Изследване върху динамиката на свлачищни процеси – ІІ част михаил Вълков

В статията се изучават свлачищните процеси, проявяващи се в откритите рудници при добив на полезни изкопаеми.За основа на изследването в първата част на работата са послужили постановките на теоретичната механика. Като примери и илюстрации са използвани свлачищни процеси, наблюдавани в открит рудник „Елаците".

По характера на своето проявление и по механизма на развитие свлачищните процеси в открит рудник могат да бъдат класифицирани по следния начин: сипеи, срутища (каменопади), свлачища.

Сипеите и срутищата са разгледани подробно в първата част на разработката. Тук се изследват свлачищата и влиянието на техногенните въздействия за тяхното активиране. Вниманието е съсредоточено върху влиянието на сеизмичните и квази-сеизмичните сили, дължащи се на провеждането на взривни работи.

Основите елементи на свлачищата, според Наредба №12 [8], са:

• 
  повърхнина на плъзгане - повърхнината (повърхнините), по която се свличат земните маси. Тя може да е с различна форма в зависимост от типа на свлачището. При някои свлачища вместо повърхнина се формира слой (зона), в който настъпва разрушаването;
  
• 
  дълбочина - разстоянието от горната повърхност на свлачището до повърхнината на плъзгане. Разстоянието се измерва по нормалата към горната му повърхност;
  
• 
  тяло - целият обем на свличащите се земни маси;
  
• 
  глава (вежда) - най-горната част на свлачищното тяло;
  
• 
  пета (език) - най-долната част на свлачищното тяло;
  
• 
  дължина - разстоянието от главата до петата ;
  
• 
  широчина - най-голямото разстояние напречно на посоката на свлачището.
  

За класифицирането на свлачищата се използват различни критерии, най-разпространените от които са:

• 
  Според механизма на процесите свлачищата се разделят на: делапсивни - свлачища, които се зараждат в долната част на склоновете, след което свлачищният процес постепенно се придвижва нагоре. Обикновено тези свлачища се предизвикват от абразия или ерозия от повърхностни води в петата на откоса, пресичане от пътища и железопътни линии, неправилна технология при планировка на площадката, линейни изкопи за водоотвеждане и др.п; детрузивни - свлачища, които започват в горната част на откоса, като свличащите се земни маси вследствие натиска отгоре образуват т. нар. "свлачищен купол". Най-често причините за възникване на детрузивни свлачища са: претоварване в горния край на откоса; преовлажняване в горния край; натиск, който се упражнява при образуване на почвени клинове, натоварвания от механизацията и др.п.
  
• 
  Според геоложките и тектонските си характеристики свлачищата биват: асеквентни - свлачища, образувани в еднородни почви; консеквентни - свлачища, при които свличането е по разделителните повърхнини между разнородни пластове, по прослойки с или без наличие на пукнатини; инсеквентни - свлачища, при които повърхнината на плъзгане пресича повърхнините на напластяване.
  
• 
  Според вида на плъзгателната повърхнина свлачищата са :с
  

• 
  Според обема те се поделят на: малки - до 10 000 m³; средни - от 10 000 до 100 000 m³; големи - от 100 000 до 1 000 000 m³; крупни - 1 000 000 до 5 000 000 m³ и грандиозни - по-големи от 5 000 000 m³ [3].
  
• 
  Според скоростта си на движение те биват: много бавни - от 0.06 до 1.5 м/година; бавни - от 1.5 м/год до 1.5 м/месец; умерени - от 1.5 м/месец до 1.5 м/ден; бързи - от 1.5 м/ден до 0.3 м/мин; много бързи - от 0.3 м/мин до 3 м/сек и изключително бързи - над 3 м/сек. Свлачища с движение на повърхността, по-малко от 0,01 mm в денонощие, се класифицират като пълзящи. Скоростите на движение на свлачищата силно зависят от типа на хлъзгателната повърхнина: при свлачища предизвикани от страничен натиск и почти хоризонтални премествания скоростите са малки -сантиметри в денонощие;при свличане по неравна подложка на скалната основа - метри в денонощие;при свличания по повърхнини на наслояване, разломи, пукнатинни системи, древни нарушения и д.р. - метри в час.
  
• 
  Според дълбочината на свлачищната си повърхнина те биват: повърхностни - по-плитко от 1 m; плитки - от 1 до 5 m; дълбоки - от 5 до 20 m и много дълбоки - над 20 m [3].
  
• 
  По начина си на образуване се делят на: контактни-когато минните работи разкрият полегато залягащи контактни повърхности, които са граница на по-здрави с по-слаби, обводнени скали или на дизюнктивни нарушения;
  

• 
  Според разположението на плъзгателната повърхност свлачищата биват: с плъзгателна повърхнина, разположена над основата на стъпалото -реализира се по контакта между слаби и здрави напластявания при редуване на сухи и влажни, слаби и здрави прослойки в скалния масив на откоса; с плъзгателна повърхност, съвпадаща с основата на откоса, проявяват се най-често при силно обводнени полегати или наклонени основи; с плъзгателна повърхнина, разположена под основата на стъпалото -реализират се основи, формирани от много слаби скали,които се изтласкват от теглото на откоса и образуват вал от изстискана маса.
  
• 
  В котлованите на откритите рудници често се наблюдават и пропадания, представляващи неравномерни слягания на горните повърхности на откосите, дължащи се на динамичните натоварвания от минното оборудване или на уплътняването на скалните маси на откоса.
  

Най-често наблюдаваните в котлована на рудник „Елаците" свлачищни процеси са следните: плоско плъзгане (по пукнатинна система ориентирана успоредно на откоса и с наклон към изкопа); клиновидно плъзгане - по 2 или повече взаимно пресичащи се пукнатинни системи; свлачища по начупена или близка до кръгово­цилиндричната плъзгателна повърхнина.

Последните два вида са най-опасни и предизвикват най-много щети .

Като примери могат да бъдат посочени:

• 
  В края на лятото на 2008 г. след обилни валежи се активизират деформационни процеси в южния склон над кота 1315 на рудника. Развиват се системи от успоредни на хоризонтите пукнатини на срязване. Има пропадания на отделните скални блокове от порядък на 20 до 80 cm, нарастващи по-късно до 2,5 - 3,0 m. Допълнителното се натоварва основата на свлачището. В следствие на това в средата на месец януари 2009 г., част от материала, изграждащ хоризонти 1330 и 1360, загубва равновесие и под действие на гравитационните сили започва да се свлича върху площадката на хоризонт 1300. Процесите се ускоряват при пролетното снеготопене от март до май. Тогава в свлачището постъпват водни потоци с дебит от 3 до 5 l/s. При разчистването на свлачището са иззети над 2 000 000 m³ скален материал. Като предпазна мярка генералният ъгъл в този участък над хоризонт 1390 е коригиран от 40  на 30  .
  
• 
  През същия период започва отварянето на нови пукнатини на площадката на хоризонт 1390. Тя е с широчина варираща между 40 и 50 m. Пукнатини се наблюдават на разстояние до 40 m от горния ръб на хоризонта. Предната част на площадката с широчина 15 - 17 m. пропада. Оформят се големи свлачищни обриви. Скалният масив между хоризонти 1300 и 1390 е изтласкан напред. Изместването напред е от порядъка на 16 - 17 метра. Последното доказва механизъм на странично блоково изтласкване при реализирането на свлачището. Констатирани са премествания в хоризонтална и вертикална посока. За ликвидиране на последиците от хоризонт 1300 за месец и половина са извозени още 400 000 m³ свлечена скална маса. Проблемният участък преди започването на деформационните процеси и след приключването им е представен на фиг. 2.
  

За съставяне на изчислителни зависимости се раз­глежда най-простият случай - за оценка на устойчивостта на минни откоси се прилага методът на граничното равновесие при равнинна повърхност на плъзгане.

За установяване на условията за гранично равновесие при равнинна площадка на приплъзване се разглежда призмата с единична ширина, която е показана на фиг. 3. Следва се методиката на В.А. Гордеев [7].

a



б

Фиг. 2. Състояние на засегнатата част от котлована: а-преди /началото на октомври 2008/; б-след развитието на свлачищния процес /средата на месец април 2009 г./

Фиг. 3. Призма на плъзгане
Разглежда се равновесието на призмата , лежаща върху наклонената под ъгъл спрямо хоризонталата равнина на приплъзване, чиято пресечница с равнината на чертежа е правата . Изучаваното тяло се намира в равновесие под действие на силата на тежестта , сила и реакцията на наклонената равнина .Видът на силата се определя от конкретните условия на даденото минно находище. Силата може в различни ситуации да се отъждествява с:Архимедовата подемна сила при обводнени откоси; хидродинамична сила, дължаща се на хидродинамичното налягане; сила, дължаща се на тектонски напрежения в масива; сеизмична сила или подобните на нея сили, предизвикани от провеждането на масови взривявания в рудника; или със сумата на няколко от тях [6].

Тъй като първите три случая са разгледани подробно в [2], тук е изучено въздействието на сеизмичните или квази-сеизмичните сили от провеждането на взривните работи в рудника върху устойчивостта на откосите .

Следвайки [2], в най-общия случай, статичното условие за равновесие се записва във вида
, (1)
където ; е нормалната реакция; е съпротивителната сила срещу приплъзване.

С призмата се свързват две координатни системи и -фиг.3. От проектирането на (2) по оси исе получава:

От (3) се намира нормалната реакция:

Както е известно , , където е ъгълът на вътрешно триене.

Ако двете страни на (5) се разделят на площта на основата на призмата (на площадката на плъзгане) се стига до линейния критерий на Моор-Кулон (Mohr-Coulomb) [4]:

или , (6)

Състоянието на гранично равновесие се получава от условието [5]:

където е гра­нично съпротивление при приплъзване; е коефициент на сигурност срещу приплъзване; са физикомеханични характеристики на средата, при които разглежданата призма се намира в гранично равновесие.

Въз основа на тези разсъждения е определена височината на стъпалото (откоса) [2] от квадратното уравнение

. (7)
За височина на откоса се приема неговият реален положителен корен.

От израз (7) се намира и ъгълът на откоса

В зависимости (7) и (8) единствената величина, която подлежи на допълнително определяне е сеизмичната или квази-сеизмичната сила .

За целта се използват средствата на аналитичната механика.

При свличане масата, загубила равновесие, извършва транслация, която има една степен на свобода за разглеждания случай. Движението се описва с едно диференциално уравнение на Лагранж от втори род, а именно:

() е функцията на Лагранж; е дисипативната функция на Релей; е обобщената координата, която описва транслационното движение на загубилата равновесие призма - фиг.3; е обобщената скорост.

Тогава уравнението за движение приема вида

, (10)

където , .

При решението на (10) има вида

, (11)

където ; е началната фаза.

Ако в началния момент, т.е. при нарушаване на равновесието на призмата, , то:

, .
Тогава за сеизмичната или квази- сеизмичната сила, дължаща се на провежданите взривни работи, се намира

. (12)

Максималната стойност на тази сила, намаляваща експоненциално, се получава в момента:

където ;

Свлачищните процеси нямат внезапен характер и е възможно да бъдат регулирани с технически средства. В котлованите на откритите рудници като причини за активизиране на свлачищните процеси могат да се посочат климатични, технологични фактори както и неточности при определяне на свойствата на скалите и на скалните масиви. В настоящата разработка са получени зависимости за отчитане на влиянието на сеизмична сила или подобните на нея сили, предизвикани от провеждането на масови взривявания в рудника. Това дава възможност на технолозите да отчитат въздействието на изброените фактори при планиране, проектиране и реализиране на минните работи.

1. 
   Минчев И., Теория на катасрофалните разрушения-част ІІ, С.,”ЕС Принт” ООД, 2003.
   
2. 
   Вълков М., Геомеханични модели в минното дело., С.,ИК “Св.Ив. Рилски”, 2011.
   
3. 
   Шейдегер А., Физические аспекты природных катастроф, М., „Недра”,1981.
   
4. 
   Илов Г., Приложна механика на скалите, С., ИК ЕРА, 2009.
   
5. 
   Галустьян Э.Л. Геомеханика открытых горных работ: Справ. пособие. М.: Недра, 1992.
   
6. 
   Гусев В.Н., Е.М.Волохов. Сдвижение и деформации горных пород: Учеб. пособие Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2003.
   
7. 
   Гордеев В.А., Влияние инженерно-геологических условий на устойчивость карьерных откосов по методу предельного равновесия на плоской поверхности скольжения. Известие вузов, Горный журнал, №8, 2007, стр. 43-51.
   
8. 
   ДНСК - Наредба № 12 от 2001 г. за проектиране на геозащитни строежи, сгради и съоръжения в свлачищни райони.