ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ОПОЛЗНЯ

Назимко И.В.
Донецкий национальный технический университет

Назад

Источник: ПРОБЛЕМИ ГІРСЬКОГО ТИСКУ. Випуск 16 / Під заг. ред. О.А. Мінаєва. – Донецьк, ДонНТУ, 2008. – 260 с.

ВВЕДЕНИЕ

При работе угольных шахт возникают сдвижения земной поверхности. При этом сдвижения протекают в разной форме (мульды, провалы вокруг ствола, оползни склонов и т.д). В данной работе рассматривается процесс сдвижения земной поверхности в форме оползня, который может быть спровоцирован горными работами. Для того чтобы получить количественные характеристики оползня, необходимо производить мониторинг этих параметров в момент возникновения и развития оползня. Если происходит оползень скального массива, он протекает весьма быстротечно. В связи с этим рассматривается оползень глинистого пластичного грунта, вызванный длительным влиянием осадков, и развивающийся длительный период (в течение месяца). Кроме того, сам механизм оползня глинистого пластичного материала, обусловленного водонасыщением, принципиально не отличается от оползня, спровоцированного горными работами [1]. Оползни подвергают людей опасности, причиняют ущерб окружающей среде и влекут за собой большие экономические потери. Землетрясения, длительные осадки, а также деятельность людей провоцируют оползни. В данной работе рассматривается типичный оползень, который инициирован интенсивными осадками. В работе представлены некоторые результаты натурных измерений подвижек грунта в области, которая склонна к оползням.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПОЛЗНЯ С ПОМОЩЬЮ НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Экспериментальный участок (указанный полой стрелкой) был расположен в поселке Мелекино возле города Мариуполь.Было установлено 65 реперов на площади поверхности, имеющей размеры 30 на 40 м. Среднее расстояние между соседними реперами составило 3 – 5 м. Все измерения движения реперов были сделаны относительно двух базовых реперов, которые были зафиксированы на бетонных столбах, которые находились за пределами влияния оползня. Было произведено две сессии натурных измерений расстояний каждого репера от двух базовых реперов с помощью инварной проволоки. Кроме этого производилась нивелировка реперов с помощью водяного нивелира. Текущие координаты реперов вычисляли, используя результаты плановых и высотных измерений по известным тригонометрическим зависимостям [2].

Ранее было показано [3], что приращения необратимых сдвижений массива горных пород являются гораздо более информативными, чем суммарные сдвижения. Это обусловлено тем, что положительный или отрицательный знак либо поворот вектора сдвижений вправо или влево могут вычитаться друг от друга и таким образом, данные вектора исчезнут, что повлечет за собой существенную потерю информации. Именно поэтому было произведено дифференцирование результатов, а не интегрирование.

Приращение смещений реперов определялись как разница между предшествующим и последующим измерениями. Эти данные использовались для того, чтобы построить распределения векторов сдвижений. Область распределения смещений делится на сектора. Для того чтобы выделить эти сектора, были использованы различные типы линий для векторов, направленных вверх, вниз, вправо-вверх, вправо-вниз.

ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПОЛЗНЯ

В связи с тем, что натурный мониторинг параметров оползня является весьма трудоемкой задачей и требует длительного времени, в данной работе для более детального раскрытия механизма оползня было использовано физическое моделирование на эквивалентных материалах. Оползень был смоделирован на физической модели в геометрическом масштабе 1:200. Размеры модели составляли: левая высота 8 см, правая высота 7 см, ширина 34 см и длина 20 см.

Моделируемый материал состоял из мелкого песка (размер зерна <0,8 мм), цемента, серой глины и воды в пропорции 94:3:1:2. Эта смесь укладывается слоями в стенд, имеющий только боковые стенки. Плотность этой смеси после уплотнения составила 1550 кг/м3. Чтобы соблюсти динамический масштабный коэффициент, прочность на одноосное сжатие моделируемого материала должна находиться в пределах 0,072-0,004 MПа. Тестирование образцов, вырезанных из слоев в модели, показало, что его прочность на одноосное сжатие составляет приблизительно 0,1 MPa в натуре, что является близким к указанному диапазону с учетом масштабного фактора. Оседание моделируемой поверхности измерялось линейкой с точностью ±1,5 мм (вдоль оси Z). Смещения в горизонтальной плоскости (X, Y) были зарегистрированы цифровым фотоаппаратом и обработаны специальным программным обеспечением. Один пиксель соответствовал 0,56 мм в модели. Точность регистрации смещений в направлении X и Y была ± 2,35 пикселя или ± 0,32 мм с доверительным интервалом 95%. Такая точность обеспечила достаточную достоверность для исследования поведения оползня в физической модели. Съемка проводилась каждый раз, когда происходили видимые изменения в модели. Эти изменения были названы как стадии развития оползня. Этот помогло собрать максимальную информацию, касающуюся сложного поведения грунта в течение инициирования и развития оползня.

На стадии 9 было зафиксировано существенное скачкообразное изменение распределения смещений векторов. Половина поверхности грунта изменила направление смещений против движения оползня. Кроме того, перестроилось распределение кластерной мозаики. Такое специфичное поведение является предвестником разделения грунта, что было подтверждено на стадии 10. Существенная часть правой передней секции поверхности грунта отделилась и переместилась вниз по направлению оползня.

Дальнейшее скольжение грунта не сопровождалось видимой кластерной реорганизацией и изменением направления движения. Общая картина скольжения грунта соответствовала нисходящему движению. Вихревые образования практически отсутствуют на этих стадиях. Упрощение кластерной мозаики может быть объяснено аккумуляцией степеней свободы в массе грунта. В начальной стадии генерации скольжения масса грунта плотная и не может перемещаться как целое тело, потому что существуют условия ограничения степеней свободы или подвижности грунта. Любой оползень происходит как местное явление. Для того чтобы отделиться от остальной массы грунта, скользящая часть грунта должна накопить степени свободы от трещин, зон напряжения и среза. Любая такая зона должна расшириться, так как расширение - это необходимое условие для отделения грунта от основной массы массива.

Критическая величина расширения не может набраться мгновенно и синхронно через все границы между скользящим телом и основной покоящейся массы. Следовательно, расширение может быть аккумулировано последовательно, маленькими частями в пространстве и во времени. Эти части создаются вследствие локальных разделений и разрывов относительно маленьких блоков грунта. По мере того как эти блоки разделяются, они должны переместиться, чтобы освободить пустое пространство для разделения следующих частей. Даже после того, как произошло достаточное разделение, блоки грунта должны приспособить свое взаимное движение, вращение, изменение скорости движения и даже направление. Поэтому сложная кластерная организация, вихри и «странное» поведение блоков грунта регистрировались как в натуре, так и в модели. Такое сложное поведение происходит на начальных стадиях развития оползня, когда отсутствует достаточное пространство для перемещения.

Стоит подчеркнуть, что кластерная организация доказана не только взаимным согласованием движения, но и наличием иерархии кластеров. Чтобы продолжать процесс скольжения, кластеры в стадии 7 должны разделиться и предоставить возможность образования новым кластерам на стадии 8. Кроме того, некоторые кластеры, существующие на стадии 7, должны сливаться на стадии 8. Большинство кластеров, упомянутых выше, должно сливаться, чтобы создать два кластера в 9-ой стадии скольжения оползня. Именно такой процесс слияния/разделения кластеров отражает их иерархию.

Это означает, что процесс скольжения грунта комбинирует разделение блоков массива и реорганизацию кластеров во времени и в пространстве, чтобы минимизировать энергию, затрачиваемую этим процессом. Эта точка зрения совпадает с выводом, который сделан в процессе исследования кластерной организации в процессе провалов поверхности при подземной разработке [4].

Предложенный в данной работе критерий оценки момента активизации оползня является перспективным с точки зрения повышения достоверности прогноза оползневой опасности [5-8], а также обоснования методов ее предотвращении [9-10]. Для обеспечения возможности применения нового критерия устойчивости склонов необходимо определить количественные параметры кластерного образа земной поверхности и массива горных пород, при возникновении которого опасность развития оползневого процесса существенно возрастает.

ВЫВОДЫ

Подведя итоги результатов натурных инструментальных измерений и физического моделирования, можно сделать некоторые предварительные заключения. Скольжение грунта в процессе зарождения и развития оползня происходит из-за локальных разделений и разрушений блоков массива. Скольжение развивается, только если разделенные блоки приспособят их взаимное движение, вращение, изменение скорости и направления скольжения и сгруппируются в кластеры блоков. Эти кластеры повинуются иерархии, которая требует их воссоединения и разделения в течение скольжения. Границы этих кластеров могут создаваться за счет дезинтеграции блоков массива, которые находятся в кластерной мозаике. Кластерное распределение перед активизацией оползня необычно и отличается от предыдущих распределений, которые имели место при стабильном процессе скольжения. Такое поведение соответствует принципу механики минимизации энергии при развитии оползня и может быть использовано в качестве предвестника катастрофического развития оползня.

Дальнейшими исследования предусматривается математическое моделирование процесса кластерной эволюции тела оползня и установление закономерностей его зарождения и развития.

Литература

  1. Методические указания по исследованию горного давления на угольных и сланцевых шахтах. – Л.: ВНИМИ, 1973. – 58 с.
  2. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. – М.: Наука, 1972. – 416 с.: ил., табл.
  3. Бокий Б.В., Александров С.Н., Назимко И.В. Кластерный механизм динамики сдвижения подрабатываемого движущейся лавой массива горных пород // Матеріали міжнародної конференції «Форум гірників – 2007». – Д: Національний гірничий університет, 2007. – С. 55-59.
  4. Nazimko V.V., Sazhnev V.P., Peng S.S., Zacharov V.S., Gryaznov V.S. // Investigation of a roof fall as an irreversible process of rock mass self-organization. Проблеми гірського тиску. – Донецк: ДонНТУ. – 2001. - № 5. - С. 48-71.
  5. Демчишин М.Г. Прогноз и предупреждение оползневых явлений на территории Украины. (Препринт. / АН УССР Институт геологических наук; 82 – 18). – К., – 1982.
  6. Королев В.А. Мониторинг геологической среды: Учебн. / Под ред. В.Т. Трофимова. – М., – 1995.
  7. Кюнтцель В.В. Закономерности оползневого процесса на Европейской территории СССР и их региональный прогноз. – М., – 1980.
  8. Рудько Г. І., Ковальчук І.П., Польовецький В. Геоекологичні умови катастрофічної активізації зсувів у містах Карпатського регіону // „Економіко-, соціально- і екологогеографічні проблеми західноукраїнського прикордоння”. – Львів, - 1997. – С. 202 – 216.
  9. Дранников А.М. Оползни Украины и опыт борьбы с ними // Тр. первого Укр. гидрогеол. совещ. – К., 1961. – Т.2. – С. 17 – 28.
  10. Оползни. Исследование и укрепление / Под ред. Р. Шустера и Р. Кризека / Пер. с англ. А.А. Варги и Р.Р. Тизделя. – М., –1981.

Назад