УДК 622.831
Д.т.н. Цай Б.Н., к.т.н. Бондаренко Т.Т., к.т.н. Айдарова М.А.,.
Самарцев М.Г
Карагандинский
государственный технический университет
Механизм деформирования горного массива в период до разрушения
в районе разведочных линий 41-42 разреза “Богатырь”
При ведении добычных работ происходит изменение естественного
напряженно-деформированного состояния, что в свою очередь приводит к процессам
деформирования и сдвижения с последующим разрушением массива горных пород. При
разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом это относится к
откосам уступов и бортов угольных разрезов и рудных карьеров и связано с
комплексом мер, направленных на оценку степени их устойчивости. В этом случае
важная роль отводится организации и проведению маркшейдерских инструментальных
наблюдений за происходящими деформациями
и сдвижениями участков породного прибортового массива. В зависимости от
динамики развития деформационных процессов появляется возможность принимать оперативные
меры по обеспечению необходимой безопасности ведения горных работ.
При оценке
состояния прибортового массива важную роль играет частота и продолжительность
проводимых инструментальных наблюдений. Очевидно, что чем меньше временной
отрезок между сериями наблюдений и больше этих серий, тем достовернее результаты
таких наблюдений, что в свою очередь скажется
на результатах изучения характера
происходящих в массиве горных пород деформационных процессов.
Для изучения динамики развития процесса сдвижения и
деформирования прибортовых массивов в
период предшествующий их разрушению во времени нами была заложена специальная наблюдательная станция (рисунок
1) на участке угольного разреза «Богатырь» ТОО "Богатырь Аксес Комир"
в районе разведочных линий 41-42 и проведены инструментальные наблюдения.
Актуальность работы вызвана тем, что в районе геологических разрезов 41-42
на горизонте + 95м выявлены деформации прибортового массива в виде трещин и
локального обрушения откоса уступа. В связи с этим стал вопрос о развитии
процесса деформаций в виде оползня с возможным нарушением нормальной работы
железнодорожной станции “Фланговая”. По составленному проекту наблюдательной станции, заложены
репера профильных линий и по ним выполнены инструментальные измерения в полном
соответствии с требованиями «Инструкции…» [1].
Выбор участка для закладки реперов профильных линий обусловлен наличием
произошедшего вывала участка уступа, который из анализа инженерно-геологических условий наиболее предрасположен к
деформациям в виде осыпей, обрушений, оползней или других видов деформаций.
Рисунок
1 – Схема наблюдательной станции на разрезе «Богатырь»
Экибастузский
каменноугольный бассейн в структурном отношении представляет мульду, сложенную
девонскими и каменноугольными отложениями, залегающими на эффективных
образованиях верхнего ордовика и несогласно перекрытые отложениями палеогенового
и четвертичного возрастов. Вмещающие породы бассейна представлены со стороны
кровли пласта 1 аргиллитами, алевролитами и песчаниками, а со стороны почвы пласта
3 - углистыми породами, алевролитами и песчаниками.
Физико-механические свойства пород изменяются в широких пределах. Временное
сопротивление горных пород изменяется от 2.5 до 108.4МПа, а
растяжение – от 0.3 до 14.7МПа.
В качестве
количественной характеристики поведения
прибортового массива была 
принята интенсивность деформаций
, которая характеризует смещения пород за время 
t.
Для определения
поведения массива в районе разведочной линии 41-42 проанализируем результаты
маркшейдерских наблюдений за деформациями, выполненными по разрезам I–I, II–II, III–III, IV–IV и V-V. При этом в качестве количественной характеристики используем интенсивность
деформирования Vо =
/Δt, где - величина горизонтальных смещений за время Δt
(таблица).
Отрицательные значения этого параметра, полученные для массива, могут быть обусловлены
переменной знака касательных напряжений в формуле (2) из-за постоянно меняющегося
во времени напряжённо-деформированного состояния. Учитывая, что τ = 0.5(σ1
– σ3), можно говорить о возможности контракционных процессов
только при σ3(t)
> σ1(t). За счет упругой энергии, запасенной массивом, в нём начинают реализовываться
процессы образования субмикроскопических трещин и их последующего слияния между
собой и с имеющимися в массиве дефектами
в более крупные разрывы сплошности - кластеризация. Процесс разрушения породного массива носит ступенчатый
характер. В результате уплотнения породы происходит накопление упругой энергии,
а затем происходит ее сброс на образование новых поверхностей, приводящий
к дилатансионным процессам. На каждой
ступени первоначально происходит уплотнение породы, приводящее к накоплению
упругой энергии, а затем происходит ее сброс на образование новых поверхностей.
Причем, каждая последующая ступень реализуется на более высоком энергетическом
уровне. Обязательным условием протекания вышеуказанных процессов является
наличие смещений, приводящих к накоплению упругой энергии.
Интерпретация
данных обработки результатов инструментальных наблюдений по реперам профильных
линий наблюдательной станции (таблица) позволяет выделить четыре состояния
массива:
1.В массиве не
происходит заметных деформаций и разрывных процессов
2.Участки массива,
где процессы деформирования чередуются с его разупрочнением за счёт
дезинтеграционных процессов и последующим уплотнением массива, при этом не наблюдается
тенденции увеличения интенсивности деформирования со знаком «+».
3.Массив, в
котором имеют место дилатансионные и контрактационные процессы. При этом для
первых имеет место прогрессирующий характер, что свидетельствует о потенциальной
возможности разрушения пород.
4.В массиве к
окончанию наблюдения отмечаются в основном уплотнительные (контрактационные)
явления.
Результаты маркшейдерско-геодезических измерений, проводимых по профильным
линиям наблюдательных станций, как правило, используются вместе с инженерно-геологическими данными.
Необходимость таких наблюдений обуславливается желанием установить характер и
спрогнозировать развитие во времени и пространстве деформаций породных
обнажений независимо от способа разработки месторождения полезных ископаемых
(откосов и бортов карьеров и разрезов, подземных выработок). Это в свою очередь
дает возможность своевременно и оперативно разработать мероприятия по устранению
причин, вызывающих развитие процесса деформирования с обрушением откосов уступов
и бортов при открытом способе ведения горных работ.
Литература:
1.
Инструкция по наблюдению за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на
карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. Л.:
ВНИМИ,1971.