Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2013, № 12 (спецвып.)

С.В. Цирель
Ю.С. Гапонов
А.А. Павлович

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ
СОСТАВ, СДВИГОВАЯ
ПРОЧНОСТЬ РАЗРУШЕННЫХ
ГОРНЫХ ПОРОД И ИХ
ВЛИЯНИЕ НА УСТОЙЧИВОСТЬ
ОТВАЛОВ

УДК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Г 198 

622.271 
Г 198 
 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 
29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной 
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.12 
 

 

 
Цирель С.В., Гапонов Ю.С., Павлович А.А. 

Гранулометрический состав, сдвиговая прочность разрушен
ных горных пород и их влияние на устойчивость отвалов: Горный 
информационно-аналитический бюллетень (научно-технический 
журнал). Отдельная статья (специальный выпуск). — 2013. — № 12.
— 12 с.— М.: издательство «Горная книга» 

ISSN 0236-1493 

Получены зависимости сцепления, угла внутреннего трения и угла 
естественного откоса разрушенных пород от размеров кусков, однородности гранулометрического состава и прочностных свойств. Показано, 
что нижний слой отвала, сложенный из крупных кусков, в зависимости
от прочности породы и гранулометрического состава может являться и
призмой упора и в относительно редких случаях однородности прочностных свойств вскрышных пород – слабым основанием отвала. 
Ключевые слова: разрушенные породы, размер кусков, гранулометрический состав, сцепление, угол внутреннего трения, угол естественного откоса, отвал, прочное основание, метод конечных элементов, метод
предельного равновесия. 

УДК 622.271

©  С.В. Цирель, Ю.С. Гапонов, 
А.А. Павлович, 2013 
©  Издательство «Горная книга», 2013 

ISSN 0236-1493 

©  Дизайн книги. Издательство  
«Горная книга», 2013 

 
 

Рост объемов добычи полезных ископаемых сопровождается 
ухудшением горно-геологических условий разработки, что приводит к увеличению объемов отбиваемой горной массы, прежде 
всего за счет вскрышных пород на открытых горных работах и 
пустых пород при подземной добыче. Решение геомеханических 
проблем, возникающих при отвалообразовании, складировании и 
утилизации пустых пород требует детального знания их свойств, 
от которых зависит течение геомеханических процессов и эффективность технологических операций. 
Известно, что свойства разрушенных пород определяются, с 
одной стороны, свойствами исходной породы, а, с другой стороны, ее гранулометрическим составом [1—5]. В настоящее 
время используются различные методики для определения 
свойств разрушенной горной массы. Однако большая их часть 
разработана для грунтов, и в них не учитываются сложные распределения кусков по размерам, характерные для взрывания 
блочных пород, угловая форма кусков, наличие в них трещин, 
характер технологических операций, производимых с разрушенной горной массой. Таким образом, необходима корректировка существующих и разработка новых методов, ориентированных именно на ведение горных работ, включая взрывоподготовку, экскавацию, транспортирование, закладочные работы и 
отвалообразование. 
Для исследования влияния свойств разрушенных пород на 
устойчивость отвалов проводились измерения сцепления, угла 
внутреннего трения и угла естественного откоса раздробленных 
пород различного гранулометрического и вещественного состава. 
При проведении экспериментов использовались приборы одноплоскостного сдвига конструкции ELE с диаметром среза 
dср=63,5 мм, БП-32 с диаметром срезной части dср=71,4 мм и cервоуправляемая срезная система RDS-200 (dср= 150 мм). 
Опыты по определению паспортов прочности показали важную методическую особенность – форма паспорта прочности существенно зависит от предыстории нагружения образца испытуемой породы. Если измерения при разных нагрузках проводились последовательно на одной пробе, то паспорт прочности имеет выраженный излом в районе предела прочности породы; при 
проведении перемешивания – угол излома уменьшается; при 

смене проб материала в каждом отдельном опыте – излом наименее выражен, но все же не пропадает полностью (рис. 1). Последний наиболее трудоемкий метод характеризует устойчивость отвала, а первый наиболее простой – развитие оползня. 
Также важно отметить, что при малой прочности материала 
разрушенной породы или однородности ее грансостава сдвиг 
осуществляется за счет разрушения и переупаковки частиц и сопровождается сжатием, т.е. имеет место отрицательный угол дилатансии на протяжении всего процесса сдвига (рис. 2), что ведет 
к ускоренному развитию осыпаний и оползней. При высокой 
прочности разрушенной породы или неоднородности грансостава 
(и, соответственно, высокой плотности) сдвиг сопровождается 
знакопеременной объемной деформацией или даже дилатансионным разуплотнением (рис. 3), что способствует нарастанию эффективного сопротивления сдвигу и затуханию процесса оползнеобразования. Однако по мере нарастания нормальной нагрузки 
(в первую очередь — высоты отвала) увеличивается вероятность 
локальных разрушений кусков и ситуация приближается к показанной на рис. 2. 
Особое значение для определения характера влияния грансостава на параметры сдвиговой прочности имеет однородность 
прочностных характеристик пород. Поэтому для опытов были 
выбраны неоднородная порода – габбро-долерит и однородная – 
мрамор. 
 

 
Рис. 1. Зависимость оценок c и tg φ от методики измерений 

Рис. 2. Уплотнение пробы разрушенной породы при сдвиге (Λ < 0) 
 

 
Рис. 3. Разуплотнение пробы разрушенной породы при сдвиге ( Λ > 0) 
 
На рис. 4 показаны зависимости углов естественного откоса 
и внутреннего трения от размера кусков габбро-долерита и мрамора. Как видно из графиков, угол внутреннего трения в однородной породе практически одинаков для мелких и крупных кусков, что предопределяет характер зависимости угла внутреннего 
трения от гранулометрического состава. 
Результаты исследования гранулометрического состава 
фракций мрамора и габбро-долерита на величину угла внутреннего трения приведены на рис. 5. Анализ результатов опытов 
показал, что в однородной породе с ростом показателя однородности дробления (n) угол внутреннего трения и сцепление уве

личиваются, так как дилатансионное разуплотнение препятствует сдвигу (рис. 5, а). В неоднородной породе эти зависимости 
выражены существенно слабее, так как основным фактором сопротивления сдвигу оказывается прочность крупных кусков 
(рис. 5, б). 
Оценка влияния распределения кусков по размерам на устойчивость отвалов, расположенных на прочном основании, выполнялась с использованием методов предельного равновесия 
(методом векторного сложения сил (ВСС) и методом Спенсера 
[6]) и МКЭ (программный комплекс Plaxis [7]). Анализ результатов, приведенных на рисунках 6 и 7 показал, что влияние 
нижнего слоя, сложенного кусками, более крупными и более 
однородными по грансоставу, чем остальная масса на общую 
устойчивость отвала определяется в первую очередь его вещественным составом (табл. 1). Если крупные куски в нижней части отвала имеют более высокую прочность, чем остальная отвальная масса (например, куски песчаника среди аргиллитов и 
алевролитов), то сепарация по размерам в процессе отвалообразования способствует повышению запаса прочности (рис. 6-3 и 
7-3). Однако, если прочность кусков нижней части отвала не отличается от прочности кусков основной массы, то различие однородности грансостава (и, соответственно, разрыхления) ведет 
к снижению прочностных свойств нижней части и всего отвала 
в целом (рис. 6-2 и 7-2). 
 
а 
 б 

 

Рис. 4. Зависимости углов внутреннего трения и естественного откоса от 
размера для и габбро-долерита (а) и мрамора (б) 

а 

 
б 

 
Рис. 5. Зависимость угла внутреннего трения от однородности дробления 
для мрамора (а) и габбро-долерита (б) 

1 
2 
 3 

 
Рис. 6. Расчет запаса устойчивости отвалов методом предельного равновесия при различных свойствах пород нижней части отвала 

 

 
Рис. 7. Определение механизмов возможной потери устойчивости отвала в зависимости от относительной деформации (рассчитанные в программе Plaxis) 

Таблица 1  

Пример расчета запаса устойчивости отвала с различными  
свойствами нижнего слоя (отвал на крепком скальном основании,  
высота яруса — 60 м, угол откоса — 38°) 

Коэф. запаса 
№ 
№ 
Тип модели 
Свойства отвальной массы 
Метод 
ВСС 
Спенсер 
Plaxis 

1 
Однородная 
γ=2,2 т/м3; 
φ=37°; С=3 
т/м2, 

1,34 
1,28 
1,29 

2 
Слоистая, 
нижний слой 
из крупных 
кусков той же 
породы 

Верхний слой 
γ=2,2 т/м3; 
φ=37°; С=3 
т/м2 

Нижний слой. 
γ=1,9 т/м3; 
φ=34°; С=3 
т/м2 

1,29 
1,21 
1,20 

3 
Слоистая, 
нижний слой 
из крупных 
кусков крепкой породы 

Верхний слой 
γ=2,2 т/м3; 
φ=37°; С=3 
т/м2 

Нижний слой 
γ=1,9 т/м3; 
φ=40°; С=5 
т/м2 

1,42 
1,38 
1,42 

 
Таким образом, нижний слой, сложенный из крупных кусков, в зависимости от прочности породы и гранулометрического 
состава может являться и призмой упора и в относительно редких случаях однородности вскрышных пород – слабым основанием отвала. Однако при формировании отвалов необходимо 
учитывать эти возможности, в частности путем перемешивания 
пород разной прочности и кусковатости, с тем, чтобы основание 
отвалов было сложено крупными кусками наиболее прочных 
пород. 
 
 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Ничипорович A.A., Рассказов Л.Н. Сопротивление крупнообломочных грунтов сдвигу. — Гидротехническое строительство, 1969. — 
№ 8, с. 21-26. 
2. Розанов H.H. О назначении расчетных параметров сопротивления сдвигу крупнообломочных грунтов. — Энергетическое строительство, 1978. — №2, с. 67-70. 

3. Пахомов O.A. Сопротивление сдвигу камней различной крупно
сти. Известия / ВНИИГ, — Л.: Энергия, 1975. — № 108, с. 207-212. 

4. Ершов Н.П., Зотеев В.Г., Фролов А.В. Сжимаемость и сопротив
ление сдвигу скальной массы. Труды ИГД Минчермета СССР — Свердловск, 1981. — №67, с. 72 — 76. 

5. Цирель С.В. Методы расчета свойств разрушенной горной массы 

и регулирование параметров развала при ведении взрывных работ. Автореф. докт. дис. … техн наук, М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1998. – 
49 с. 

6. Spencer E. A method of analysis of the stability of embankments 

assuming parallel inter-slice forces, Geotechnique, 1967, Vol. 17, No. 1, pp. 
11-26. 

7. Руководство пользователя PLAXIS 2D 2011 / Под редакцией 

R.B.J. Brinkgreve // Дельфтский технологический университет и PLAXIS 
bv. Нидерланды, 2012. 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Цирель С.В., Гапонов Ю.С., Павлович А.А. 
ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ, СДВИГОВАЯ  
ПРОЧНОСТЬ РАЗРУШЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД  
И ИХ ВЛИЯНИЕ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ОТВАЛОВ................................3 
 
 
 

CONTENT 
 
Tsirel’ S.V., Gaponov Yu.S., Pavlovich A.A. 
GRAIN SIZE COMPOSITION, SHEAR STRENGTH  
OF DISINTEGRATED ROCKS AND ITS EFFECT  
ON STABILITY OF ROCK DUMPS .............................................................3 
The dependencies of disintegrated rocks cohesion, disintegrated rocks internal 
friction angle and natural angle of slope of disintegrated rocks on lump size, 
uniformity of grain size and rock strength parameters are obtained. It is 
demonstrated that the lower bed of rock dump, formed by large lumps, 
depending on rock resistance and grain size composition can be a sustaining 
wall and in relatively rare cases of rock strength parameters uniformity of 
overburden rocks it can be a weak base of rock dump. 
Key words: disintegrated rocks, lump size, grain size composition, cohesion, 
internal friction angle, natural angle of slope, rock dump, strong base, finite 
elements method, limit equilibrium method. 
 
 
 
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ 
 
Цирель Сергей Вадимович — доктор технических наук, главный научный 
сотрудник, e-mail: tsirel58@mail.ru; 
 
Павлович Антон Анатольевич — кандидат технических наук, научный 
сотрудник, e-mail: dandy332@mail.ru; 
 
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» 
 
Гапонов Юрий Сергеевич — инженер ООО «Институт  Гипроникель», 
младший научный сотрудник Национального минерально-сырьевого университета «Горный», e-mail: Gaponony@gmail.com.