Тип обрушения откоса связан с различными геологическими структурами, которые преобладают на месторождении. Важно, чтобы специалист при проектировании откосов мог распознать потенциальные проблемы устойчивости на ранних стадиях проекта. Помимо физико-механических свойств пород массива, которые влияют на устойчивость откосов уступов, весомым фактором также является трещиноватость массива. В настоящее время для визуализации и дальнейшего анализа систем трещин, закартированных на месторождении, используются стереограммы систем трещин (рис. 1). На стереограмме решеток трещиноватости отмечаются точки (полюса) плоскости трещин с соответствующим им углом и азимутом падения и далее по полученным распределениям полюсов выделяют системы трещин, которые характерны для исследуемого месторождения. Полученным таким образом круговые полярные диаграммы позволяют выявить возможные деформаций откосов уступов. В данной статье описаны виды деформаций, а также даны общие представления о кинематическом анализе устойчивости откосов уступов.
На рис. 1 показаны четыре типа деформаций и соответствующие им диаграммы геологических условий, которые могут привести к таким деформациям.
Обратите внимание, что при оценке устойчивости, плоскость откоса должна быть отражена на стереограмме, поскольку скольжение может происходить только в результате движения к поверхности, созданной в результате выемочных работ.
Необходимость классификации обрушения откосов по типам заключается в том, что для каждого из них используется определенный тип анализа устойчивости и важно, чтобы при проектировании использовался правильный метод анализа. Диаграммы, приведенные на рис. 1, упрощены для понимания. В реальном массиве пород могут присутствовать несколько типов геологических структур, что может привести к дополнительным разрушениям. Важно иметь возможность идентифицировать те, которые представляют потенциальные плоскости разрушения, и исключить те, которые представляют структуры, которые маловероятно будут влиять на обрушение откосов. Маркланд (1972 г.) и Хокинг (1976 г.) разработали методы для определения главных точек распределения полюсов трещин, которые влияют на устойчивость в большей степени.
Данные методы устанавливают условия клиновидного вывала, при котором происходит скольжение по линии пересечения двух плоских трещин, как показано на рис. 1b. Скольжение по одной плоскости, показанное на рис. 1а, также удовлетворяет данному методу, поскольку это частный случай образования клиновидного вывала. Принципиально важно, чтобы наклон плоскости скольжения в случае скольжения по одной плоскости или наклон линии пересечения в случае клиновидного вывала был меньше, чем угол наклона откоса (т. е. ψi < ψf). Если направления падения двух плоскостей лежат вне промежутка между углами αi (азимут падения линии пересечения) и αf (азимут падения откоса), клин будет скользить по обеим плоскостям. Если направление падения одной плоскости (A) лежит в промежутке углами αi и αf, клин будет скользить только по одной плоскости.
После идентификации типа возможной деформации, стереограмму трещиноватости используют для изучения направления, в котором блок будет скользить, и дать представление об условиях его стабильности. Данная процедура известна как кинематический анализ. Анализ стереограммы решетки трещиноватости дает хорошее представление об условиях устойчивости, однако, он не учитывает внешние силы, такие как давление воды или арматуры, которые могут оказывать значительное влияние на устойчивость.
Обычная процедура проектирования заключается в использовании кинематического анализа для выявления потенциально неустойчивых блоков с последующим подробным анализом. Пример кинематического анализа показан на рис. 2, где представлены три системы трещин.
Вероятность того, что данные системы трещин приведут к обрушению, зависит от направления падения относительно откоса.
На рис. 2а потенциально неустойчивый плоский блок образован плоскостью AA, которая падает под менее крутым углом, чем откос уступа (ψA < ψf). Однако скольжение невозможно по плоскости BB, которая падает круче откоса (ψB > ψf). Аналогично, система трещин CC падает в массив, следовательно по этим плоскостям не может происходить скольжение, хотя опрокидывание в выработанное пространство возможно. Полюса, соответствующие плоскости откоса и системы трещин (символ P) нанесены на стереограмму (рис. 2b). Положение этих полюсов по отношению к плоскости откоса показывает, что полюса всех потенциально неустойчивых и прослеживаемых в обнажении откоса плоскостей трещин лежат внутри некоторой области. Данная область используется для быстрой идентификации потенциально нестабильных блоков. Азимут падения систем трещин также будет влиять на устойчивость. Плоское скольжение невозможно, если азимут падения трещины отличается от азимута падения поверхности откоса более чем на 20°. На стереограмме данное ограничение на азимут падения плоскостей показано двумя линиями, которые определяют азимут падения в области: (αf + 20°) и (αf − 20°). Эти две линии определяют боковые границы огибающие область в которой заключены полюса трещин возможных деформаций (рис. 2b).
Кинематический анализ клиновых вывалов (рис. 2b) выполняется аналогично анализу деформаций плоского скольжения. В этом случае полюс линии пересечения двух плоскостей трещин нанесен на стереограмму и скольжение возможно, если положение полюса удовлетворяет условию: ψI < ψf. Направление скольжения кинематически допустимых клиновидных вывалов менее ограничено, по сравнению с плоским скольжением, в связи с тем что две плоскости образуют более широкий диапазон ориентаций поверхностей скольжения. Область потенциальных деформаций для линий пересечения плоскостей клиновидного вывала, как показано на рис. 2b, шире, чем для деформаций плоского скольжения. Область потенциально неустойчивых клиновидных вывалов представляет собой геометрическое место всех полюсов линий пересечения плоскостей трещин, направления падения которых близко к плоскости откоса.
Чтобы опрокидывание произошло, отличие азимута падения падения трещин, падающих в массив, должно быть в пределах 20° от азимута падения откоса и ряд слоев должны быть расположены параллельно забою. Кроме того, падение плоскостей должно быть достаточно крутым, чтобы произошло скольжение между слоями. Если угол трения по контактам слоев ϕj, то скольжение будет происходить только в том случае, если направление сдвигающего напряжения находится под углом большим, чем ϕj по нормали к слою. Направление главного основного напряжения параллельно плоскости откоса (угол падения ψf), следовательно скольжение между слоями и опрокидывание будут происходить на плоскостях с углом падения ψpпри выполнении следующих условий (Goodman and Bray, 1976):
(90° – ψf) + ϕj < ψp
Условия на угол и азимут падения плоскостей, которые могут привести к опрокидыванию слоев, определены на рис. 2b. Область, определяющая ориентацию данных плоскостей, находится на противоположной стороне стереограммы от областей, советующим плоскому и клиновидному вывалам.
Таким образом, зная элементы залегания систем трещин и обладая современными программными пакетами для построения стереограмм трещиноватости и кинематического анализа, основанных на методиках, представленных в данной статье, производится анализ устойчивости уступов карьера, что позволяет специалисту корректно спроектировать откосы уступов карьера с наименьшими рисками развития деформаций.
Основной источник: Duncan C. Wyllie. Rock Slope Engineering. Civil Applications. Fifth Edition
Автор: Коврижных Е.В. – геомеханик, ООО «Сибирский научно-исследовательский институт горного и маркшейдерского дела».
