|
|
^пас Ранги |
Рис. V-20. Схема к расчету давления |
на |
крепь горизонтально!! выработки |
со стороны почвы (по |
П. |
М. Цимбаревичу). |
При оценке горного давления со стороны почвы горных выработок пользуются главным образом методом, предложенным также П. М. Цимбаревичем. Под влиянием веса горных пород» слагающих опорные целики подземных выработок с бо-
ков (рис. V-20), горные |
породы, залегающие в их основании, |
|||
могут |
выдавливаться в |
подземные |
выработки. Устойчивость |
|
пород |
почвы |
выработок |
в этом случае определяется равнове- |
|
сием |
между |
активным |
давлением |
призмы пород (ракт)- вы- |
давливаемых нз-под опорных целиков, и пассивным давлением призмы пород (рпас), оказывающим сопротивление выдавливанию. Если активное давление больше пассивного, произойдет сдвиг пород внутрь выработки или возникнет давление на крепь, если почва закреплена. Суммарное давление пород со
стороны почвы в этом случае |
будет равно |
равнодействующей |
|||||
N, направленной вверх (рис. V-20): |
|
|
|
||||
г д е А р = ; ? а к т — Р п а с , и л и |
|
|
|
|
|
||
где Ракт — активное |
давление, |
Па; рпас — пассивное |
давление, |
||||
Па; |
Н — расстояние |
от кровли |
свода естественного |
равновесия |
|||
до |
уровня почвы выработки, |
м; |
ф — угол |
внутреннего |
трения |
||
пород; л^о — глубина |
от уровня |
почвы выработки, на |
которую |
||||
152
еомпа
Рис. V-21, График распределения давленЕя на крепь горизонтальной выработки (по А. П. Максимову).
Эпюры распределения давления: |
1 — через 30 сут: |
||||
2 — через |
60 сут; 3 — через |
90 |
сут; |
4 — через |
|
120 сут; |
5 —приборы |
(месдозы) |
для |
измерения |
|
|
давления |
на |
крепь. |
|
|
Рис. V-22. Эпюра распределения давления на крепь вертикального шахтного ствола (по А. П. Максимову).
распространяется движение пород почвы, определяемая по выражению
Я tg* ((90 - |
ф)/21 |
l - t g « ц д О - ф ) / 2 ] |
|
Таковы некоторые методы оценки и прогноза горного дав- |
|
ления в подземны.х выработках. |
Следует заметить, что их |
разработка продолжается. В последнее десятилетие появился ряд интересных работ многих специалистов — А. М. Козела, В. А. Борисова, Н. А. Рейка [1976 г.], Н. С. Булычева [1982 г.]. И. Л. Черняка [1978 г.] и др. В настоящее время накопилось достаточно много данных непосредственных измерений горного давления в подземных выработках на разных месторождениях полезных ископаемых. Наибольшее число измерений выполнено на угольных шахтах в горизонтальных выработках на глубинах до 1000 м. Эти наблюдения показали, что горное давление может изменяться в значительных пределах в зависимости от геологических условий, свойств горных пород и
характеристики |
крепи. |
Однако |
в |
подавляющем |
большинстве |
случаев вертикальное |
давление |
в |
горизонтальных |
выработках |
|
не превышает |
400 МПа и в |
среднем составляет 200 МПа. |
|||
В редких случаях оно достигает 500—1200 МПа. В вертикальных выработках горное давление обычно имеет меньшие значения; в породах средней крепости и мягких оно достигает 50—150 МПа, а в крепких — совсем небольшое.
153
Т А Б Л И Ц А V-3
Инженерные мероприятия по управлению горным давлением при производстве строительных н горных работ
(по Н . С. Булычеву)
У с л о в и я на к о н т а к т е |
И н ж е н е р н ы е - м е р о п р и я т и я |
горных пород |
|
я к р е п л г о р н ы х |
в г о р и з о н т а л ь н ы х в ы р а б о т к а х в в е р т и к а л ь н ы х в ы р а б о т к а х |
в ы р а б о т о к |
Сохранение гравитационного давления или частичное его снижение
Сдерживание влияния забоя выработки
Ограничение смещений горных пород с помощью крепи
Обеспечение смещений пород в заданных пределах
Применение забивной или залавливаемой крепи Проходка и возведение крепи под сжатым воздухом
Возведение крепи у забоя или на расстоянии от него менее пролета выработки
Подводный способ возведения крепи при бурении
Совмещенная схема, т. е. одновременное проведение проходки и крепления
Последовательна я схема
Применение монолитной крепи из быстротвердеющего бетона
Применение сборной жесткой крепи с тампонажем закрепленного пространства под давлением
Применение сборной крепи с обжатием в породу. Применение монолитной пресс-бетонной крепи
Возведение крепи с отставанием от забоя
Применение податливой крепи |
|
|
|
Способ двойной проходки |
Ввод крепи |
в |
контакт |
с |
породами при |
бурении |
|
после откачки |
промывоч- |
||
ного раствора |
|
|
|
Ускорение |
смеще- |
Применение сейсмичмких колебаний |
|
ния пород в |
процессе |
путем взрывания |
пород вокруг выработок |
образования |
зоны не- |
Применение щелевой |
раз- |
упругих |
деформаций |
грузки или разгрузки с по- |
||
и разрушения |
|
мощью буровых |
скважин |
|
Снижение нагрузок |
Механическое упрочнение пород (штанговая крепь). |
|||
на крепь за счет из- |
Укрепление н упрочнение пород цементацией, |
|||
менения |
свойств |
по- |
силикатизацией, |
электроосмотическим осушением |
род, окружающих |
вы- |
и другими способами. Термическое упрочнение пород |
||
работку |
|
|
|
|
Из Практики известно, что в отдельных случаях горное давление может достигать 2000—3000 МПа и создавать большие сложности и трудности при производстве строительных и горных работ. Самым новым примером такого случая может служить строительство гидротехнического туннеля Арпа — Севан (Даниелян С. С., Разумов В, К-, 1981 г.]. Здесь на отдельных участках в глинистых породах пришлось применять обделку, способную воспринимать невиданное до настоящего времени
]б4
горное давление — до 4000 МПа. Непосредственные измерения горного давления в горных выработках на месторождениях полезных ископаемых показали, что его распределение по контуру выработок обычно неравномерно (рис. V-21, V-22), причем «пиковые» значения иногда в 2—3 раза превышают средние.
Развитие горного давления во времени обычно характеризуется значительной интенсивностью в начальный период (месяц— полтора), затем скорость его нарастания значительно снижается и постепенно стабилизируется. Наблюдениями установлено, что горное давление на податливые крепи при прочих равных условиях на 50—70 % ниже, чем на жесткие. Наконец, необходимо учитывать, что важнейшим моментом в управлении процессом развития горного давления является обеспечение определенных условий производства строительных и горных работ. Эти условия должны определять механизм взаимодействия горных пород н крепи и управлять (предупреждать, сдерживать, снижать) развитием горного давления. Перечень инженерных мероприятий, обеспечивающих управление горным давлением, приведен в табл. V-3.
Глава VI
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ ПРИ ПРОХОДКЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
VI-1. Общие понятия
Горные породы в условиях естественного залегания находятся в состоянии равновесия. При строительстве шахт и карьеров это равновесие часто нарушается под влиянием многих причин: 1) проявления некоторых специфических свойств горных пород, связанных с особенностями их состава и строения; 2) определенного их физического состояния, обусловленного выветрелостью, трещиноватостью, закарстованностью, тектонической раздробленностью, высокой влажностью и водоносностью, промерзанием, льдистостью и др.; 3) определенных условий залегания горных пород, последовательности напластования пород различного петрографического состава, нарушенности их первоначального горизонтального залегания, определенной ориентировки поверхностей и зон ослабления; 4) действия нагрузки вышележащих горных пород, а иногда и наземных сооружений; 5) действия тектонических напряжений, иногда при участии газов; 6) действия гидростатического и гидродинамического напоров подземных вод; 7) действия химического состава подземных, поверхностных, шахтных и рудничных вод на горные породы и изменения их свойств; 8) нерераспределения напряжений, образования зон повышенного напряжения — зон концентрации напряжений в горных породах при проходке горных выработок; 9) динамического воздействия
взрывных и горно-буровых работ, транспорта, |
горных машин; |
|
10) способа вскрытия |
и системы разработки |
месторождения, |
т. е. горнотехнических |
причин, и др. |
|
Вследствие нарушения равновесия горных пород возникают и развиваются разнообразные геологические процессы и явления, реализующиеся в деформациях, разрушении, перемещении
и сдвижении |
их масс |
различных объемов —от единиц |
до ты- |
сяч, десятков |
тысяч |
и даже сотен тысяч кубических |
метров. |
Неодинаковы скорость развития и повторяемость этих деформаций: одни проявляются быстро, внезапно, носят катастрофический характер, другие развиваются медленно, с затухающей или прогрессирующей скоростью.
Геологические процессы в подземных выработках и карьерах проявляются также в различных видах водопркюков (оцениваемых суммарным и удельным притоками воды, коэф-
1 5 6
фициентамн водообильности пород и др.), фильтрационных деформаций (суффозия, разжижение, выпор, прорыв, уплотнение пород при дренирования др.) и явлений мерзлотного комплекса (сплывы, оползни, термокарстовые и наледные явления, морозное пучение и др.) в районах распространения многолетней мерзлоты. Фильтрационные деф.ормации и явления мерзлотного комплекса, так же как и водопроявления, вызывают перемещение масс горных пород и воды, т. е. сопровождаются массопереносом.
Природа и механизм различных видов деформаций, разрушений, перемещений и сдвижений масс горных пород в подземных выработках и в бортах карьеров часто отличаются большой сложностью. Под механизмом перемещений мы понимаем
.характер, способ, вид движения масс горных пород под влиянием действующих на них сил. Перемещение — это движение отдельных объемов или подвижно соединенных между собой объемов масс горных пород или вязкое их течение под влиянием силы тяжести, гидродинамического давления и других сил. Механизм движения масс горных пород определяет вид геологических процессов и явлений.
Каждый геологический процесс возникает при наличии определенных несоответствий, противоречий в геологической среде, являющихся движущей силой йх развития. Поэтому теоретической основой, определяющей развитие геологических процессов, являются законы связей между процессами и явлениями, существующие в объективном мире, или, конкретнее, законы предельных равновесий, предельных соответствий. Эти законы и предполагают естественную неизбежность возникновения и развития геологических процессов и явлений при нарушении предельных равновесий, определенных соответствий.
Следовательно, причинами геологических процессов надо считать все то, что определяет реализацию действующих сил, а именно: недостаточную прочность горных пород на сжатие, скалывание и разрыв по отношению к напряжениям, действующим по контуру выработок; снижение прочности и устойчивости горных пород ниже действующих напряжений вследствие изменения их физического состояния при выветривании, размягчении, размокании и набухании, появления искусственных трещин, оттаивания и других явлений в бортах карьеров и подземных выработках; возникновение и увеличение гидродинамического давления в горных породах при вскрытии водоносных горизонтов, зон и комплексов горными выработками; проявление гидростатических сил при обнажении горных пород горными выработками; изменение составляющих силы тяжести (удерживающих и сдвигающих — скалывающих) при обнажении горных пород в откосах и подземных выработках; разгрузка горных пород, находящихся в напряженном или избыточно напряженном состоянии, ири проходке горных выработок и, как следствие, их быстрое, мгновенное или медленное
157
разуплотнение, сопровождающееся расслаиванием, образованием трещин упругого отпора, стрелянием, горными ударами, выбросами угля и газа, отжимом пород и другими явлениями.
Каждый геологический процесс может развиваться под воздействием одной причины, но наиболее часто наблюдается совместное влияние нескольких причин. Не зная причин образования и развития геологических процессов и явлений, нельзя ими управлять. Поэтому первейшая задача изучения геологических процессов и явлений состоит в раскрытии причин их возникновения и развития и всего того, в чем проявляется и обнарулчивается сущность явлений. Именно в этом заключается научная основа их изучения.
В этом плане очень важно отметить, что геологические процессы н явления, связанные с инженерной деятельностью человека, вызывают, как правило, те же изменения в горных породах, что и природные процессы, и их развитие обусловливается не какими-то специфическими противоречиями, отличающимися от тех, которые служат движущей силой природных геологических процессов и явлений. У природных и техногенных процессов могут быть одинаковыми пределы возможных изменений интенсивности и скорости развития, места проявления и площади распространения. Для управления как теми, так н другими пользуются одними и теми же теоретическими основами, методами и техническими средствами. Все это позволяет утверждать, что нет оснований как-то противопоставлять техногенные геологические процессы и явления природным. Их различия кажущиеся, поверхностные, чисто формальные, а сущность явлений, их физика и механика одни и те же.
Формирование инженерно-геологических условий территорий, геологической среды и их изменения протекают под влиянием то одних, то других, а часто при переменном усилении или ослаблении то природных, то техногенных. В этом мы видим диалектическое единство и направленность развития геологических процессов и формирования инженерно-геологиче- ских условий территорий, геологической среды.
Геологические процессы составляют сущность геологической жизни Земли, они указывают на постоянно возникающие нарушения равновесий и соответствий в ее материальной и энергетической системах. Здесь важно особо подчеркнуть, что на месторождениях полезных ископаемых существенное значение в геологической жизни Земли имеет техногенный энергетический фактор, т. е. геологические процессы, возникающие при воздействии на геологическую среду горных сооружений и горных работ.
При оценке и прогнозе геологических процессов и явлений важно не только раскрывать причины их возникновения, но и выявлять условия, способствующие их развитию, т. е. всю совокупность природных и искусственных обстоятельств, облегчающих действие сил, которые вызывают то или иное явление. На-
1 5 8
пример, наклон поверхностей и зон ослабления к основанию
склона облегчает |
действие |
сдвигающих |
усилий, и |
наоборот, |
их наклон в глубь |
склона |
затрудняет, или |
исключает |
действие |
этих сил и т. д. Следовательно, причины возникновения геологических процессов и условия, способствующие их развитию, — не одно и то же. Смешивать эти понятия не следует, их расчленение облегчает анализ явлений и прогноз процессов.
Итак, |
проблемы инженерной геологии |
месторождений |
твердых |
полезных ископаемых, связанные с |
изменениями ин- |
женерно-геологических условий геологической среды и рациональным ее использованием, — это проблемы оценки угрожаемости существующих геологических процессов и явлений, прогноза возникновения новых и управления ими.
При строительстве, сооружений, использовании территорий и геологической среды человек должен полно учитывать следующие основные законы инженерной геологии: 1) использовать территории, строить сооружения и производить инженерные работы необходимо в соответствии с существующими геологическими условиями — организацией геологического пространства (закон геологического соответствия); 2) инженерная деятельность человека должна основываться на знании законов и закономерностей развития геологических процессов и явлений (закон учета динамики земной коры); 3) инженерные изыскания при проектнровани сооружений и использовании геологической среды должны обеспечивать выбор самых оптимальных инженерных решений и гарантировать строительство и выполнение инженерных работ от всяких геологических неожиданностей (закон детальности изучения геологической среды). Так можно сформулировать основные общие положения инженерной геологии, основанные на качественных и количественных обобщениях многочисленных наблюдений и исследований, опыта инженерных изысканий, строительства и эксплуата-
ции |
сооружений, изучения причин их деформаций и ава- |
рий |
[22]. |
VI-2. Геологические процессы » явления, возникающие яри разработке месторождений твердых полезных ископаемых открытым и подземным способами
В табл. VI-1 приведен перечень наиболее распространенных геологических процессов и явлений на месторождениях твердых полезных ископаемых. Из него видно, какое разнообразие явлений связано только с одним видом инженерной деятельности человека. Геологические процессы на месторождениях полезных
ископаемых, как |
естественные, так и искусственные, связанные |
с деятельностью |
человека, действуют по поверхности земли и |
в приповерхностных горизонтах земной коры с различной напряженностью. Они проявляются в различных формах пере-
159
Т А Б Л И Ц А V M
Геологические процессы н явления
Процессы, возникающие при р а з р а б о т к е месторождения полезных ископаемых
открытым способом |
подземным способом |
Выветривание, разуплотнение и искусственное разрушение горных пород в бортах карьеров
Обвалы, вывалы и осыпи на бортах карьеров
Размыв и развеивание горных пород в откосах карьеров и отвалов
Оползни на бортах карьеров
иоткосах отвалов Фильтрационные деформации Водопроявления Мерзлотные явления
Выветривание, разуплотнение и искусственное разрушение горных пород по контурам выработок
Расслаивание, зависание и обрушение горных пород в кровле, бортах и забоях выработок
Вывалы и образование куполов и осыпей в кровле и бортах выработок
Выдавливание ^ пучение горных пород в почве выработок
Оползание горных пород в бортах выработок
Отжим горных пород и угля Динамические явления: стреляние, толчки,
горные |
удары |
|
Газодинамические |
явления — выбросы |
|
угля и |
газа |
|
Горное давление на крепи выработок, целики, защитные слои и другие апементы их конструкций
Сдвижение горных пород и образование мульд сдвижения, заколов, трещин, провалов на поверхности земли; деформации и разрушения наземных сооружений, заболачивание и затопление территорий при их подработке
Оседание поверхности земли, деформации
иразрушения наземных сооружений; заболачивание и затопление территорий при длительной и значительной откачке воды, нефти
игаза
Фильтрационные деформации
Внезапные |
прорывы воды и плывунов |
S горные выработки |
|
Прорывы глнн в горные выработки |
|
Карстовые |
явления |
Водопроявления |
|
Мерзлотные |
явления |
мещения, сдвижения и разрушения горных пород и рельефа местности, в отдельных и массовых деформациях сооружений, в уничтожении сооружений и сопровождаются катастрофами, а порой и многочисленными человеческими жертвами. Они играют весьма важную роль в окончательной промышленной оценке месторождений, условий их вскрытия и системы разработки, устойчивости бортов карьеров и подземных выработок, организации производства горных работ и обеспечении безопасности их ведения. Это вызывает необходимость искать пути защиты территорий и сооружений (шахт и карьеров) от вредного
1вО
влияния геологических процессов и явлений и расходовать большие средства.
Здесь необходимо со всей силой подчеркнуть, что все виды геологических процессов и явления—деформации, разрушения и перемещения горных пород на месторождениях полезных ископаемых, разрабатываемых как открытым, так и подземным способами, имеют главным образом геологическую природу. Они могут распространяться на все элементы инженерно-гео- логических условий месторождений, шахтных и карьерных полей и захватывать как обширные области геологического пространства при его подработке (оседание и сдвижение поверхности земли, образование мульд сдвижения, провалов и др.), так и более ограниченные, непосредственно примыкающие к контуру выработок и их прнзабойной части. В этом случае заслуживает внимания следующее обстоятельство.
Многолетняя практика разработки месторождений полезных ископаемых как открытым, так и подземным способами привела к необходимости выделения в вертикальном разрезе углевмещающих и рудовмещающих комплексов пород некоторых характерных элементов, по-разному ведущих себя в пространстве, примыкающем к горным выработкам. К таким элементам
на месторождениях угля, сланца и других полезных |
ископае- |
мых относятся основная, непосредственная и ложная |
кровли, |
а также основная, непосредственная и ложная почва. С каждым из них может быть связана определенная совокупность геологических явлений, влияющих на устойчивость горных пород в горных выработках и условия производства горных ра-
бот, Описание таких геологических |
явлений приводится ниже |
в этой главе. |
|
Геологические границы между |
отдельными элементами, |
а также между углевмещающими или рудовмещающими комплексами и окружающей их внешней геологической средой достаточно подвижны и не могут рассматриваться как абсолютные и постоянные [Смирнов Б. В., 1973 г.]. Колебания их в пространстве обычно не превышают некоторых пределов, что позволяет успешно их использовать при решении различных задач. Важно при этом учитывать^ что различные элементы
углевмещающих и рудовмещающих комплексов — слои |
кровли |
|
и почвы — в большинстве случаев определенным |
образом |
рабо- |
тают совместно и с разрабатываемыми пластами |
угля и с руд- |
|
ными телами, а иногда и с более отдаленными частями |
пород |
|
геологического разреза. |
|
|
Таким образом проявляется взаимодействие в системе геологическая среда (углевмещающпе и рудовмещающие комплексы) — сооружения (горная выработка, шахта, карьер), функционирование которой сопровождается теми или иными геологическими процессами и явлениями. Управление этой системой путем применения инженерных мер и технологических процессов обеспечивает ее нормальное и безопасное функционирование.
6 З а к а з № 16Г2 |
161 |