Распределение напряжений вокруг выработок
Причиной проявления горного давления является сооружение в массиве горных пород выработки, что приводит к перераспределению напряжений в нем и возникновению зон разряжения и концентрации напряжений.
Еще более осложняют напряженное состояние массивов пород и сооружений в нем такие дополнительные факторы, как тектонические силы, структурная раздробленность пород, литологическая их неоднородность, анизотропия свойств и многое другое. В результате совместного воздействия естественных и искусственно созданных факторов массивы горных пород находятся в весьма сложном напряженно-деформированном состоянии. Решающим здесь является то обстоятельство, что факторы, формирующие указанное состояние массива, в подавляющем большинстве имеют случайный характер. Современные методы, в том числе и вероятностно-статистические, не позволяют с достаточной надежностью оценить возможность и степень проявления любого из действующих факторов в конкретных условиях. Поэтому параметры горно-геологических явлений невозможно выразить в виде точных функциональных или иных зависимостей.
Сдвижение горных пород
Сдвижение горных пород — это длительный и многостадийный процесс деформирования подработанных массивов пород, вызываемого перемещениями их в сторону выработанного пространства. В процессе сдвижения участки массива пород, попадающие в зону влияния выработанного пространства последовательно или одновременно испытывают все виды деформирования: изгиб, сдвиг, растяжение, сжатие.
Sketch of subsurface and surface subsidence elements (modified after Erd˝osi 1987;
Hoványi and Kolozsvári 1989)
Процесс сдвижения начинает развиваться от выработки. В кровле выработки образуется зона разгрузки, породы которой передают давления на слой пород, непосредственно примыкающий к кровле, или на крепь. При определенном соотношении прочностных и деформационных характеристик пород и размеров выработки (так называемый предельный пролет) породы кровли начинают изгибаться и разрушаться.
Deformation of a TH4 steel ring used for mine working support after three decades
Если обрушение пород в кровле достаточно велико или выработку постепенно расширяют, процесс разрушения захватывает новые зоны, достигая земной поверхности.
Часть массива пород, перемещающаяся в сторону выработаннoro пространства, образует область сдвижения горных пород. В общем случае в этой области различают несколько зон сдвижения. Зона обрушения характеризуется полной потерей связи между отдельными частицами массива и беспорядочным перемещением их в сторону выработанного пространства, эта зона образуется лишь в тех случаях, когда залежь отрабатывается системами с обрушением налегающих пород (естественным или принудительным). Зона обрушения не всегда распространяется до земной поверхности. Это зависит от отношения глубины разработки и вынимаемой мощности залежи, а также горно-геологических условий месторождения (размеров и угла наклона залежи, физико-механических характеристик пород).
Непосредственно к зоне обрушения примыкает зона трещин, т. е. зона, где массив подработанных пород деформируется с разрывами сплошности, с образованием трещин различной ширины (от нескольких миллиметров до единиц метров) и протяженности. Для этой зоны характерно сохранение первоначальной ориентировки в пространстве частиц массива, несмотря на значительную (местами — полную) потерю связи между ними. Между зоной обрушения и зоной трещин нет четкой границы.
Зона трещин образуется в результате деформаций изгиба и сдвига отдельных слоев и участков пород в периферийной части массива, прилегающего к обрушенным породам. В процессе развития зоны обрушения за счет зоны трещин пограничные участки пород образуют консольные зависания, которые, прогибаясь в сторону зоны обрушения, отделяются от массива. На поверхности при этом образуются уступы в виде террас, разделенные трещинами, параллельными границам зоны обрушения.
Последняя, крайняя из зон сдвижения горных пород — это зона плавных сдвижений. Здесь перемещения и деформации пород происходят без разрыва сплошности. Размеры зоны и величины деформаций в большей мере зависят от прочностных и деформационных характеристик пород. Так, в породах слабых, рыхлых, пластически деформирующихся (пески, глины, сланцы и т. п.) размеры зоны плавных сдвижений наибольшие, соответственно велики и абсолютные величины перемещений и деформаций. Следует отметить, что в таких условиях зона трещин сравнительно мала или вообще отсутствует. Во многих случаях такие породы не образуют зоны обрушения, и выработанное пространство заполняется за счет пликативного (складчатого) прогиба пород вышележащей толщи.
В породах высокой прочности и хрупких зона плавных сдвижений весьма мала по размерам, а деформации очень незначительны, иногда их даже трудно наблюдать. В этих условиях наружные границы зоны трещин и зоны плавных сдвижений внешне совпадают.
Деформации пород в окрестностях горной выработки происходят, как правило, по имеющимся естественным поверхностям ослабления. В еще большей степени это положение относится к перемещениям и деформациям элементов и подработанного массива в целом при сдвижении горных пород.
Наиболее примечательным проявлением сдвижения горных пород на земной поверхности является мульда сдвижения, представляющая собой площадь поверхности над выработанным пространством, точки которой претерпели вертикальные и горизонтальные перемещения. Размеры (площадь) мульды сдвижения, как правило, больше проекции площади выработанного пространства.
Наиболее надежным методом определения параметров сдвижения горных пород следует считать непосредственные натурные наблюдения на поверхности и в подрабатываемом массиве пород эксплуатируемого месторождения. Наблюдения содержат комплекс измерений, который включает:
а) закладку сети реперов на земной поверхности и в подрабатываемых выработках подземных горизонтов и периодическое определение пространственных координат их методами маркшейдерской съемки;
б) закладку глубинных реперов в скважины, пробуренные в подрабатываемую толщу пород с целью определения вертикальных перемещений отдельных точек массива и наблюдения за развитием зоны деформаций;
в) детальную структурную съемку массива пород месторождения с целью качественной и количественной характеристик структурной расчлененности его;
г) съемку провалов и наблюдения за появлением и развитием трещин разрывов на поверхности, промежуточных горизонтах и глубине массива (специальными приборами) и др.
Fig. 36.9. GPS monitoring for the landslide control engineering in
Three Gorges Reservoir area of China
Однако не всегда имеется возможность получить параметры сдвижения на основе материалов натурных измерений, в частности, это относится к месторождениям полезных ископаемых с неизученным характером сдвижения и в первую очередь проектируемым к отработке. В этом случае параметры сдвижения горных пород принимают по аналогии с другими или путем пред-расчета.
Обрушения кровли выработок
Photo showing collapse area in the tunnel roof and cave-in material remaining on the tunnel floor 2 weeks after collapse
Cases of instability caused by weakness zones in Norwegian tunnels. Bull Eng Geol Environ (2011) 70:7–13
Защитная сетка. Месторождение Джульетта, Магаданская область.
Прорыв подземных вод
Cave-in situation approx. 225 m below sea level in the Atlanterhav tunnel
Пучение горных пород
Явление деформаций пород почвы и стенок подземных горных выработок, протекающее в форме выдавливания, выпирания пород в сторону обнажения, называют пучением. В инженерно-геологической и горнотехнической литературе это явление характеризуют также терминами: «вспучивание», «поддувание», «дутье», «набухание», «выдавливание», однако наиболее широкое распространение получил термин «пучение». Наиболее часто с этим явлением сталкиваются при разработке угольных, каменносоляных, рудных месторождений. Известно оно и в практике гидротехническото дорожного, промышленного строительства (при вооружении и эксплуатации транспортных и водосборных панелей, подземных хранилищ нефтегазопродуктов и др.) Особенно широко развито пучение на шахтах Подмосковного бассейна, Ахалцихского месторождения в Грузии, Артемовского месторождения на Дальнем Востоке, Никополь-Марганцевого бассейна.
В результате пучения уменьшаются размеры поперечного сечения выработок, разрушаются крепи, вентиляционные и транспортные магистрали. Известны случаи полного заполнения выработки выдавливаемой породой в течение 4—5 суток (Артемовское буроугольное месторождение).
Пучение свойственно главным образом глинистым породам, обладающим незначительным сцеплением и внутренним трением. С увеличением глубины заложения выработок пучению подвергаются породы значительной прочности - глинистые и песчанистые сланцы, плотные и прочные аргиллиты и алевролиты, иногда песчаники). Так, по данным А. П. Максилова, при глубине свыше 700 м большинство глинистых и песчано-глинистых сланцев выдавливается в выработки даже тогда, когда они заложены в нетронутом массиве. Процесс пучения глинистых пород развивается под действием сил горного давления, набухания породы, фильтрационного давления подземных вод, явления гидратации и окисления. Первопричиной пучения является нарушение естественного напряженного состояния массива после проведения выработки. При наличии благоприятных условий (обводненности или влажного воздуха) глинистые породы набухают, увеличивая свою пластичность.
При градиентах фильтрации, близких или превышающих критические значения (7кр), наблюдается вначале гидродинамическое взвешивание, а затем выпучивание породы, нередко завершающееся прорывом воды в горную выработку. Деформации в этом случае носят характер выпора. В некоторых случаях (например, в угольных шахтах Нелидовского района Мосбасса) наблюдается непосредственная связь между градиентами фильтрации и величиной давления пучащих пород на крепь. Такого рода явления свидетельствуют об особом типе пучения породы — пучение под действием фильтрационного давления. Основными средствами борьбы с ними являются снятие гидростатических напоров водоносных горизонтов и максимально возможное снижение величины горного давления.
В некоторых случаях отмечается своеобразное набухание пород вследствие приращения объема некоторых минералов в результате их гидратации, окисления и некоторых других процессов выветривания (гипс и др).
Предварительное осушение обводненных месторождений является наиболее универсальным и эффективным способом борьбы с пучением глинистых пород. С его помощью достигается снижение как горного, так и фильтрационного давления, во многих случаях играющих основную роль в деформациях пучения пород.
На процессы пучения кроме чисто горнотехнологических факторов оказывают влияние сложение породы, прочность и жесткость вмещающих пород и условия и форма залегания пучащейся породы. Слоистое сложение, наличие обводненных прослоек и линз, увеличение мощности породы способствует пучению. Жесткие породы, перекрывающие и подстилающие пучащуюся породу, играют роль своеобразных тисков и также способствуют пучению. Влияние формы и тектонических условий залегания, по-видимому, сказывается через перераспределение напряжений в окрестностях горных выработок. Например, в условиях синклинального залегания давление пучения заметно возрастает; наоборот, в осевых частях антиклинальных складок оно уменьшается. Повышается склонность к пучению пород и в зонах тектонических нарушений, как известно, всегда характеризующихся повышенным горным давлением.