Однако для этого необходимы знания об условиях развития геологических процессов и явлений. Поэтому остановимся на описании наиболее распространенных геологических процессов и явлений, возникающих лри разработке месторождений твердых полезных ископаемых.
Выветривание горных пород. Выше, в главе II, при общеЗ характеристике инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых уже было отмечено, что выветривание горных пород оказывает большое влияние на их разрушение, изменение внешнего облика и снижение прочности и устойчивости. Естественно, что горные породы, обнаженные в бортах карьеров, подвергаются большему воздействию агентов выветривания (колебание температуры воздуха и пород, действие воды и др.), чем в подземных выработках, но и здесь нередко оно весьма заметно.
Горные породы при обнажении покрываются трещинами, расслаиваются, а при увлажнении размягчаются, размокают, некоторые набухают. Так возникает зона измененных, разрушенных пород в почве, кровле и стенках выработок переменной мощности. Нередко в результате проветривания выработок происходит иссушение горных пород, развитие в них явлений усадки, особенно в глинистых разностях, растрескивание, появление трещин выветривания и шелушение пород, сопровождающееся осыпанием щебня, дресвы и т. д. Мощность зоны разрушения (выветривания) горных пород бывает различной, но в целом она обычно измеряется первыми метрами. Так, например, в горных выработках Подмосковного бассейна повышение влажности в их почве может распространяться до глубины 1—^1,5 и даже до 2 м [17, 18]. Следовательно, мощность зоны искусственного выветривания, т. е. возникающей при обнажении горных пород горными выработками, обычно несопоставима с мощностью естественной зоны выветривания пород, формирующейся в течение длительного геологического времени. На месторождениях она может достигать десятков метров.
Наблюдения показывают, что скорость образования зоны выветривания в горных выработках в слабых песчаниках, алевролитах, аргиллитах, мергелях, некоторых разностях известняков и в пирокластических породах (туфах и туфогенных породах) измеряется десятками сантиметров в год. Процесс выветривания в карьерах и подземных выработках особенно активно протекает на участках распространения тектонических нарушений, зон повышенной трещиноватости и на участках различных форм водопроявлений.
Зона выветривания горных пород по контуру выработок обычно не только неодинакова по мощности, но и неоднородна по степени их разрушенности. Нередко в ней можно различать подзоны: первую — самую приповерхностную, значительного активного разрушения, мощностью в несколько десятков сантиметров, где породы превращены в мягкие песчано-глинпстые
1 6 2
и дресвяно-щебенистые разности, и вторую — следующую, менее разрушенных пород, в которой они имеют повышенную трещиноватость или некоторое изменение влажности и других признаков физического состояния.
Одним из главных внешних показателей выветривания пород в горных выработках является интенсивность их осыпания с откосов и бортов карьеров, из кровли и стенок подземных выработок. В результате осыпания песчано-глинистого, дресвяного и щебенистого материала образуются конусы и шлейфы осыпей, происходит сработка берм на бортах карьеров и формирование сплошных откосов большой высоты, что осложняет нормальную эксплуатацию горных выработок.
Разуплотнение горных пород. При вскрытии горных пород
подземными выработками и карьерами происходит, как отмечалось выше (гл. V), их разуплотнение, и тем большее, чем на большей глубине они разрабатываются, чем при большем избыточном напряжении они находятся. Следствием этого является образование по контуру горных выработок зоны разуплотненных пород — зоны повышенной их трещиноватости в результате раскрытия скрытых и закрытых трещин и образования новых трещин упругого отпора. Данные о мощности зоны разуплотнения горных пород немногочисленны. В скальных и полускальных пород^ах по контурам речных долин, как и в глубоких карьерах и котлаванах, она изменяется от 15 до 50 м, а в подземных выработках не превышает трех-пяти их максимальных сечений.
Трещины разгрузки, разуплотнения (упругого отпора) развиваются более или менее параллельно поверхности склона, откоса и вообще обнаженной поверхности горных пород, образуя в них поверхности и зоны ослабления. Вблизи дневной поверхности их больше и они хорошо выражены, с глубиной становятся более редкими и менее четкими. Если обнаженная поверхность пород параллельна их слоистости или сланцеватости, то трещины разгрузки развиваются по слоистости и сланцеватости или параллельно им, а если эта поверхность пересекает слоистость, то трещины разгрузки рассекают слои и простираются параллельно обнаженной поверхности. В общем трещины разгрузки всегда ориентированы неблагоприятно для устойчивости склона или откоса, кровли, бортов, да и почвы подземных выработок. Поэтому по ним нередко происходят смещения пород, образование ступенчатости по откосам, оползней структурного типа и обвалов и расслаивание пород, особенно неблагоприятное для их устойчивости в подземных выработках.
Следовательно, разуплотнение горных пород является одной из форм их разрушения, нарушения сохранности и соответственно изменения их прочности, водопроницаемости и устойчивости. Око сопровождается различными другими явлениями — расслаиванием, оползанием, обрушением, осыпанием и др.
6* |
163 |
Искусственное разрушение горных пород. При проходке горных выработок разрушение горных пород происходит не только под влиянием естественных (природных) сил, но и при воздействии на них горного давления, перераспределения напряжений, взрывных работ и горнодобывающих машин. В результате по периметру горных выработок образуется и увеличивается зона повышенной трещиноватости пород вследствие возникновения искусственных трещии, которые по своим признакам отличаются от естественных. Их описание приведено выше, в гл. II, здесь же лишь отметим, что обнаженная поверхность горных пород в горных выработках обычно окружена зоной, в пределах которой распространены искусственные трещины, определенным образом ориентированные [44—47]. Мощность этой зоны достигает в среднем 10—15 м, однако в отдельных районах Донбасса в кровле очистных выработок она достигает 25—26 и даже 55 м, а в почве 10—12 м. При удалении от обнаженной поверхности пород степень их трещиноватости уменьшается. С увеличением глубины горных выработок роль искусственной трещиноватости пород значительно возрастает и на глубинах, измеряемых сотнями метров, часто оказывает решающее воздействие на их устойчивость в зоне влияния забоев подготовительных и очистных выработок.
На усиление трещиноватости, разрушенности горных пород большое влияние оказывают динамическое воздействие горных машин и особенно взрывные работы, широко применяемые при разработке рудных и многих других месторождений. Взрывы резко повышают напряжения в них и вызывают сейсмические сотрясения. Все эти воздействия развиваются с различной скоростью и неодинаковой интенсивностью на разном расстоянии от очага взрыва. Соответственно намечаются определенные подзоны и зоны разрушения горных пород.
В непосредственной близости от очага взрыва выделяется подзона ударной волны, сжатия горных пород, в которой они испытывают интенсивное сжатие, нагрев и смещение частиц. Скорость распространения ударной волны превышает скорость
звука. За пределами |
подзоны сжатия намечается подзона |
волны — напряжений, |
значительного повышения напряжений |
в горных породах, трещинообразования, их «рыхления» в результате формирования трещин кольцевого и радиального направлений. Скорость возникновения таких явлений достигает скорости звука. Эти подзоны образуют зону ближнего действия взрыва, протяженность которой от очага взрыва измеряется несколькими метрами.
За пределами зоны ближнего действия намечается зона дальнего действия — зона упругопластических и в том числе сдвиговых деформаций блоков горных пород, сопровождающихся некоторым их дроблением, раскрытием и расширением скрытых и закрытых трещин. Сейсмические (упругие) волны, достигая обнаженной поверхности, частично отражаются от
т
нее и создают растягивающие напряжения, способствуя таким образом нарушению сплошности (разрушению) горных пород. Протяженность этой зоны достигает одного — двух десятков метров, т. е. она, как правило, не выходит за пределы зоны опорного давления. Далее от очага взрыва на сотни метров и многие километры в зависимости от силы взрыва простирается зона или, точнее, область сейсмических сотрясений. Массовые взрывы создают сейсмический эффект, который может вызвать образование обвалов, оползней, деформации и разрушения сооружений.
Таковы |
результаты |
образования искусственных трещин. |
В очистных |
выработках |
они обусловливают обрушение пород |
в кровле и пучение в почве, способствуют проявлению ложной кровли, образованию вывалов, сдвижению блоков пород, интенсивному проявлению горного давления, деформациям крепи и уменьшению сечения выработок. Если в горных выработках встречаются естественные трещины, плоскости которых под углом пересекаются с искусственными, зона разрушения пород резко возрастает, а высота вывалов (куполов) достигает нескольких метров.
Расслаивание, зависание и обрушение горных пород. Важ-
ными генетическими признаками толщ осадочных пород разной степени литификации являются их слоистое строение и текстуры напластования (см. гл. II), которые представляют собой в той или иной степени выраженные поверхности и зоны ослабления. При проходке горных выработок и вскрытии пород в их кровле, почве и стенках по этим обнаженным поверхностям происходит расслаивание на слои, слойки и пачки слоев, т. е. образование пластовых отдельностей в результате разуплотнения пород, изменения их влажяостного и температурного режима, проявления существующих и вновь образующихся трещин.
Образование пластовых отдельностей в кровле горных выработок обусловливает их обрушение вслед за продвижением забоя непосредственно при выемке полезного ископаемого или после перестановки крепи; зависание в кровле на расстоянии нескольких метров от забоя (до 3—4 м); обрушение или плавное прогибание по мере продвижения забоя дальше. Пластовые отдельности при наклонном залегании пород в стенках выработок обусловливают их отделение и сползание, а в почве — легкое разрушение и выпирание. В то же время эти петрографические текстурные особенности пород определяют анизотропию их прочностных и деформационных свойств.
В горном деле слои и пачки слоев небольшой мощности, залегающие в кровле горных выработок непосредственно на слое полезного ископаемого (угля, сланца и др.) и не сохраняющие устойчивость в призабойном пространстве без крепи имеющие свойство обрушаться вслед за удалением крепи, принято называть непосредственной кровлей. Слои и пачки слоев, залегающие на непосредственной кровле или на слое полез-
165
Рнс. VI-I. |
Обрушение основной кровли |
над |
очистной выработкой (по |
|
|
|
А. А. Борисову), |
|
|
I — основная |
кровля; |
2 — непосредственная кровля; |
3 — угольный пласт; 4 — выработан- |
|
|
ное |
проетраиство; 5 — эпюры опорного |
давлеяия. |
|
е
Рис. Vr-2. Осадка и зависание слоев основной кровли, сопровождающиеся раздавливанием и увлажнением непосредственной кровли и образованием ложной кровли (по Б. В. Смирнову).
/ — основная |
кровля; 2 — неяосредствеянля |
кровля; . ? — л о ж н а я |
кровля; 4 —угольный |
пласт; |
5 — выработанное пространство; |
6 — пути движения |
подземных вод. |
ного ископаемого, имеющие достаточную устойчивость и CBOiEfство обрушаться только после их подработки на значительной площади, т. е. когда площадь их обнажения в горной выработке достигнет критического значения, принято называть основной кровлей. Основная кровля обычно начинает обрушаться спустя некоторое время после обрушения непосредственной кровли (рис. VI-1). Соответственно в горных выработках выделяют также непосредственную и основную почву.
Слои и пачки слоев непосредственной кровли, обрушающиеся одновременно с их подработкой при выемке полезного ископаемого, называют ложной кровлей или просто слабой кровлей (рис. VI-2). Ложная кровля обычно составляет часть или всю непосредственную кровлю. Соответственно, если слои небольшой мощности, имеющие крутое падение, залегающие в почве горной выработки, сползают и разрушаются при выемке полезного ископаемого, их называют ложной почвой.
На угольных и сланцевых месторождениях ложная кровля имеет мощность несколько десятков сантиметров, достигает 0,6—1,0 м и редко 1,5 м. Она может быть образована одной,
166
двумя или несколькими пластовыми отдельностями. Обычно она лредставлена аргиллитами, аргиллитами углистыми или алевритистыми и алевролитами кучерявой и комковатой текстуры, песчаниками и известняками.
Обрушение пород кровли происходит не только в связи с их расслаиванием, но и при нарушенности их сплошности трещинами, в том числе и искусственными, образующимися под действием упругого отпора при разгрузке, горного давления и взрывных работ. При этом на устойчивость пород большое влияние оказывает угол встречи, т. е. угол, образованный линией забоя горной выработки и направлением господствующих тре- щ,ин. По многолетним наблюдениям П. В. Васильева и С. И. Малинина [1980 г.] одни и те же породы, слагающие кровлю, в зависимости от угла встречи могут быть устойчивыми или неустойчивыми, так как нарушение их происходит в первую очередь по уже имеющимся трещинам. При совпадении линии забоя подземной выработки с направлением господствующей системы трещин пластовые отдельности пород прогибаются и зависают вдоль забоя. При значительном изгибании они по трещинам разделяются на плиты, которые всей своей тяжестью ложатся на крепь призабойного пространства и часто ломают ее.
Имеется много примеров этих явлений. Так, на шахте Анненской треста Кадиевуголь Донбасса угол встречи линии очистного забоя лавы совпадал с направлением господствующей. системы трещин (угол встречи равен О®) и кровля угольного пласта, представленная крепким песчаником мощностью 1 м, распадалась на плиты длиной в среднем 2—3 м; при этом были случаи «обрезов» кровли у забоя. Установка крепи и посадка плит на бутовые полосы были сложными и опасными. При увеличении угла встречи до 10° разделение песчаников на плиты над рабочим пространством прекратилось и была устранена возможность аварийного обрушения пород кровли. Для полной безопасности ведения горных работ, по свидетельству специалистов, угол встречи в рассматриваемом случае должен быть более 15°. Все это указывает на необходимость полного учета основных геологических факторов при проектировании и выполнении горных работ.
Слои и пластовые отдельности горных пород, сплошность которых не нарушена или слабо нарушена трещинами, иногда зависают в кровле горной выработки и их частичное или полное
обрушение происходит |
через какой-то промежуток времени |
после ее проходки. По |
многолетним наблюдениям В. Л. Свер- |
жевского [46] и других |
специалистов, на многочисленных шах- |
тах Донбасса ложная кровля может переходить в непосредст' венную, а последняя опять в ложную. Из сказанного следует, что изучение поведения, устойчивости горных пород в горных выработках является важнейшей и неотложной задачей (см. гл. VII).
167
Вывалы и образование куполов в подземных выработках.
Вывал — это локальное обрушение небольшого объема горных пород преимущественно из кровли горных выработок, отделяющегося при определенном сочетании в породах поверхностей слоистости, сланцеватости, трещин, зон дробления и других поверхностей и зон ослабления. Вывалы образуются как в призабойной части горных выработок по мере продвижения забоя, так и в выработанном пространстве незакрепленных выработок или при удалении и перестановке крепи.
В результате образования вывалов в кровле подготовительных и особенно очистных выработок образуются полости, часто имеющие форму куполов, обращенных вершиной вверх, куполов неправильной или другой формы. Высота и поперечные размеры их бывают разными в зависимости от степени нарушения горных пород поверхностями и зонами ослабления и их ориентировки, способа проходки и размеров горной выработки.
В осадочных породах на угольных и других месторождениях их высота часто определяется мощностью слоев и пачек слоев непосредственной кровли и достигает 0,5—0,6 м, реже—1,0— 2,0 м и сечения по основанию 1,2—2,0 м. Нередко вывалы образуются в породах, слагающих не только непосредственную, но и основную кровлю, особенно часто на участках, где прослеживается неустойчивая—ложная кровля. В магматических, метаморфических и прочных скальных осадочных породах на рудных месторождениях высота куполов достигает 1,5—2,0 м и более и примерно того же сечения. В туннелях, как известно, купола могут достигать высоты 3—5 м и более и составлять на отдельных участках 15—17% дополнительного объема пород при их проходке по сравнению с проектным.
На рис. VI-3 показаны схемы образования вывалов пород и соответственно куполов в подземных выработках. Образование вывалов указывает на то, что горные породы кровли горных выработок имеют недостаточную устойчивость и в условиях естественного залегания их сплошность нарушена поверхностями и зонами ослабления, зонами и участками дробления и др.
Из материалов наблюдений Е. М. Пашкина [36] видно, что образование вывалов в подавляющем большинстве случаев связано с геологическим пространством, прилегающим к кровле подземных выработок, а их форма и размеры определяются шириной пролета выработок, формой и густотой сети трещин, относительной протяженностью трещин и размерами образующихся отдельностей пород. Границы вывалов в той или иной степени зависят от элементов залегания трещин, которые обычно смыкаются в своде образующегося купола, имеющего форму, приближающуюся к треугольнику.
В зависимости от размера угла 0 в вершине этого треугольника и ширины пролета выработки, как указывает Е. М. Пашкин, вывалы бывают безупорные (рис. V1-3, а, в) и упорные
1 6 8
Рис. VI-3. Схемы образования |
вывалов к куполов в подземных выработках |
(по |
Е. М. Пашкину) |
(рис. VI-3, б, г). Вывалы упорного типа менее опасны, кровля выработок в этом случае более устойчива; вывалы безупоркого типа более опасны и они главным образом являются куполообразующими. Если купола образуют при вершине угол 9>90®, вывалы имеют отрывной характер (рис. VI-3, в), их вес преодолевает силы сцепления по поверхностям трещин. Если угол О<90", обычно в пределах 40—70°, образуются вывалы сдвигового характера (рис. VI-3, г), так как их образование связано с преодолением сил сопротивления сдвигу пород по поверхностям трещин. В отдельных случаях, когда имеется сочетание
нескольких систем |
трещин, в породах кровли выработок мо- |
гут образовываться |
вывалы полуупорного типа (рис. VI-4). |
В осадочных породах купола в кровле выработок могут образовываться на учартка^х недостаточной сцеиентированности или легкого размягчения пород и их осыпания и обваливания при обнажении.
Обвалы и вывалы в карьерах. Обвальные явления принадлежат к группе гравитационных, так как развиваются под влиянием гравитационных сил на склонах, бортах карьеров и откосах. К ним относятся собственно обвалы, вывалы и осыпи. Как обвалы, так и вывалы проявляются в быстром и внезап-
ном |
перемещении |
масс горных пород, |
но по своим размерам |
|
н условиям движения они различны. |
|
|||
Под |
вывалами |
мы понимаем обрушение, т. е. внезапный от- |
||
рыв |
и |
падение |
небольших объемов |
горных пород — глыб. |
169
Рис. VI-4. Схема образования вывалов н куполов полуупорного типа в подземных выработках (по Е. М. Пашкину).
Рис. VI-5. Схема образо- |
Рис. VI-6. Схема |
образования |
обвала, |
||
в а н и я в ы в а л а и з |
о т к о с а . |
/1 — место обвала; £ —бровка |
откоса, |
нлв нкж* |
|
/ « - б р о в к а откоса, |
место |
«яя крутая |
часть |
склона. |
|
отдельностей из бортов карьеров, откосов их уступов, откосов выемок и полувыемок, крутых и отвесных склонов, сложенных скальными или полускальными породами (рис. VI-5). Иногда обрушаются отдельные включения глыб, валунов или объемов уплотненных сцементированных пород, залегающих среди мягких глинистых или рыхлых песчаных пород.
Под собственно обвалами понимается обрушение как отдельных глыб и блоков, так и более крупных объемов твердых и относительно твердых горных пород из обнажений, расположенных на нагорном склоне выше бровки откоса, или из крутой, отвесной верхней части склона, сопровождаюш,ееся их скатыванием, опрокидыванием и раскалыванием (рис. VI-6). Таким образом, во время обвалов, в отличие от вывалов, пе-
ремещение масс |
горных пород |
начинается на нагорном |
склоне^ |
а не на откосе |
или крутой, |
отвесной нижней части |
склона» |
170
Кроме того, при вывалах массы горных пород свой путь от
места обрушения (отрыва) до места |
падения в |
большинстве |
||||
случаев преодолевают |
по воздуху, |
а |
при обвалах — качением |
|||
по нагорному |
склону. |
|
|
|
|
|
Обвальные |
явления |
характеризуют |
неустойчивость склонов |
|||
и откосов, и на |
участках их распространения создается посто- |
|||||
янная опасность |
для производства |
горных работ, |
сохранности |
|||
и нормальной |
эксплуатации механизмов, горного |
оборудования |
||||
и сооружений. Основная причина их образования состоит в нарушении равновесия (устойчивости) масс горных пород на склонах и откосах, вызываемом главным образом постоянно действующими сдвигающими (скалывающими) составляющими силы тяжести и временно (периодически) действующими силами гидростатического давления воды, заполняющей трещины в породах, а также сейсмическими напряжениями, возникающими при землетрясениях и сотрясениях, происходящих при взрывных работах, при работе горного оборудования, движении транспорта и др. Действие этих сил реализуется в образовании обвалов и вывалов тогда, когда твердые и относительно твердые породы, обнаженные в пределах крутых и высоких склонов и откосов, доведены процессами выветривания и трещинообразования до такого состояния, при котором их внутренние силы сопротивления сдвигу — скалыванию и отрыву — не в состоянии уравновешивать действие внешних сил.
Описание обвальных явлений, методов оценки их угрожаемости и прогноза приведено в «Инженерной геодинамике» [21]. Поэтому здесь отметим только, что при оценке угрозы обвальных явлений и их прогнозе необходимо ясно представлять, по отношению к какому объекту, месту или сооружению эти оценки и прогноз должны выполняться. При этом важно изучать и оценивать два момента: 1) возможность образования вывалов и обвалов как следствие нарушения равновесия (устойчивости) масс горных пород в откосах или на склонах и 2) расположение зоны влияния возможных обвалов и вывалов, т. е. устанавливать, не угрожает ли обрушение и отлет масс горных пород непосредственно тому или иному участку, механизмам, оборудованию, жизни и деятельности людей.
Зная расстояние отлета Хт глыб и отдельностей при вывалах и обвалах и сравнивая его, например, с шириной предохранительной бермы или улавливающей площадки Жф, можно
определить коэффициент |
угрожа'емости |
обвальных |
явлений |
|
Ку=Хф/Хг. |
|
|
Если этот коэффициент больше единицы, то обвал или вы- |
|||
вал произойдет, но не составит непосредственной |
опасности. |
||
Если он меньше единицы, |
значит размеры |
улавливающей пло- |
|
щадки или предохранительной бермы недостаточны и обвальные явления непосредственно угрожают участкам, расположенным за их пределами.
171