Прочность пород по естественным поверхностям ослабления

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 
 
 
 
Б.В. Несмеянов 
Ю.Б. Несмеянова 
 
 
 
 
Прочность пород 
по естественным  
поверхностям ослабления 
 
 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской 
Федерации по образованию в области горного дела в качестве  
учебного пособия для студентов-магистрантов, обучающихся  
по магистерской программе 550609 «Маркшейдерия» направления 
подготовки магистров техники и технологии 130400 «Горное дело», 
и аспирантов, обучающихся по специальностям 25.00.16  
«Горно-промышленная и нефтегазопромысловая геология,  
геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»  
и 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород,  
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» 
 
Москва  2014 

УДК 622.268.023.26; 623 
ББК 33.12 
Н55
Р е ц е н з е н т ы :
д-р техн. наук, проф. А.Б. Макаров (РГГРУ);
д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.О. Кузьмин (ИФЗ им О.Ю. Шмидта РАН)
Несмеянов Б.В.
Н55
Прочность пород по естественным поверхностям ослабления : моногр. / Б.В. Несмеянов, Ю.Б. Несмеянова. – М. : Изд.
Дом МИСиС, 2014. – 107 с.
ISBN 978-5-87623-827-6 
В монографии представлены результаты анализа многочисленных случаев обрушения откосов и обоснована необходимость определения прочностных характеристик пород по поверхностям ослабления при решении задач
геомеханики. Приведены результаты исследований по определению механических характеристик слоистых и трещиноватых пород с закрытыми и открытыми контактами. Описаны новые способы и средства испытаний образцов горных пород. Предложены новые трактовки отдельных положений механизма разрушения и даны общие рекомендации по определению прочности
слоистых и трещиноватых пород.
Для подготовки магистров, обучающихся по магистерской программе
550609 «Маркшейдерия», закончивших бакалавриат в РФ и странах ближнего и дальнего зарубежья, аспирантов, обучающихся по специальностям
25.00.16 «Горно-промышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр» и 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», и
студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Горное дело». Может быть полезна
работникам учебных, научно-исследовательских, проектных и производственных организаций горного профиля.
УДК 622.268.023.26; 623 
ББК 33.12 
ISBN 978-5-87623-827-6 
© Несмеянов Б.В.,
Несмеянова Ю.Б, 2014 
2

ВВЕДЕНИЕ
В
условиях
современного
горного
производства,
характеризующегося
неуклонным
ростом
мощности
предприятий,
интенсификацией
производственных
процессов,
усиливающимися
противоречиями между прогрессивным увеличением спроса на полезные
ископаемые и ухудшением природных условий их размещения в недрах,
увеличением глубины и сроков службы выработок, особо важное значение
приобрела проблема обеспечения устойчивости горных выработок, от
успешного
решения
которой
во
многом
зависят
эффективность
и
безопасность ведения горных работ на карьерах и в рудниках, а также
полнота извлечения полезных ископаемых из недр.
В последние годы сделан значительный шаг в решении проблемы
обеспечения
устойчивости
горных
выработок,
особенно
в
области
совершенствования расчетных методов и схем. Однако эти методы не в
состоянии гарантировать достаточную надежность прогноза устойчивости,
что прежде всего связано с низкой надежностью и достоверностью
исходных данных, используемых в расчетах. Особенно это касается
прочностных свойств приконтурных массивов.
Известно, что определение свойств непосредственно в массиве
(натурных
условиях)
очень
трудоемко,
а
в
скальных
породах
в
большинстве случаев невозможно ввиду того, что не представляется
возможным оконтурить призмы для среза без их разрушения. Поэтому до
настоящего
времени
для
оценки
прочностных
свойств
массива
используется метод определения свойств в лабораторных условиях (по
образцам) с последующим переходом к прочности в массиве посредством
так называемого коэффициента структурного ослабления, численные
значения которого вычисляют по различным методикам и эмпирическим
3

зависимостям. При этом результаты расчетов по различным методикам
отличаются друг от друга в некоторых случаях более чем на 300%. 
Следует отметить, что в этих методиках и зависимостях в лучшем
случае учитывается интенсивность трещиноватости и не учитывается
пространственная
ориентация
трещин.
К
тому
жe
для
испытаний
отбирают, как правило, монолитные ненарушенные образцы, что также
приводит к определенным ошибкам и погрешностям при оценке прочности
массива.
Принимая положение, что контакты скальных пород в большинстве
своем по условиям механизма сдвижения слабее самих контактирующих
пород, можно сделать вывод о том, что устойчивость трещиноватых и
слоистых
массивов,
а
также
характер
и
объем
деформаций
будут
определяться пространственной ориентацией поверхностей ослабления и
прочностными
характеристиками
по
ним.
Поэтому
выявление
закономерностей
изменения
прочности
пород
по
поверхностям
ослабления, разработка методов и средств ее определения являются одним
из основных путей повышения надежности оценки устойчивости горных
выработок [15]. 
4

Глава 1 
ДЕФОРМАЦИИ УСТУПОВ И БОРТОВ КАРЬЕРОВ ПО
ДОБЫЧЕ РУД ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ.
ФАКТОРЫ И ПРИЧИНЫ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ
Месторождения руд цветных металлов расположены в равнинной,
гористой и холмистой местностях практически всех регионов России.
Характеризуются
сложными
и
весьма
сложными
геологическими
условиями, наличием зон рассланцевания и дробления пород, большим
разнообразием литологических разностей. Рудные тела залегают среди
осадочных, эффузивных, интрузивных пород различного состава и их
измененных разностей. Породы в большинстве своем средней крепости с
пределом прочности на сжатие 20-160 МПа. По своему генетическому
типу эти месторождения в основном относятся к магматическим и
метаморфическим [18]. 
Магматические
месторождения
характеризуются
относительной
однородностью вмещающих пород, высокой их прочностью и стойкостью
против выветривания, размокания и набухания. Нерабочие борта карьеров,
сложенные такими породами, устойчивы, если они не подсекаются
значительными поверхностями ослабления. Основной вид деформации
откосов - осыпи, интенсивность которых зависит от минералогического
состава пород и способа ведения взрывных работ в приконтурной зоне.
Наиболее стойкими являются кварцсодержащие породы.
Метаморфические
месторождения
отличаются
большим
разнообразием
свойств
пород,
обусловленным
их
первоначальными
исходными
свойствами
и
видом
метаморфизма,
которому
они
5

подвергались.
Наиболее
измененными
являются
породы
в
зонах
окисления, в связи с чем они легко деформируются после обнажения.
Породы зоны цементации менее подвержены деформации. Для этих
месторождений характерны все основные виды деформаций откосов - 
осыпи, обрушения, оползни [20]. 
Особыми специфическими условиями отличаются месторождения
руд цветных металлов и алмазов, расположенные в зоне многолетней
мерзлоты.
Многолетнемерзлые
полускальные
и
скальные
породы
характеризуются высокой несущей способностью в мерзлом массиве и
резко снижают свою прочность при оттаивании в обнаженных откосах.
Уступы, сложенные такими породами, вследствие криогенных процессов
подвержены интенсивному осыпанию и обрушению отдельных блоков.
Коренные породы всех типов месторождений покрыты рыхлыми
образованиями
в
виде
элювиально-делювиальных
и
аллювиальноделювиальных отложений, которые представлены песчаной глиной с
обломками коренных пород с прослоями песка. Элювий представлен
древней корой выветривания материнских пород. Литологически это
суглинки, реже глина с обломками коренных пород.
Четкой границы между корой выветривания и неизмененными
породами нет. Степень выветривания затухает постепенно. Зона перехода
от
пород
коры
выветривания
к
коренным,
мощностью
до 40 м,
представлена полускальными породами с пределом прочности на сжатие
8-30
МПа.
Аллювиально-делювиальные
отложения
встречаются
на
участках долин рек и у озер. Мощность рыхлых пород на месторождениях
зависит от геоморфологии рудного поля и колеблется в пределах от 0 до 80 
м [20]. 
В процентном отношении мощность зон составляет для рыхлых
отложений  0-30 %, полускальных пород - 0-18 %  и скальных пород - 7080 % [18]. 
6

В гидрогеологическом отношении месторождения характеризуются
сравнительно
небольшой
водообильностью.
Суммарные
притоки
в
карьерах составляют 65-200 м3/ч. Подземные воды заключены в рыхлых
породах, в верхней трещиноватой зоне скальных пород и руд, а также в
пределах зон разрывных тектонических нарушений [20]. 
Основной
водоносный
комплекс
на
месторождениях
образуют
подземные воды трещиноватых коренных пород, где выделяется единый
водоносный горизонт, мощность которого обусловливается глубиной
распространения
открытых
трещин
выветривания
и
ограничивается
глубиной 80-100 м. Наряду с обводненностью верхней трещиноватой зоны
на месторождениях вода циркулирует на значительных глубинах по
рассланцованным контактам слоев и структуре. Мощность водоносного
горизонта
элювиальных
отложений
определяется
их
размерами
и
колеблется от 0 до 50-80 м. Питание подземных вод происходит в
большинстве своем за счет инфильтрации атмосферных осадков.
По устойчивости откосов месторождения руд цветных металлов
относятся
в
основном
к
первой
и
второй
группам
классификации
инженерно-геологических комплексов по Г.Л. Фисенко [32]. 
Обследование фактического состояния откосов на карьерах по добыче
руд цветных металлов показало, что на всех без исключения карьерах
имеются различного вида и объема деформации, и это несмотря на то, что
многие карьеры еще не достигли своей проектной глубины и имеют
фактические углы наклона бортов меньше проектных. Обобщая полученные
данные, следует отметить, что деформации откосов наблюдались как в
рыхлых отложениях, так и в полускальных и скальных породах [18, 20]. 
В рыхлых породах деформации, как правило, проявлялись в виде
осыпей, обрушений, оползней и оплывин. В скальных и полускальных
породах - в основном в виде осыпей и обрушений и реже в виде оползней по
тектоническим трещинам большого протяжения. При этом такой вид
7

деформации, как осыпи, наблюдался повсеместно. 58% всех отмеченных
деформаций составляли обрушения, 28% - оползни, 8% - оплывины и 6% - 
просадки [20]. 
По объемам и последствиям все деформации принято делить на три
группы [18]. 
Первая
группа
включает
деформации
бортов
в
предельном
положении, ограниченные по высоте одним - тремя уступами (50-60 м). В
большинстве своем это вывалы породы по подрезанным трещинам или
обрушения ослабленных взрывными работами участков бортов. Такие
деформации отмечены практически на всех обследованных карьерах.
Ко второй группе относятся деформации бортов в предельном
положении, захватывающие по высоте участки более 60 м. Объем таких
деформаций обычно превышает 200 тыс. м3, а их локализация требует
остановки плановых работ и пересмотра проекта отработки карьера. Такие
деформации были отмечены на Сорском, Сибайском, Гайском № 1 и
Гайском №2, Зодском, Златоуст-Беловском, Балейском карьерах, а также
карьерах 
"Кальмакыр"
Алмалыкского
ГМК, 
 
"Мукуланский"
Тырныаузского ГМК и др.
Третья группа включает деформации рабочих уступов. Этот вид
деформаций не требует привлечения дополнительных средств, однако
создает опасные условия ведения горных работ. Для предотвращения такого
вида деформаций обычно уменьшают углы наклона откосов или их высоту.
Обобщенные сведения о деформациях бортов ряда карьеров по
добыче руд цветных металлов и основные факторы, приведшие к их
возникновению, приведены в табл. 1.1. 
Анализируя причины возникновения деформаций, следует отметить,
что большая их часть связана с влиянием природных факторов - 
климатических,
геологических 
(инженерно-геологических)
и
гидрогеологических, из которых лидирующее положение занимает группа
8

геологические
БВР,
заоткоска
другие
гидрогеологические
Факторы, приведшие к возникновению деформаций
9
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
1
Златоуст-Беловский корпорации “Казахмыс”
осыпи,
обрушения,
провалы
 
 
+ 
+ 
подземные
работы
2 
“Центральный” к-та “Печенганикель”
осыпи,
обрушения,
оползни
+ 
 
+ 
+ 
подземные
работы
3
Мукуланский Тырныаузского ГМК
осыпи,
обрушения,
провалы,оползни
 
 
+ 
+ 
подземные
работы
4
Гайский № 1 
осыпи, оползни,
обрушения
 
 
+ 
+ 
подземные
работы
5 
“Медвежий ручей” Норильского к-та
осыпи,
обрушения
+ 
+ 
+ 
+
подземные
работы
6
к-ры Никитовского к-та
оползни,
обрушеня,
провалы, осыпи
 
+ 
+ 
+ 
подземные
работы
7 
“Кальмакыр” Алмалыкского к-та
оползни,осыпи,
обрушения
 
+ 
+ 
+ 
система
разработки
№№
пп
Название карьера
Вид деформации
климатические
Таблица 1.1 
Деформации бортов карьеров по добыче руд цветных металлов и основные факторы, приведшие к их
возникновению

8
Сорский
осыпи,
обрушения
 
 
+ 
+ 
 
9
Сибайский
оползни,
обрушения,
осыпи
 
+ 
+ 
+ 
 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
10
Черемшанский Уфалейского к-та
осыпи,
обрушения,
оползни
 
 
+ 
+ 
 
11
Учалинский
осыпи,
обрушения
 
+ 
+ 
+ 
 
12
Гайский № 2 
осыпи,
обрушения
 
 
+ 
+ 
 
13
Маднеульский
оползни, осыпи,
обрушения
 
+ 
+ 
+ 
 
14 
“Сопка большая” Шерловогорского к-та
осыпи,
обрушения,
оползни
 
 
+ 
+ 
 
15
Молодежный
оползни,
оплывины
 
+ 
 
 
 
16
к-ры объединения “Якуталмаз”
осыпи,
обрушения
+ 
 
+ 
+ 
 
17
Жирекенский
осыпи,
обрушения
 
 
+ 
+ 
 
18 
“Акжал” Акчатаусского к-та
осыпи,
обрушения,
оползни
 
 
+ 
+