Количественная оценка влияния процессов криогенного выветривания на устойчивость откосов бортов угольных карьеров Южной Якутии

© А.В. Забелин, 2003

УАК 551.3.053+622.27

А.В. Забелин

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССОВ КРИОГЕННОГО ВЫВЕТРИВАНИЯ НА YСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ БОРТОВ YГОЛЬНЫХ КАРЬЕРОВ ЮЖНОЙ ЯКУТИИ

Обеспечение устойчивости откосов уступов и бортов карьеров является одним из главных вопросов горного дела. Последняя существенно зависит от склонности горных пород к выветриванию. Недоучет фактора выветривания горных пород при проектировании приводит к развитию нежелательных физико-геологических процессов, значительным деформациям горнотехнических сооружений, что в свою очередь усложняет проведение горных работ, увеличивает их объем и снижает уровень безопасности.

Для получения количественных характеристик влияния криогенного выветривания на устойчивость откосов бортов карьеров были выполнены исследования по изучению изменений физико-механических свойств, вещественного состава и процессов трещинообразования углевмещающих пород Южно-Якутского каменноугольного бассейна в зависимости от сроков воздействия процессов выветривания.

Максимальный срок эксплуатации среди горнотехнических объектов Южной Якутии, порядка 25 лет, имеет разрез «Нерюн-гринский». Объектом исследования был выбран борт карьера, вскрытый в 1974 г. В сентябре 1998 г. в 15 м от кромки борта была пробурена вертикальная скважина с отбором керна по всему стволу. По скважине были отобраны пробы и скоррелированы с разрезом сравниваемого борта карьера с учетом данных геофизических исследований в скважинах и литологических разрезов, ранее пробуренных по этому профилю скважин. Исследуемый интервал пород относится к холодниканской свите нижнего отдела меловой системы.

Выполненные сравнительные испытания по скважине и борту карьера позволили установить снижение предела прочности при сжатии для основных слагающих геологический разрез литологических разностей песчаников в среднем на 35 %. Максимальное снижение прочности отмечено в мелкозернистых песчаниках с

включениями углистого материала, привязанных к кровле угольного пласта - 40 %. Показатель прочности пород при сжатии в водонасыщенном состоянии в среднем по исследуемому разрезу снизился на 55-60 %, что подтверждает коэффициент размягчения в карьерных пробах, находящийся в пределах 30-45 %, тогда как по скважине он варьирует от 45 до 85 %.

Снижение прочности при растяжении составляет от 6 до 20 % по сравнению с невыветрелыми породами. В тонкозернистых, мелкозернистых и среднекрупнозернистых песчаниках с примесью гравийной фракции выявлено увеличение прочности в отдельных случаях до 66 % для тонкозернистого песчаника. Результаты выполненных минералого-петрогра-фических исследований показали, что в пределах вышеописанных литологических разностей имеет место процесс развития карбона-тизации (анкеритизации и кальци-тизации) и массивного окисления представленных пород, что, на наш взгляд, является причиной локального упрочнения последних. По всему разрезу исследуемого борта карьера отмечается понижение коэффициента хрупкости у вы-ветрелых пород по сравнению с данными, полученными по скважине. В водонасыщенном состоянии снижение предела прочности при растяжении отмечено во всех пробах в среднем на 11-15 %.

Изучение изменений упруго-скоростных свойств пород под воздействием криогенного выветривания показало снижение скорости распространения упругих продольных волн от 20 до 50 %. Выветрелые песчаники, отобранные с борта карьера, также характеризуются снижением значений плотности в состоянии высушенных до постоянной массы пород до 0,02-0,06 г/см3 и увеличением коэффициентов пористости в пределах 20-25 %.

Изучение изменений физикомеханических свойств углевмещающих пород Южно-Якутского бассейна после 10 и 15 лет воздействия процессов криогенного выветривания проводилось методом сравнительного анализа свойств кернов горных пород, вскрытых при бурении скважин в 1983 г., 1988 г. и находившихся до проведения испытаний в условиях естественного влияния климатических факторов и керна скважины, пробуренной в 1998 г. Исследуемые породы относятся к кабактин-ской свите среднего отдела юрской системы Сыллахского каменноугольного месторождения.

Сравнительные испытания образцов на прочность при сжатии криогенновыветрелых песчаников и их аналогов, не подвергавшихся воздействию криогенного выветривания, показали для различных литологических разностей и времени воздействия криогенных процессов во многом схожие результаты. Изменение прочности пород, оцениваемой для образцов, испытываемых в высушенном состоянии, составляет в среднем от 30 до 40 %. Результаты испытаний на прочность при сжатии образцов, находящихся в водонасыщенном состоянии, показали еП снижение для криогенновыветрелых образцов по отношению к результатам испытаний, проводимым в высушенном состоянии, порядка 40-50 %. Вычисленные по результатам испытаний коэффициенты размягчения для «свежих» образцов изменяются в пределах 80-92 %, что позволяет их отнести к категории нераз-мягчаемых. В результате 15 и 10летнего срока воздействия процессов криогенного выветрива-

Рис. 1. Влияние числа циклов замораживания-оттаивания на прочностные свойства песчаников: наименование пород: 1 -песчаник среднезернистый (13,5-43,0 м), 2 - песчаник мелкозернистый (59,0-83,5 м), 3 - песчаник крупнозернистый (83,5-115,0 м), 4 - песчаник мелкозернистый (115,0-173,5 м), 5 - песчаник среднезернистый (175,5-204,0 м), 6 - алевролит крупнозернистый (43,0-59,0 м).

Рис. 2. Динамика изменения величины удельной густоты трещин: описание к легенде: 1, 2, 3 - исследовательская площадка №1, №2 и №3 соответственно

ния практически все представленные литологические разности перешли или близки по значениям коэффициента размягчения к категории размягчаемых пород

(Кр < 75 %).

Изменение прочности пород при растяжении измеряется величинами несколько меньшими, чем при испытаниях на прочность при сжатии. Для образцов, испытываемых в высушенном состоянии, уменьшение прочности при растяжении произошло в среднем от 15 до 30 %, в насыщенном состоянии - от 20 до 45 %. Вычисленные по результатам испытаний коэффициенты хрупкости указывают на его снижение в среднем от 15 до 30 %.

Изменение скорости продольных волн в результате 10 и 15летнего цикла воздействия процессов криогенного выветривания оцениваются в пределах 1020 %. Максимальное снижение плотности песчаников, определенной в состоянии высушенных до постоянной массы пород, не превышает 0,01-0,15 г/см3. Увеличение коэффициентов пористости для исследуемых песчаников в среднем находится в пределах 20-40 %.

Для определения изменений физико-механических свойств углевмещающих пород под воздействием криогенного выветривания за период 1 месяц, 1 год, 2 года, 3 года и 5 лет был выполнен цикл лабораторных экспериментов по изучению влияния процессов циклического замораживания-оттаивания на физико-механические свойства горных пород по методике предложенной ВНИИГ им. Б.Е. Веденее-ева [1]. По геологическому разрезу изучаемые породы относятся к Нерюнгринской свите верхнего отдела юрской системы и

приурочены к кровле угольного пласта «Пятиметровый».

Общей тенденцией в изменении прочностных свойств пород в ходе эксперимента является проявление максимальных значений снижения их прочности в интервале испытаний от 150 до 300 циклов замора -живания-оттаива-ния (ЦЗО).

Прочность образцов песчаника, испытываемого в состоянии высушенных до постоянной массы пород, после 400 ЦЗО снизилась в пределах 40-60 % в зависимости от их близости к кровле угольного пласта и глубины залегания испытываемых породных интервалов соответственно. При испытаниях в водонасыщенном состоянии этот показатель составляет 70-80 %. Коэффициент размягчения понизился с 85 % до 72 %. Максимальное изменение прочности пород при минимальном количестве ЦЗО наблюдалось для образцов крупнозернистого алевролита, где после 100 циклов предел прочности при сжатии снизился на 60 % при испытаниях образцов в водонасыщенном состоянии, для высушенных образцов - 55 % (рис. 1).

Анализ значений коэффициентов хрупкости показывает, что с увеличением количества ЦЗО коэффициент хрупкости пород понижается, причПм максимальное снижение этого параметра до 50 % относится к песчаникам с интервалами опробования близкими к кровле угольных пластов. Анализ изменений упруго-

скоростных характеристик песчаников после 400 ЦЗО показал, что скорость распространения продольных ультразвуковык волн при изменении коэффициента пористости от 2-3 % до 2,7-3,8 % уменьшилась в среднем на 25-35 % для образцов в сухом состоянии.

С целью изучения динамики развития процесса криогенного трещинообразования на разрезах «Денисовский» и «Эрэл» были выполнены натурные циклические наблюдения с применением акустических методов контроля [2].

Максимальное количество образовавшихся трещин по наблюдениям первых двух месяцев выявлено по вертикальному профилю, что указывает на преимущественное развитие процессов трещинообразования в направлении, близком к горизонтальному (рис. 2). Интенсификация этого процесса обусловлена наличием существующих макро-, микро- и «залеченных трещин» тектоно-механической природы, а также дефектов техногенного характера, приобретенных массивом в результате проведения взрывных работ. Этому также способствует тот факт, что песчаники, по сути, являются переотложенным про-

дуктом выветривания и, как следствие этого, обуславливают наличие относительно большего количества дефектов в их структуре по сравнению с другими литологическими типами пород. С ноября по декабрь увеличение значений удельной густоты трещин (Г уд ) в большинстве случаев

носит незначительный характер и сопровождается сублимацией льда в подготовленных криогенным выветриванием трещинах. Наиболее активный рост величины удельной густоты трещин наблюдается в зимние месяцы с охлаждением массива до температур порядка -37 °С и объясняется действием температурного механизма выветривания.

Развитие процессов трещинообразования определяется литоло-го-структурными особенностями песчаников. Наиболее интенсивно действие криогенного выветривания проявилось на исследовательских площадках, представленных крупносреднезернистыми и среднезернистыми разностями песчаников кабактинской свиты. Развитию сети температурной трещиноватости во многом способствует существенное содержание в их составе кварца (45-55 %) и присутствие кальцита, которые обладают большой величиной анизотропии температурных деформаций по направлениям относительно их кристаллооптической оси. Максимальная разность коэффициентов температурной деформации слагающих породу минералов характеризуется развитием в горных породах объемно-градиентных температурных напряжений, которые приводят, в конечном счете, к формированию трещин различной ориентации [3].

Интенсификация процессов трещинообразования на поверхности массива в весенний период характеризуется преимущественным развитием в горных породах криогидратационного механизма выветривания. При наблюдениях, проведенных в апреле, отмечается небольшое снижение величины удельной густоты трещин, связанное с наличием в имеющихся трещинах свободной воды, обеспечивающей прохождение ультразвуковых волн на дефектном участке.

В летний период с повышением температуры пород изменение параметров трещиноватости массива имеет незначительный характер. Для песчаников, в составе цемента которых преобладают глинистые составляющие, характерно небольшое снижение удельной густоты трещин (кривые №1 и №2, рис. 2) за счет закрытия некоторого количества температурных трещин вследствие прогревания массива и снижения объемноградиентных напряжений. Для песчаников с карбонатным составом цемента (кривая №3, рис. 2), наоборот, наблюдается некоторый рост трещиноватости поверхности массива, связанный со снижением их влажности в летние месяцы.

Объектом исследования для изучения влияния процессов криогенного выветривания на вещественный состав вмещающих пород Южно-Якутского каменноугольного бассейна был выбран карьер «Нерюнгринский». Из сформированных проб, предназначенных для определения комплекса физикомеханических свойств песчаников, вскрытых скважиной в 1998 г., и песчаников, отобранных с поверхности борта карьера, вскрытого в 1974 г., были отобраны образцы и впоследствии изготовлены прозрачные шлифы. Результаты выполненных петрографо-минера-логических и химико-аналитических исследований песчаников позволяют выделить три ведущих типа последовательно, стадийно развивающихся гипергенных преобразований: гидрослютизация

(пелитизация), обусловленная гидролитическим разложением полевых шпатов, неустойчивых обломков алюмосиликатных пород, а также первичного глинистого цемента; карбонатизация с образованием пелитоморфного анкерита и кальцита; лимонитизация («оже-лезнение»), связанная с поверхностным и близповерхностным окислением железосодержащих карбонатов, в меньшей степени слоистых силикатов.

Первый тип гипергенных преобразований полевошпатового и грауваккового обломочного каркаса песчаников носит дифференцированный характер замещения полевых шпатов. Первыми начинают изменяться менее устойчи-

вые к выветриванию превалирующие в песчаниках кислые плагиоклазы (альбит, олигоклаз), затем ортоклаз и более устойчивым является микроклин, часто остающийся неизмененным. В зависимости от степени гидрослютизации песчаного материала описанный процесс сопровождается общим разупрочнением массива, снижением его прочностных и упруго-скоростных характеристик. Гидрослютизация полевых шпатов и других обломочных компонентов сопровождается процессами, аккумулирующими наиболее подвижные продукты - карбонаты, бикарбонаты. Поэтому широко распространенным химическим преобразованием песчаников является их неравномерно, но достаточно интенсивная наложенная анкеритизация. Для выветрелых песчаников характерно избирательное замещение порового и порово-пленочного глинистого цемента его коррозионными типами. Подобные преобразования цемента песчаников в таких случаях обеспечивают им повышенную прочность. Не повсеместно и более локализовано в зонах интенсивной трещиноватости и механического дробления проявляется более поздняя, преимущественно прожилковая, кальцитиза-ция; содержание кальцита предельно оценивается 25-30 %.

Более массовое развитие в песчаниках изученного блока, особенно слагающих борта карьера, имеют процессы поверхностного и близ поверхностного окисления гипергенных железосодержащих карбонатов - анкерита, редко сидерита с образованием охристых зон лимонити-зации, насыщенных гидроокислами железа.

В целом объем химически переработанного алюмосиликатно-го материала достигает значительных величин и составляет 25-30 % от объема выветрелых пород. Следует отметить, что весьма неоднородный характер криогенного выветривания значительно усиливает анизотропию сезонно-мерзлых пород и во многом усиливает анизотропию фильтрационных, прочностных, деформационных и упругоскоростных свойств горных пород,

слагающих денудационные стенки Нерюнгринского разреза.

Ставя целью показать влияние процессов криогенного выветривания на устойчивость откосов, сложенных углевмещающими породами, нами произведен сравнительный расчет предельной высоты откоса методом «связность-трение» в изотропной среде для пород, не подвергавшихся процессам криогенного выветривания, и их криогенно выветрелых аналогов [4]. Общей тенденцией при оценке влияния процессов криогенного выветривания на расчетную величину предельной высоты устойчивого откоса является еП снижение при увеличении сроков воздействия процессов криогенного выветривания на горные породы. Максимальное понижение величины предельной высоты устойчивого откоса имеет место после 25-летнего цикла воздействия криогенного выветривания на углевмещающие породы - более 40 %. Результаты сравнительного анализа изменения расчетной величины предельной высоты устойчивого откоса для 15, 10 и 5-летнего риода воздействия криогенного выветривания на горные породы указывают на практически оди-ковое снижение этой величины, значения которой колеблются в

^с. 3. Значения коэффициента криогенного выветривания углевмещающих пород в зависимости от срока службы карьера: описание к легенде: 1 -песчаник; 2 - алевролит

пределах от 34 до 37 %. Несколько меньшее снижение этой величины, порядка 32 %,

имеет место при трехгодичном цикле криогенного выветривания пород. Уменьшение расчетной величины предельной высоты устойчивого откоса при двухлетнем и годичном сроке криогенного выветривания пород составляет соответственно 19 и 10 %. При относительно коротком сроке воздействия криогенного выветривания на горные породы - 1 месяц - необходима коррекция в пределах 6 %. Особое внимание при расчете предельной высоты устойчивого

уступа следует уделять породным интервалам, сложенным алевролитами. По результатам наших

таний для этих литологических

разностей предельная высота

тойчивого уступа при сроке его эксплуатации 1 год должна быть снижена вдвое.

На основании результатов обработки данных по определению предельных высот устойчивого откоса, вычисленных для выветрелых пород и их аналогов, не подвергавшихся процессам выветривания, установлен коэффициент криогенного выветривания для углевмещающих пород ЮжноЯкутского бассейна (рис. 3).

Нпр =-Нс— К ,

1 - Щф кР-

ЧР

где ф - угол внутреннего трения пород, °; р - принимаемый угол наклона откоса, ; Ккр - коэффициент криогенного выветривания пород.

Анализируя значения коэффициента криогенного выветривания, следует отметить, что основное снижение устойчивости откосов, сложенных углевмещающими породами, происходит за 5-летний период их эксплуатации и составляет величину порядка 30-35 %. В дальнейшем воздействие процессов криогенного выветривания на устойчивость откосов имеет затухающий характер. Максимальное снижение устойчивости откосов -до 40 % соотносится со сроком эксплуатации месторождения порядка 25 лет.

Особое внимание при оценке устойчивости откосов угольных карьеров следует уделять породным интервалам, сложенным алевролитами и песчаниками подошвы и кровли угольных пластов, которые более всего склонны к процессам криогенного выветривания. Высокая интенсивность изменения их первоначальных свойств может способствовать созданию активной поверхности скольжения, что может вызвать непредвиденные вывалы и обрушения.

Таким образом, полученные значения коэффициента криогенного выветривания позволяют дифференцированно корректировать расчетную величину предельной высоты устойчивого откоса нерабочих бортов угольных карьеров в зависимости от срока их службы и слагающих его литологических разностей углевмещающих пород.

----------------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рекомендации по изучению влияния морозного выветривания на состояние и механические свойства скальных пород. - Л.: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1989.

2. Забелин А.В. К вопросу изучения криогенного

трещинообразования в бортах угольных разрезов Южной Якутии. // Сб. докл. и науч. статей по материалам научноКОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------

Забелин Алексей Викторвич - кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой, Технический институт

Якутского государственного университета в г. Нерюнгри.

практической конференции «Проблемы и перспективы угледобывающей отрасли Республики Саха (Якутия)» - Изд-во Якутского ун-та, - 1999.

3. Ершов Э.Д. Криолитогенез. - М.: Недра, 1982.

4. Открытые горные работы. Справочник / Под ред. К.Н. Трубецкого и др. - М.: Горное бюро, 1994.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

ЗАБЕЛИН

G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB7_03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.dotm УДК 551

TiTR MPI

11.06.2003 12:05:00 11

11.06.2003 12:17:00 Гитис Л.Х.

11 мин.

08.11.2008 23:57:00 4

2 872

16 371