Структурные особенности массивов скальных пород и их влияние на устойчивость карьерных откосов

Дунаев В.А., Серый С.С., ФГУП ВИОГЕМ

Устойчивость карьерных откосов в массивах скальных пород обусловливается главным образом наличием в них поверхностей ослабления (трещин, разрывных нарушений, плоскостей напластования или слоистости, прослоев пород со слабым сопротивлением сдвигу), их ориентировкой относительно друг друга и плоскости откоса.

Массивы скальных пород по виду и характеру проявления геолого-структурных факторов, влияющих на устойчивость откосов, целесообразно разделить на два контрастных структурных типа: неслоистые и слоистые.

Неслоистые массивы представлены, как правило, магматическими породами, в которых на фоновую прототектоническую трещиноватость накладывается собственно тектоническая в виде трещинно-разломных систем линейного или радиально-кольцевого типа, которые создают наиболее опасные плоскости ослабления. В неслоистых массивах по условиям возникновения и форме обрушений (оползней) пород в уступах (бортах) карьеров можно выделить четыре типа структурных обстановок.

Первый тип – квазиоднородный массив с относительно равномерной интенсивной трещиноватостью. Опасной считается интенсивность трещиноватости при размере образованных ею элементарных блоков менее 0,3 м и слабом сцеплении между ними. Такие условия характерны для крупных зон разломов, особенно участков их сочленения. Обрушение карьерных откосов в неслоистом квазиоднородном массиве происходит по круглоцилиндрической поверхности скольжения (рис. 1,а), радиус которой зависит от прочности породы в образце и степени структурного ослабления горного массива. При наличии в массиве системной трещиноватости поверхность скольжения вписывается в плоскости ослабления, созданные трещинами систем, простирающихся вдоль уступа и падающими в сторону выемки (рис. 1,б).

Рис. 1. Основные типы геологоструктурных обстановок, вызывающих деформации откосов карьеров в массивах скальных неслоистых горных пород

1 – круглоцилиндрическая поверхность скольжения; 2 – плоскость отрыва породного блока; I, II, III – разрывные нарушения (крупные трещины); стрелками показано направление движения породного блока.

Второй тип – поверхность ослабления в массиве (сплошная протяженная трещина или разрывное нарушение) падает в сторону выемки под углом 25-55° и в плане ориентирована вдоль или диагонально к простиранию уступов карьера (рис. 1,в). Сверху она выходит на берму или за контур карьера под рыхлые отложения, перекрывающие скальный массив. При подрезании поверхности ослабления карьерным откосом в том случае, когда угол ее наклона превышает угол трения по этой поверхности, происходит обрушение (оползание) породного блока. Боковые поверхности обрушения ограничиваются обычно трещинами, поперечными к уступам карьера. Граничное значение угла падения поверхности ослабления, равное 25°, достаточно условно. В том случае, если она представлена увлажненным глинистым материалом, скольжение вышележащего породного блока возможно и при меньших значениях этого угла.

Третий тип – две плоскости ослабления, представленные кососекущими относительно уступов карьера трещинами, падают навстречу друг другу, образуя при своем пересечении (сочленении) ребро, наклоненное в сторону выемки. В такой ситуации породный блок клинообразной формы скользит вдоль ребра по лотку (желобу), стенками которого являются указанные плоскости ослабления (рис. 1,г).

Четвертый тип – сочетание разноориентированных сплошных трещин, падающих в сторону выемки. Призма обрушения в данном случае ограничивается полигональной поверхностью скольжения, образованной этими трещинами (рис. 1,д).

Наиболее распространенными и в той или иной мере проявленными на любом достаточно крупном карьере, разрабатывающем неслоистый горный массив, являются деформации откосов, связанные со вторым и особенно третьим типом структурных обстановок.

Слоистые массивы сложены осадочными (вулканогенно-осадочными) и метаморфическими породами. В них также развиты трещины и разрывные нарушения, но главной их особенностью является наличие слоистости и слабых прослоев (в осадочных породах – глинистых, углисто-глинистых, в метаморфических – хлоритовых, серицитовых и талькосодержащих сланцев). Для чехла платформы характерны массивы с субгоризонтальным и пологонаклонным залеганием слоев, а для складчатых областей – массивы, представленные моноклиналью, анти- или синклинальной складкой, ансамблем складок.

Если слоистость пород субгоризонтальна или падает от карьерной выемки, она не участвует в формировании потенциальной поверхности скольжения, а основную роль в этом играют трещины и разрывные нарушения. В этих случаях все рассмотренные выше для неслоистых массивов структурные обстановки, провоцирующие деформации карьерных откосов имеют место и в слоистых массивах. Однако для слоистых массивов более характерны структурные обстановки, обусловленные исключительной или основной ролью в возникновении деформаций карьерных откосов границ раздела слоев и слабых прослоев. Следует выделить 5 главных типов таких обстановок.

Первый тип – субгоризонтальнозалегающая (0¸5°) слоистая толща осадочных пород относительно небольшой прочности со слабым контактом или прослоем пород в основании борта карьера (рис. 2,а). В указанной ситуации возможно формирование в прибортовом массиве клина давления, а затем хрупкое разрушение пород призмы упора с вовлечением в процессе оползания больших (до нескольких десятков миллионов кубометров) объемов пород. Такие деф