СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ, ОТВАЛОВ И СООРУЖЕНИЙ ИЗ МЁРЗЛЫХ ПОРОД
METHOD FOR DETERMINING THE STABILITY OF OPEN PIT SIDES, DUMPS AND CONSTRUCTIONS FROM PERMAFROST

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для контроля устойчивости бортов карьеров, отвалов и различных насыпных сооружений из мерзлых пород, например, дамб.
Известно, что контроль состояния насыпных сооружений, особенно в гидротехнике является очень важной задачей. Фиксация изменений, происходящих внутри массивов позволяет предотвратить их разрушение и другие негативные последствия.
Известен «Способ мониторинга безопасности грунтовых плотин» (RU 2393290, Опубликовано: 27.06.2010 Бюл. №18), который включает установку базовых свай и регистрацию смещений грунта. Для этого между сваями натягивают трос и заключают его в хрупкую известково-цементную облицовку-шлейф, тесно связанную с поверхностью грунта откоса плотины. Регистрацию смещений грунта проводят по изменению длины троса с помощью светозвуковой сигнализации, причем место смещений грунта устанавливают по трещинам, возникающим на облицовке. Изобретение позволяет вести непрерывный мониторинг безопасности грунтовых плотин откосов карьеров.
Недостатком данного способа является, то что он регистрирует уже произошедшие изменения, когда процессы, происходящие в теле насыпного сооружения, привели к изменению его геометрии.
Известен так же «Способ контроля устойчивости бортов карьера» (SU 1209858, опубликовано 07.02.1986 г., Бюл. №5), при котором в крест простирания борта устанавливают рабочие репера. При помощи светодальномера и теодолита определяют смещения рабочих реперов относительно опорного репера, который привязывают к геодезической сети. По ним определяют деформации борта карьера. Лабораторными испытаниями образцов горных пород, слагающих борт карьера, определяют критические деформации. Деформации борта карьера сравнивают с заданными критическими деформациями. Одновременно специальным акселерометром измеряют ускорения деформаций, определяют знаки ускорений. Сопоставляют знаки ускорений с величиной деформации борта. При этом, если деформации превысили или сравнялись с критическими, а ускорение положительно, то борт пришел в неустойчивое состояние, грозящее разрушением. В противном случае борт устойчив.
Данный способ прост и универсален для любых объектов, но в случае если для создания насыпного сооружения используются мерзлые породы он не пригоден, так как с изменениями температуры внутри массива меняются свойства пород, а, следовательно, устойчивость сооружения или борта карьера. (Цитович Н.А., Механика мерзлых грунтов, Учебное пособие, М. Высшая школа, 1973 г., стр. 161-168).
Кроме того, он позволяет фиксировать изменения происходящие в массиве сооружения только после того, как они достигли его поверхности и процесс разрушения уже начался. Даже если процесс разрушения массива обнаружен в самом его начале, не всегда удается избежать обрушений бортов карьера или полного разрушения насыпей. Особенно это опасно в случае гидротехнических сооружений.
Для случая использования для строительства насыпных сооружений мерзлых пород или на карьерах, расположенных в северных районах применим «Метод обследования состояния геомассивов, например, склонов и откосов, подверженных оползневым явлениям» (RU 2130527, опубликовано: 20.05.1999). Сущность данного способа заключается в зондировании массивов горных пород на заданных глубинах, определении прочности, порового давления и однородности инженерно-геологических элементов, в том числе ослабленных зон, с последующим выбором поверхности скольжения и расчетом коэффициента запаса устойчивости, при этом обследование массива проводят циклами, для каждого цикла дополнительно измеряют температуру обследуемого массива, по результатам измерений циклов выполняют построение геополей, используя принцип суперпозиции, определяют поверхности скольжения и рассчитывают статистические оценки прочности, порового давления однородности и температуры.
Учет температуры внутренних зон сооружения позволяет более точно определять состояние наблюдаемого массива и прогнозировать возможные изменения его устойчивости. Данное техническое решение рассматривается авторами в качестве аналога.
Недостатками данного технического решения является необходимость регулярных обследований и связанные с этим большие объемы буровых работ, испытаний отобранных образцов и расчетов, что весьма затратно. Кроме того, регулярные обследования не гарантируют, что происходящие в массиве процессы будут обнаружены вовремя и не приведут к возникновению аварийной ситуации.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является метод гидрогеомеханического обеспечения формирования отвальных сооружений из водонасыщенных пород («Гидрогеомеханическое обеспечение формирования отвальных сооружений из водонасыщенных пород», И.В. Пелагеин, аспирант кафедры геологии МГГУ, журнал «Горная промышленность», №1 (95) 2011, стр. 58).
Согласно данному методу состояние откосных сооружений непрерывно контролируется комплексным зондированием при откосных зонах и данными стационарных датчиков-пьезодинамометров, заложенных по расчетным профилям в теле и основании дамбы на различных этапах формирования массива (сооружения). Текущий коэффициент запаса устойчивости дамб определяют в зависимости от площади эпюры давления воды путем снятия с пьезодинамометров показаний, приводимых к вероятной поверхности скольжения. Данное техническое решение рассматривается авторами в качестве прототипа.
Данный метод позволяет постоянно отслеживать изменения состояния насыпного сооружения в зонах наиболее вероятного развития обрушения, что позволяет оперативно принимать решения относительно его эксплуатации, например, повышении высоты отсыпаемой дамбы.
Недостатком данного метода является невозможность его использования в условиях вечной мерзлоты или при отсыпке сооружений или отвалов из мерзлых пород, так как в данном случае поровое давление воды отсутствует.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности оценки устойчивости насыпных сооружений, бортов карьеров и отвалов из мерзлых пород, прогнозировании изменения их состояния и долговечности.
Технический результат достигается за счет того, что после формирования борта карьера, отсыпки отвала или другого сооружения из мерзлых пород производят разбивку наблюдаемого объекта на блоки, расчет его устойчивости с определением зоны возможного обрушения, отбор образцов слагающих объект наблюдения горных пород и их лабораторные испытания, наблюдение за изменениями свойств этих пород в местах наиболее вероятного обрушения при помощи датчиков и сравнением их с заданными критическими величинами определенными по результатам испытаний, так же проводят непрерывные измерения температуры горных пород внутри объекта наблюдения в тех же точках где производился отбор образцов для испытаний и осуществляют расчет текущего коэффициента запаса устойчивости с учетом изменения свойств горных пород слагающих наблюдаемый объект в зависимости от их температуры на основании данных полученных ранее в ходе лабораторных испытаний данных образцов.
Кроме того, наблюдения за изменениями их свойств производят в нескольких точках зоны возможного обрушения одного сечения для каждого блока, выше, ниже и на уровне вероятной поверхности скольжения, с последующим их усреднением, а решение об устойчивости объекта принимают на основании динамики изменения получаемых данных.
Осуществление предлагаемого способа показано на Фиг. 1 и Фиг. 2.
После формирования борта карьера в условиях вечной мерзлоты, отсыпки отвала или другого насыпного сооружения, например, дамбы, из мерзлых пород 1 производят теоретический расчет зоны наиболее вероятного обрушения 2. Определение ее границ может быть осуществлено различными способами, например, методом касательных напряжений (метод Г.Л. Фисенко).
Для каждого из блоков 3 по которым производился расчет строят разрез и определяют места установки датчиков 4. В данных местах осуществляют отбор проб и их последующие лабораторные испытания.
в
Отбор проб производят путем колонкового бурения с целью получения максимально представительного материала. Попутно уточняется положение поверхности скольжения 5. Кроме того на основании проведенных испытаний отобранных образцов строятся графики зависимости между высотой плоского откоса и его углом, а так же графики определения ширины призмы возможного обрушения (по ВНИМИ) (A.M. Гальперин, "Геомеханика открытых горных работ", М, издательство Московского государственного горного университета, 2003 г., стр. 183-184) позволяющие определить безопасные параметры откосов и насыпей в зависимости от утла внутреннего трения ϕ, который для мерзлых пород напрямую зависит от температуры (Цитович Н.А., Механика мерзлых грунтов, учебное пособие, М, "Высшая школа", 1973 стр. 161-168, 177-185).
Для того чтобы повысить достоверность измерений датчики устанавливают группами не меньше 3-х штук, выше, ниже и на расчетном профиле поверхности скольжения 5. Каждую группу датчиков соединяют со станцией сбора и передачи информации 6. Станции могут быть связаны с центрами обработки и хранения информации (не показаны) как по проводной, так и по беспроводным каналам связи.
Так как наблюдение за состоянием породного массива ведется непрерывно, то получаемые данные дают не только возможность сравнения фактических и полученных при отборе образцов данных о состоянии горных пород, но и отражают динамику изменения их свойств, что позволяет строить прогнозы относительно прогнозировании изменения их состояния и долговечности. Так же возможно использование полученных данных для их реконструкции (увеличении высоты сооружения или изменении углов его откоса) или принятия решений при возникновении аварийных ситуаций.
Возможность осуществление предлагаемого способа подтверждается экспериментальными исследованиями свойств различных горных пород в мерзлом и не мерзлом состоянии.
в
Так, например, свойства покровной глины при различных температурах приведены в работе Цитович Н.А., Механика мерзлых грунтов, учебное пособие, М, "Высшая школа", стр. 163, таб. 17. Так при ее рассмотрении видно, что при прочих равных условиях угол внутреннего трения ϕ растет при уменьшении температуры.
в
в
Так же в работе Вялов С.С. Реология мерзлых грунтов / Под редакцией В.Н. Разбегина. М.; Стройиздат 2000, Стр. 415, указано, что для мерзлой супеси при t - 10 С° величина угла ϕ составила 40,5°, а для того же грунта в талом состоянии, значение ϕ примерно равно 30°.
в
Используя графики зависимости параметров борта карьера, отвала или другого насыпного сооружения от значения угла ϕ при заданном значении коэффициента запаса устойчивости можно предсказать возникновении аварийной ситуации и принять меры к ее недопущению. Примером таких графиков является график зависимости между высотой плоского откоса 7 и его углом 8 для различных значений расчетных характеристик (по ВНИМИ) приведенный в работе A.M. Гальперин, "Геомеханика открытых горных работ", М, издательство Московского государственного горного университета, 2003 г., стр. 183 (Фиг. 3)
Из анализа данного графика очевидно, что безопасная высота сооружения при одинаковых углах его откоса, но разной температуре слагающих его горных пород будет различна. Сопоставляя данные лабораторных испытаний образцов горных пород полученных перед установкой датчиков с их показаниями, можно вести расчет текущего коэффициента запаса устойчивости в режиме реального времени и принять решение об изменении параметров сооружения или иных мер предотвращения аварийной ситуации.
Таким образом, все признаки, характеризующие предлагаемый способ, необходимы и достаточны для его осуществления и достижения заявляемого технического результата.