Описание и решение проблем обводненных откосов карьера - ООО «СИБНИИГИМ»

Описание и решение проблем обводненных откосов карьера

В настоящее время у многих недропользователей нет представлений насколько важным является понимание гидрогеологических условий месторождения, которые в свою очередь влияют на состояние откосов карьера. Расскажем в данном материале. 

Присутствие грунтовых вод в скальном откосе может отрицательно сказаться на устойчивости по следующим причинам:
- Давление воды снижает устойчивость откосов за счет снижения сопротивления сдвигу потенциальных поверхностей по которым может произойти обрушение. С другой стороны давление воды в трещинах, расположенных вблизи вертикальных трещин, снижают устойчивость за счет увеличения сдвигающих сил.
- Изменения влажности некоторых горных пород, особенно сланцев, в долгосрочной перспективе могут вызвать ускоренное выветривание и снижение прочности на сдвиг.
- Замерзание грунтовых вод может привести к расклиниванию заполненных водой трещин из-за изменения объема льда в зависимости от температуры. Кроме того, замерзание поверхностных вод на склонах может блокировать дренажные пути, что приводит к увеличению давления воды в прибортовом массиве с последующим снижением устойчивости.
- Размыв выветрелых пород поверхностными водами, а также малопрочных заполнителей грунтовыми водами может привести к локальной неустойчивости в местах подмыва подошвы откоса или разрыхления скальных блоков.
- Затраты на ведение открытых горных работ могут увеличиться при работе ниже уровня грунтовых вод. Например, в буровзрывных скважинах, подверженных обводнению требуется использование водостойких взрывчатых веществ, которые дороже, чем не водостойкие. Кроме того, приток грунтовых вод в карьер потребует откачки с дальнейшей очисткой сбрасываемых вод в водоёмы общего использования.

На сегодняшний день, влияющим фактором на массив горных пород за счет грунтовых вод является снижение устойчивости в результате давления воды в пределах поверхностей скольжения.

На рисунке показан ряд дренажных отверстий, пробуренных в основании выемки породы, где значительный поток возникает только в одном из отверстий.

Рисунок.jpg

Это типичное состояние трещиноватой породы, когда поток грунтовых вод концентрируется в разрывах, а течение вод происходит только в тех дренах, которые пересекают водоносные разрывы. Однако другие дренажные отверстия, в которых не наблюдается потока вод, могли пересекать нарушения массива, которые изначально содержали воду под давлением, но некоторый объем воды был ограничен только локально, так что поток воды в дренажах значительно снизился после сброса давления.

При исследовании скальных или грунтовых откосов можно ошибочно предпологать, что грунтовые воды отсутствуют, если на поверхности откоса не наблюдаются зоны высачивания. Скорость высачивания вод может быть ниже скорости испарения, и, следовательно, поверхность склона может казаться сухой, однако вода может находиться под значительным давлением в горной массе. Именно давление воды, а не скорость потока, отвечает за неустойчивость откосов, и важно, чтобы измерение или расчет этого давления воды были частью исследований на месте для изучения устойчивости. Дренаж массива горных пород является одним из наиболее эффективных и экономичных средств повышения устойчивости скальных откосов. Рациональное проектирование дренажных систем возможно только при условии понимания схемы течения вод в массиве горных пород, а ключом к этому пониманию является измерение гидропроводности и давления воды. Полезным средством оценки состояния грунтовых вод на склоне является проведение наблюдений в периоды отрицательных температур. В это время даже незначительные просачивания на забое могут образовывать наледи, которые могут показать как положение уровня грунтовых вод, так и набор(ы) неоднородностей, к которым приурочены течения вод.

Грунтовые воды могут перемещаться на значительные расстояния через массив горных пород. Поэтому важно учитывать региональную геологию района при проектировании открытых горных работ. Как правило, подземные воды перетекают из областей питания в области разгрузки. Зона подпитки - это зона, в которой поток направлен от уровня грунтовых вод, а в зоне разгрузки насыщенный поток направлен, наоборот, к уровню грунтовых вод. В тропическом и пустынном климате уровень грунтовых вод обычно более предсказуем и постоянен, чем в умеренном климате, где уровни осадков более изменчивы.

При оценке взаимосвязи между климатом и уровнем грунтовых вод на откосе следует учитывать как среднее количество осадков, так и пиковые явления, поскольку именно пиковые явления обычно вызывают нестабильность. Примеры пиковых осадков, которые могут привести к высокой скорости инфильтрации, включают тайфуны, сильные ливни и быстрое таяние снега. Если на участке существуют такие климатические условия, то необходимо учитывать в конструкции высокие напоры воды, либо проектировать дренажные системы большой пропускной способности. Источники подземных вод, помимо осадков, могут включать пополнение из соседних рек, водохранилищ, озер или океанов. Крупные карьеры успешно работают ниже и вблизи значительных водоемов. Однако при таких условиях в карьере может возникнуть значительное высачивание вод, которое будет сопровождаться нестабильностью откоса из-за высокого давления воды.

Другим важным фактором, влияющим на грунтовые воды в пределах склона, является распределение типов горных пород и детали структурной геологии, такие как заполнение разломов, устойчивость наборов трещин и наличие полостей. Эти особенности могут привести к образованию областей с низкой и высокой гидравлической проводимостью в пределах склона, которые называются водоупорами и водоносными горизонтами соответственно. 

Там, где влияние грунтовых вод должно быть учтено при проектировании откосов, существуют два возможных подхода к получению данных о распределении давления воды в массиве горных пород:

- Гидравлическая проводимость массива горных пород и источников подземных вод.
- Непосредственное измерение уровня воды в скважинах или колодцах или давления воды с помощью пьезометров, установленных в скважинах. 

Из-за важного влияния давления воды на устойчивость откоса важно, чтобы были доступны наилучшие возможные оценки вероятного диапазона давлений до того, как будет предпринята попытка детального анализа устойчивости. Большое количество факторов контролируют поток грунтовых вод в сочлененных массивах горных пород.

Для скальных откосов подробные исследования потока трещиноватой породы, требуется только там, где планируются значительные дренажные системы, такие как туннели и массивы дренажных скважин или для месторождений отрабатываемых в руслах рек. Для большинства выемок достаточно изучить взаимосвязь между геологией и потоком грунтовых вод. Эти отношения предоставят такую информацию, как вероятное давление грунтовых вод в пределах склона и оптимальную ориентацию дренажных отверстий для пересечения водоносных разрывов. Поток грунтовых вод в массивах трещиноватых горных пород происходит преимущественно вдоль разрывов из-за очень низкой первичной гидравлической проводимости большинства неповрежденных пород. Следовательно, на проводимость массивов горных пород будут влиять характеристики разрывов, при этом необходимым условием, требуемым для течения, является то, что постоянство разрывов больше, чем расстояние между ними. Например, массив горных пород, содержащий две группы вертикальных трещин и одну горизонтальную группу, в которой устойчивость вертикальных трещин намного больше, чем расстояние, но устойчивость горизонтальной группы меньше, чем расстояние между соседней трещины системы. В этих условиях гидравлическая проводимость будет значительно выше в вертикальном направлении, чем в горизонтальном. Анализ течения в трещиноватой породе можно проводить либо в предположении, что массив обладает стационарными свойствами с дальнейшим построением сетей потока, либо массив пород представляется с нестационарными свойствами, в котором ламинарный поток имеет место в локальных разрывах. Можно предположить, что горная порода представляет собой сплошную (стационарную) среду, если расстояние между разрывами достаточно мала, чтобы трещиноватая порода гидравлически действовала как зернистая пористая среда, так что поток происходил через ряд разрывов.

Опубликовано 09.06.2022
Мы используем файлы cookie, чтобы анализировать ститистику посещения сайта. Продолжая пользоваться сайтом, вы даёте согласие на использование ваших cookie-файлов.