1,а), радиус которой зависит от прочности породы в образце и степени структурного ослабления горного массива. При наличии в массиве системной трещиноватости поверхность скольжения вписывается в плоскости ослабления, созданные трещинами систем, простирающихся вдоль уступа и падающими в сторону выемки (рис. 1,б).

Рис. 1. Основные типы геологоструктурных обстановок, вызывающих деформации откосов карьеров в массивах скальных неслоистых  горных пород

1 – круглоцилиндрическая поверхность скольжения; 2 – плоскость отрыва породного блока; I, II, III – разрывные нарушения (крупные трещины); стрелками показано направление движения породного блока.

Второй тип – поверхность ослабления в массиве (сплошная протяженная трещина или разрывное нарушение) падает в сторону выемки под углом 25-55° и в плане ориентирована вдоль или диагонально к простиранию уступов карьера (рис. 1,в). Сверху она выходит на берму или за контур карьера под рыхлые отложения, перекрывающие скальный массив. При подрезании поверхности ослабления карьерным откосом в том случае, когда угол ее наклона превышает угол трения по этой поверхности, происходит обрушение (оползание) породного блока. Боковые поверхности обрушения ограничиваются обычно трещинами, поперечными к уступам карьера. Граничное значение угла падения поверхности ослабления, равное 25°, достаточно условно. В том случае, если она представлена увлажненным глинистым материалом, скольжение вышележащего породного блока возможно и при меньших значениях этого угла.

Третий тип – две плоскости ослабления, представленные кососекущими относительно уступов карьера трещинами, падают навстречу друг другу, образуя при своем пересечении (сочленении) ребро, наклоненное в сторону выемки. В такой ситуации породный блок клинообразной формы скользит вдоль ребра по лотку (желобу), стенками которого являются указанные плоскости ослабления (рис. 1,г).

Четвертый тип – сочетание разноориентированных сплошных трещин, падающих в сторону выемки. Призма обрушения в данном случае ограничивается полигональной поверхностью скольжения, образованной этими трещинами (рис. 1,д).

Наиболее распространенными и в той или иной мере проявленными на любом достаточно крупном карьере, разрабатывающем неслоистый горный массив, являются деформации откосов, связанные со вторым и особенно третьим типом структурных обстановок.

Слоистые массивы сложены осадочными (вулканогенно-осадочными) и метаморфическими породами. В них также развиты трещины и разрывные нарушения, но главной их особенностью является наличие слоистости и слабых прослоев (в осадочных породах – глинистых, углисто-глинистых, в метаморфических – хлоритовых, серицитовых и талькосодержащих сланцев). Для чехла платформы характерны массивы с субгоризонтальным и пологонаклонным залеганием слоев, а для складчатых областей – массивы, представленные моноклиналью, анти- или синклинальной складкой, ансамблем складок.

Если слоистость пород субгоризонтальна или падает от карьерной выемки, она не участвует в формировании потенциальной поверхности скольжения, а основную роль в этом играют трещины и разрывные нарушения. В этих случаях все рассмотренные выше для неслоистых массивов структурные обстановки, провоцирующие деформации карьерных откосов имеют место и в слоистых массивах. Однако для слоистых массивов более характерны структурные обстановки, обусловленные исключительной или основной ролью в возникновении деформаций карьерных откосов границ раздела слоев и слабых прослоев. Следует выделить 5 главных типов таких обстановок.

Первый тип – субгоризонтальнозалегающая (0¸5°) слоистая толща осадочных пород относительно небольшой прочности со слабым контактом или прослоем пород в основании борта карьера (рис. 2,а). В указанной ситуации возможно формирование в прибортовом массиве клина давления, а затем хрупкое разрушение пород призмы упора с вовлечением в процессе оползания больших (до нескольких десятков миллионов кубометров) объемов пород. Такие деформации обычно начинаются оползнем неустойчивого массива, а завершаются его обрушением. Механизм подобных оползней-обрушений и примеры их проявления на карьерах, разрабатывающих угольные месторождения, изложены в работе Э.Л. Галустьяна [2].

Рис. 2. Основные типы геологоструктурных обстановок, вызывающих деформации откосов карьеров в массивах скальных слоистых

горных пород

1 – слабый контакт или прослой; 2 – разрывное нарушение (крупная трещина); 3 – плоскость отрыва породного блока; 4 – круглоцилиндрическая поверхность скольжения; стрелками показано направление движения породного блока.

Наиболее известные примеры деформаций в описанной ситуации связаны с массивами карбонатных пород (известняков и доломитов). В частности, за время эксплуатации карьеров Донбасса, разрабатывающих флюсово-карбонатное сырье, при пологом (до 10-12°) залегании продуктивной толщи зафиксированы десятки оползней объемом до 0,5-1 млн. м3 [4]. Неоднократно оползни объемом до 0,3 млн. м3 происходили на участке "Западный отрог" карьера Коршуновского ГОКа, сложенном известняками, падающими под углом 15-20° в сторону выемки.

Третий тип – слоистость пород падает в сторону выемки под углом 25-60° и подрезается более крутыми карьерными откосами (рис.2,г). Это самая распространенная при открытой разработке складчато-слоистых горных массивов ситуация, приводящая к обрушениям одного или нескольких уступов.

Четвертый тип – в массиве крутопадающих слоистых пород имеется пологонаклонная плоскость ослабления (разрывное нарушение), причем слоистость и это нарушение падают в карьер, простираясь вдоль его уступов. При подрезании нарушения карьерным откосом породный блок может оторваться от массива по границе раздела слоев и скользить по плоскости разрывного нарушения (рис.2,д).

Пятый тип – массив сложен яснослоистыми породами субвертикального (90 ±5-10°) залегания. Разрушение карьерного откоса в данном случае происходит за счет изгиба, межслоевых подвижек, разворота и опрокидывания слоев осадочных, реже метаморфических пород. Собственно изгиб слоев, т.е. их преимущественно пластическая деформация, наблюдается только в массивах осадочных пород относительно невысокой прочности; в частности, на угольных месторождениях. Например, участок северо-восточного борта разреза "Северный" (Экибастузское месторождение), сложенный слоями с отклонениями от вертикального падения ±5°, неоднократно деформировался при угле наклона 14¸16°, тогда как из расчета прочности пород вкрест наслоения он должен быть устойчивым при угле 60° с нормативной величиной коэффициента запаса устойчивости, равной 1,3 [3]. Слои крепких осадочных и особенно метаморфических пород "изгибаются" по ломаной линии, расчленяясь на плитчатые блоки. Локальные обрушения, вызванные субвертикальным залеганием пластов железистых кварцитов, наблюдаются в карьерах Лебединского (западный борт), Ингулецкого (восточный борт) и Полтавского (западный борт) горно-обогатительных комбинатов.

Следует особо сказать о сложноскладчатых массивах метаморфических пород в фундаменте древних платформ (месторождения железистых кварцитов). Нередко они характеризуются изменчивым залеганием слоистости пород. Обычно эта изменчивость не устанавливается по данным детальной разведки месторождений полезных ископаемых, на основе которых проектируются и отстраиваются борта карьеров, что приводит к локальным подрезаниям слоев пород карьерными откосами и их деформациям. Наиболее распространенные причины изменчивости залегания слоистости пород: осложнение крыльев складок флексурными изгибами и другими пликативными нарушениями высоких порядков, ундуляции (поднятие и погружение шарниров складок). Пликативные осложнения крыльев складок могут вызвать деформации уступов борта карьера, ориентированного по простиранию пород, а ундуляции создают опасную обстановку в торцевых частях карьера.

Первичная структура скального массива любого типа (неслоистого или слоистого) существенно усложняется его гипергенной разгрузкой за счет эрозии лежащей когда-то выше современной дневной поверхности толщи пород и процессами выветривания. При оценке устойчивости карьерных откосов обычно учитывается только верхняя зона дезинтегрированных и выветрелых с существенным преобразованием первичного минерального состава пород, которая фиксируется детальной разведкой месторождения. Нижняя зона, в границах которой гипергенные преобразования в массе горных пород слабо заметны, практически не изучается и не учитывается в расчетах устойчивости массива. Мощность нижней зоны может достигать ста и более метров. При кажущейся свежести и высоких прочностных характеристиках пород средний размер блока в ней меньше, чем в совершенно неизмененном массиве, а по трещинам наблюдаются следы проникновения воды и выщелачивания заполнителя. Все это снижает сцепление по трещинам между породными блоками и в целом устойчивость массива, что фиксируется отсутствием гладкого откола при формировании стационарных уступов карьера в нижней зоне способом предварительного щелеобразования. Указанные явления наблюдались авторами в карьере Ковдорского ГОКа.

Геометрия границ зон интенсивного и слабо проявленного гипергенеза в горном массиве подчиняется литолого-структурному контролю. По крутопадающим разрывным нарушениям и в меньшей степени по телам пород, наиболее склонных к гипергенным изменениям, эти зоны, обычно обводненные, уходят на большую глубину, образуя в неизмененном массиве линейные полосы и клинья, аналогичные по своему влиянию на устойчивость карьерных откосов прослоям слабых пород. Такие полосы и клинья широко распространены на Михайловском месторождении КМА, причем глубина их проникновения в массив железистых кварцитов достигает 400 м.

В заключение следует сказать, что охарактеризованные здесь те или иные опасные с точки зрения устойчивости карьерных откосов геологоструктурные обстановки на каждом эксплуатируемом месторождении, где они могут проявиться, имеют свое конкретное воплощение. Для предотвращения опасных деформаций карьерных откосов необходимо знать структуру разрабатываемого массива в прибортовой зоне карьера. Как правило материалов детальной разведки месторождения для этого явно недостаточно из-за редкой сети скважин по вмещающим полезное ископаемое породам и низкой представительности геолого-структурных данных по керну скважин. Наиболее эффективным способом получения достаточно полной и достоверной информации о структуре массива является детальное геологоструктурное картирование карьерного поля и создание на базе его результатов компьютерной модели структуры массива, позволяющей в оперативном режиме оценивать устойчивость карьерных откосов при различных вариантах их ориентировки и конструкции [1].

Выводы

В неслоистых массивах главным фактором устойчивости карьерных откосов являются трещинно-разломные системы. По условиям возникновения деформаций откосов в них следует различать 4 основных типа структурных обстановок (квазиоднородная среда; трещина, падающая в сторону выемки и в плане ориентированная вдоль карьерного откоса; две кососекущие трещины, падающие навстречу друг другу и образующие желобообразную поверхность скольжения, наклоненную в карьер; сочетание нескольких трещин, следующих вдоль уступов карьера и имеющих разные углы падения).

В слоистых массивах могут иметь место все отмеченные выше структурные обстановки, но главную роль в деформациях откосов играют границы раздела слоев и слабые прослои. Наиболее опасные структурные обстановки при открытой разработке слоистых массивов – субгоризонтальное залегание пород относительно небольшой прочности со слабым контактом или прослоем в основании борта карьера; пологое (10-25°) залегание достаточно прочных, но трещиноватых, пород с прослоями глинистого состава (эта ситуация особо опасна, когда массив за контуром карьера пересекается следующим вдоль него разрывным нарушением); толща пород с падением слоистости в сторону выемки под углом 25-60° подрезается более крутыми откосами (характерная ситуация для складчато-слоистых массивов с пликативными осложнениями крыльев складок и ундуляциями); крутопадающая слоистая толща нарушена пологопадающей трещиной, причем слоистость пород и эта трещина падают в карьер; субвертикальное залегание яснослоистых пород, простирающихся вдоль уступов карьера.

Первичная структура скальных горных массивов существенно усложняется вертикальной гипергенной зональностью. С точки зрения устойчивости карьерных откосов особое внимание следует уделять нижней зоне гипергенеза, наименее изученной при проведении детальной разведки месторождений полезных ископаемых и линейным осложнениям коры выветривания, проникающим на большую глубину в массив неизмененных пород.

Основным способом получения надежных геологоструктурных данных в прибортовой зоне карьера и оценки устойчивости его откосов на предельном контуре является детальное геологоструктурное картирование карьерного поля и создание на его основе компьютерной модели структуры разрабатываемого массива горных пород.

Список литературы

Дунаев В.А., Серый С.С. Методика натурного изучения, геотехнического районирования и моделирования структуры скальных горных массивов в условиях открытой разработки месторождения. – "Горная промышленность", 1999, №1.

Галустьян Э.Л. Крупномасштабные деформации бортов карьеров в слоистых породах. – "Горный журнал", 1990, №5.

Пушкарев В.И. К вопросу напряженно-деформированного состояния и расчета оптимальных параметров откосов в массиве с крутопадающей слоистостью. – "Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых", 1988, №5.

Соболев Е.Г. Исследование причин оползней пород бортов карьеров геофизическими методами. - "Горный журнал", 1986, №11.

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://geomix.ru/