Рис. VI-21. Оседание поверхности земли на одном из участков городской застройки при ее подработке.
I — поверхность зеили до подра<Зотк.и; |
2 — кривая о^лдаиия поьерхно<:тЯ земли; 3 — |
подземные |
горные выработки. |
Рис. VI-22. План мульды сдвижения на одном нз участков городской застройки при его подработке.
Согласно строительным нормам и правилам [52] при проектировании зданий и сооружений на подрабатываемых территориях необходимо располагать всеми необходимыми инже- нерно-геологическими материалами для количественной оценки сдвижений и деформаций земной поверхности. В качестве показателей этого принимаются: оседание (мм), наклоны поверхности земли (мм/м), кривизна (1/м) или радиус кривизны поверхности земли (км), горизонтальные сдвижения (мм), относительные горизонтальные деформации поверхности земли (мм/м) и высота образующихся на ней уступов (см). В зависимости от этих прогнозируемых величин подрабатываемые территории рекомендуется [52] подразделять на группы согласно табл. VI-3. Из этой таблицы видно, что территории I и II групп наиболее опасны в отношении возможных деформаций поверхности земли, чем III и IV групп.
На рис. VI-21 показан характер развития оседания поверхности земли на одном из участков городской застройки, а на рис, VI-22 — план мульды сдвижения для другого участка. На
212
ШQ О) 01 СП Q CD Ш р •) CD Q
ШDJ CJ О CD Ш QJ П) •) Ш ID Ш QJ ПЗ Ш Ш CD О)
СП СБ о ш ш
•01 Ш СИ QI
са CD СП си СИ
СП СП CD CD CD OS 0 1 CD СЗ о
Рис. VI-23. Схемы возможного воздействия деформаций поверхности Э6МЛИ при ее подработке на здания
исооружения {по В, Ф. Подакову
идр.).
а— неравномерные вертикальные деформации при положителькой крявнзне: 5 — иеравкои«рные вертикальные деформации
при |
отрицательной |
кривизне; в — сдвиже- |
|
ние |
при |
наклонной |
Поверхности; Р — н а - |
грузка |
На фундаменты; г — неравномер- |
||
ное оседание поверхности земли относи-
тельно |
оск |
здания; дг — расстояние от |
и,е«тра |
здания |
до расскагрнваеиой точки. |
рис. VI-23 приведены схемы возможного воздействия деформаций поверхности земли при ее подработке на здания и сооружения. Здания и сооружения, расположенные на краю мульды сдвижения, испытывают воздействие положительной кривизны
(выпуклости) поверхности |
земли |
и имеют |
наибольшие |
дефор- |
||||||||||||
мации в верхних этажах (рис. VI-24), а |
в |
средней ее |
части |
|||||||||||||
они испытывают воздействие отрицательной кривизны |
(вогну- |
|||||||||||||||
тости) |
поверхности |
земли |
и |
основное |
развитие |
деформаций |
||||||||||
в этом |
случае происходит в нижних этажах зданий, и особенна |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
ТАБЛИЦА |
vi-a |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Подразл«ленне подрабатываемых территорий иа группы |
|
|
|
|||||||||||
|
по показателям, характеризующим сдвижение и де^юрмацнн |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
поверхности земли (по |
СИиП |
И-8—78) |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
Ожидаемые деформации земной поверхности |
|
|
|
|||||||||
Группа |
|
Относительная |
|
Н а к л о н |
|
Р а д и у с к р и в и з н ы |
О ж и д а е м а я |
|||||||||
территорий |
г о р и з о н т а л ь н а я |
поверхности |
высота |
уступов |
||||||||||||
|
|
деформация |
|
земли |
|
поверхности |
аемли |
иа поверхности |
||||||||
|
|
е, |
мм/м |
|
|
мм/м |
|
|
R , |
км |
|
земли |
ft, |
см |
||
I |
|
1 2 > |
s > |
8 |
20 > ( |
> |
10 |
1<R<S |
<7 |
25 > |
ft |
> |
15 |
|||
И |
|
8 > е > |
5 |
10 > |
О |
7 |
3<R |
|
1 5 > |
|
ft> |
10 |
||||
III |
|
5 > |
в > |
3 |
7 > |
i > |
5 |
7 < |
/ ? < |
12 |
10 > |
ft |
> |
5 |
||
IV |
|
3 > в > 0 |
5 > < > 0 |
12 < |
< 20 |
5 > А > 0 |
||||||||||
2 1 $
Рис. VI-24. Схема влиянFlя деформаций поверхности земли на устойчивость зданий и сооружений при их расположении на краю мульды сдвижения {по В,Ф. Подакову и др.).
В цокольно-подвальной части. Здесь обычно наблюдаются деформации н повреждения в бутовой кладке фундаментов, пола подвалов, конструкции гидроизоляции, в сводчатых кирпичных перекрытиях над подвальными помещениями и др. При тесной застройке территорий на участке отрицательной кривизны мульды сдвижения могут возникнуть опасные повреждения также в верхней части зданий от влияния наклона соседних зданий. На участке перегиба мульды сдвижения здания и сооружения в результате изменения формы кривизны испытывают сложные воздействия деформаций поверхности земли. Здесь возможно влияние как положительной, так и отрицательиой кривизны.
Таким образом, на подрабатываемых территориях устойчивость зданий и сооружений зависит не только от деформаций поверхности земли, но и от их взаимного расположения и места нахождения в пределах мульды сдвижения. Определенное значение при этом имеют конструктивные особенности сооружений и их размеры. Поэтому при планировании застройки территорий рекомендуется сооружения располагать: а) за пределами распространения промышленных запасов полезного ископаемого; б) там, где полезное ископаемое выработано и процесс деформации поверхности земли закончен; в) где деформации поверхности земли не превышают допустимых пределов для проектируемых сооружений; г) где подработка территорий ожидается после окончания срока амортизации проектируемых сооружений.
При планировании размещения сооружений на подрабатываемых территориях их продольные оси следует ориентировать по простиранию или падению пластов или рудных тел, а не под косыми углами к ним. Там, где возможно образование уступов на поверхности земли, здания необходимо располагать между ними. Строительство зданий и сооружений не допускается на участках, где по прогнозу возможно образование провалов, оползней и других опасных явлений. Строительными нормами и правилами [52] установлено, что прочность, устойчивость и эксплуатационная надежность зданий и сооружений на подрабатываемых территориях должны обеспечиваться соответствующим плановым их расположением относительно ус-
214
ловий залегания полезного ископаемого и применением строительных, горных и профилактических мер защиты.
В качестве строу1тельных мер защиты применяют; |
|
1) |
рас- |
||||||
членение |
зданий на блоки |
осадочными |
швами; 2) |
придание |
|||||
зданиям и отдельным |
их |
блокам |
большей |
жесткости |
|
путем |
|||
устройства |
армированных |
поясов |
по обрезу |
фундаментов и |
|||||
в межэтажных перекрытиях; 3) возведение зданий на |
бетон- |
||||||||
ных подушках — плитах |
или |
на свайных |
фундаментах; |
4) |
уста- |
||||
новку зданий на домкратах для выравнивания наземной их части; 5) усиление фундаментов зданий армированием; 6) улучшение свойств горных пород в основании фундаментов путем искусственного их закрепления; 7) защиту зданий с помощьк> шпунтовых и свайных ограждений и др.
В качестве горных мер зашиты сооружений обычно применяют: а) полную или частичную закладку выработанного про-
странства |
различными |
материалами |
(бутовая |
кладка, |
твер- |
||
деющие материалы и |
др.); |
б) |
оставление предохранительных |
||||
целиков, |
воспринимающих |
на |
себя |
нагрузку |
вышележаш,их |
||
масс горных пород и сдерживающих их деформацию; в) |
опре- |
||||||
деленную |
систему и организацию производства |
горных |
работ |
||||
с целью уменьшения зоны влияния подземных выработок, оседания и сдвижения горных пород в их пределах.
Профилактические меры защиты направлены на предупреждение опасных явлений. К ним относятся: 1) наблюдения за развитием деформаций поверхности земли, зданий и сооружений; 2) установка ограждений на опасных участках, укрепление зданий и сооружений временными упорами, закладка проемов кирпичной кладкой и др.; 3) устранение образовавшихся на* рушений и разрушений и др.
Таковы особенности процесса сдвижения горных пород на подрабатываемых территориях месторол<дений полезных ископаемых и главные направления мер защиты от их опасного воздействия на геологическую среду. Из приведенного следует, что возникновение, интенсивность и динамика развития процессов сдвижения определяются в основном геологическими
условиями, поэтому при |
разведке |
месторождений и их освое- |
нии необходимо уделять |
большое |
внимание инженерно-геоло- |
гическому изучению условий и прогнозу их возникновения. Это изучение должно координироваться с маркшейдерскими и другими исследованиями и наблюдениями и быть комплексным, т. е. наиболее эффективным.
Оседание поверхности земли при длительных и значительных откачках воды, нефти и газа. При разработке разнообразных месторождений полезных ископаемых — углей, руд, нефти, газа, подземных вод для нужд питьевого, технического и хозяйственного водоснабжения, а также химического сырья — из верхних горизонтов недр Земли извлекаются огромные количества воды. При этом на больших площадях, измеряемых сотнями и тысячами квадратных километров, происходит сниже-
215
ние уровней и напоров на десятки и сотни метров. Извлечение подземных вод из недр Земли происходит не только попутно с другими видами полезных ископаемых, но и при выполнении
массовых специальных работ по |
осушению |
месторождений; |
при искусственном водопонижеиии |
в связи с |
производством |
строительных, горно-эксплуатационных работ, мелиорации земель и т. д.
Длительные и интенсивные откачки подземных вод существенно истощают их запасы, изменяют режим и в целом гидрогеологические условия на больших площадях. Это приводит к развитию различных геологических процессов и явлений: увеличению мощности зоны аэрации, осушению горных пород, изменению их физического состояния, напряженного состояния, к их уплотнению. Вследствие этого нередко происходят оседание поверхности земли, заболачивание и затопление территорий.
Оседание поверхности земли довольно часто достигает нескольких метров и вызывает существенные деформации рельефа, зданий и разнообразных сооружений. Этим обусловливается необходимость осуществления разнообразных мероприятий, и в том числе сложных работ, по защите территорий городов и других объектов от затопления. Имеется много примеров таких явлений. Так, оседание поверхности земли в пределах г. Мехико (столица Мексики) в результате массовой откачки подземных вод для целей водоснабжения к I960 г. до-
стигло |
7 м и по прогнозу к |
1980 г. достигнет 9 м, а к 2000 г,— |
11 м. |
Оседание поверхности |
земли в районе г. Токио по тем |
же причинам уже достигло 3,3 м, а в пределах г. Осаки за период с 1935 по 1960 г.—220 см. Для защиты этого города от затопления морем строят дамбы и, как и в других странах, принимаются меры по ограничению водоотбора. Здесь к 1958г. вдоль берегов моря, реки и каналов были построены дамбы общей протяженностью 124 км и для повыщения уровня поверхности земли отсыпано 26,5 млн. м® горных пород.
Более подробное опнсание этих процессов, как и некоторых других, приведено в «Инженерной геодинамике» [21] н других материалах. Все они показывают, что масштабы рассматриваемых явлений действительно значительны и имеют большое практическое значение в связи с интенсивным освоением разнообразных месторождений полезных ископаемых, В этом отношении интересный пример представляет Южно-Березовское месторождение железных руд. Оно разрабатывается подземным способом с производством значительных осушительных работ. Как уже было отмечено выше (111-3), на этом месторождении нижний водоносный комплекс пород кристаллического фундамента, песчано-глинистых отложений мелового возраста н песков бучакского яруса палеогена имеет напор 200—250 м. При осушении месторождения и снижении напора подземных вод примерно на 200 м здесь возникло гидростатическое обжа-
216
тие главным образом мергельно-меловых пород мелового возраста. В результате этого оседание поверхности земли к 1973 г. достигло 2,5 м, что привело к нарушению крепи шахтных стволов и других горных выработок. Надо полагать, что такие явления могут возникнуть в аналогичных геологических условиях на других месторождениях.
Оседание поверхности земли при длительных и значительных откачках воды, нефти и газа обычно происходит на участках распространения главным образом различных глинистых отложений в результате снижения напоров, повышения в связи с этим эффективного напряжения от действия вышележащих пород и уплотнения. В этом процессе гидростатического обжатия глинистых пород существенное значение имеют не толькс^ скорость их фильтрационной консолидации, но и развитие процесса ползучести, т. е. медленного уплотнения под постоянной нагрузкой (вторичная консолидация).
Как показали исследования ВНИМИ [5], на Южко-Березов- ском месторождении мергельно-меловые породы интенсивно трещиноваты, поэтому скорость их уплотнения и соответственна оседание поверхности земли обусловлены нх вторичной консолидацией, их реологическими свойствами. Прогноз таких явлений сопряжен с большими сложностями, он требует полного учета свойств горных пород, масштабов изменения гидрогеологических условий при водопонижениях и организации специальных режимных и опытных работ для изучения свойств горных пород в условиях естественного залегания.
Применяемые меры заш,иты территорий и сооружений от опасных явлений оседания поверхности земли и уплотнение горных пород при интенсивном водопонижении не всегда достаточно эффективны. Они состоят в ограничении сроков и интенсивности отбора воды из водоносных горизонтов и комплексов,, на нефтяных и газовых месторождениях — в обратном нагнетании воды в продуктивные толщи. Применяют также меры па планировке территорий, а для сохранности и устойчивости со-
оружений — соответствующие |
строительные конструкции, по- |
вышающие их жесткость или податливость. |
|
Фильтрационные явления. |
При разработке месторождений |
полезных ископаемых как открытым, так и подземным способом обнажаются водоносные горизонты и комплексы, трещины и зоны трещин и закарстованные породы, происходят изменение направления движения подземных вод в сторону выработанного пространства и формирование депрессионной поверх-
ности. В зоне влияния горных выработок изменяется |
напря- |
|
женное состояние горных пород по ряду причин, |
и в том |
числ*^ |
в результате снижения уровней подземных вод |
(гидростатиче- |
|
ских сил) и возникновения гидродинамического |
давления |
(гид- |
родинамических сил). Поэтому нередко в горных породах получают развитие разнообразные фильтрационные явления к деформации. К условиям, способствующим возникновению и
ИТ
развитию этих |
явлений, относится также снижение |
прочности |
и устойчивости |
горных пород. |
|
В группу фильтрационных явлений входят: 1) суффозия и |
||
связанное с ней снижение плотности, прочности и |
устойчиво- |
|
сти пород в пространстве, прилегающем к контурам горных выработок; 2) разжижение песков-плывунов и их медленное, быстрое или даже катастрофически быстрое перемещение в выработанное пространство; 3) выпор, прорыв подземных вод и плывунов в горные выработки и их затопление {см. ниже).
С движением и фильтрацией подземных вод и фильтрационными явлениями часто бывают связаны и другие геологические явления. Так, например, в растворимых породах соляных месторождений часто развивается карст (соляной и сульфатный) с образованием в них полостей и пустот, с изменением их водопроницаемости и водоносности. В карбонатных породах широко известны суффозионно-карстовые явления, заключающиеся в выносе и вымывании подземными водами песка и другого обломочного материала из карстовых пустот и полостей.
На бортах и уступах карьеров и отвалов в результате суффозии и явлений выпора образуются оползни, часто больших объемов. В пространстве, примыкающем к подземным выработкам, в результате суффозии, карста, суффозионно-карсто- вых явлений и прорывов воды и плывунов возникают просадки, провалы и сдвижения больших масс горных пород.
Таким образом, все фильтрационные явления связаны с подземными водами и обусловленным ими действием гидростатических, гидродинамических и химических (коррозионных) сил на устойчивость горных пород и соответственно на устойчивость горных выработок и безопасность ведения горных работ. Поэтому оценка и прогноз возможности развития фильтрационных явлений—важнейшие задачи инженерно-геологического изучения месторождений полезных ископаемых как на стадии разведки, так и при разработке.
Все фильтрационные явления, как известно [21], связаны с высокими напорами и повышенными скоростями движения
подземных вод, с развитием |
гидродинамического |
давления |
в горных породах в результате |
сопротивлений, оказываемых |
|
ими фильтрационному потоку. Важными условиями, |
опреде- |
|
ляющими возможность развития фильтрации, является неоднородность гранулометрического состава пород, слагающих толщи, слои или заполняющих трещины, пустоты и карстовые полости, а также наличие области разгрузки подземных вод, которой на месторождениях полезных ископаемых служат гор-
ные выработки. |
Способность |
горных |
пород сопротивляться раз- |
||
витию явлений, |
вызываемых |
движением подземных вод, харак- |
|||
теризует их |
фильтрационную прочность. Поэтому |
при оценке |
|||
и прогнозе |
фильтрационных |
явлений |
и обосновании |
мероприя- |
|
тий по управлению ими необходимо |
уделять внимание изуче- |
||||
нию фильтрационной прочности пород,
218
Для предупреждения развития фильтрационных явлений применяют полное или частичное осушение горных пород п снижение напоров подземных вод, устройство противофильтрациоиных завес, откосные дренажи в основании уступов и бортов карьеров, искусственное уплотнение н закрепление горных пород, в том числе их замораживание, при проходке шахтных стволов и других подземных выработок. Кроме того, оставляют предохранительные слон в почве и кровле выработок, применяют специальные способы их проходки, определенные типы крепления и др.
Внезапные прорывы воды и плывунов. Очень опасным фильтрационным явлением, заслуживающим особого внимания, является внезапный прорыв воды и плывунов в горные выработки. Это явление представляет собой внезапное, интенсивное, каскадное увеличение или возникновение притока воды и плывунов в горные выработки. Прорывы происходят из кровли,, почвы или боковых пород при проходке стволов шахт, подготовительных и очистных выработок. При этом в горные выработки поступает или чистая вода, или содержащая взвеси песчано'глинистого материала, илн типичные плывуны [21].
Внезапные прорывы воды и плывунов представляют большую опасность при производстве горных и строительных работ, вызывая нередко катастрофы с человеческими жертвами, деформации и разрушения горных выработок, снижение производительности горных предприятий и повышение себестоимости полезного ископаемого. Известно много примеров, когда после прорывов горные выработки восстанавливать было нецелесообразно и их забрасывали. Прорывы очень часто вызывают сдвижения огромных масс горных пород, оседания поверхности земли и деформации надшахтных зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния горных выработок. Профилактические и капитальные мероприятия по защите горных выработок от этих явлений и обеспечению безопасности работ сложные и требуют больших дополнительных затрат.
Прорывы воды и плывунов возникают главным образом при условии, когда горные выработки изолированы ненадежными водоупорами или когда они непосредственно вскрывают пластовые, трещинные и карстовые воды, создающие повышенное или высокое гидростатическое давление. Как показывает практика разработки месторождений угля в Подмосковном бассейне, при вскрытии водоносных горизонтов с напорами около 30 м и более обычно образуются прорывы катастрофического характера, которые могут вывести из строя не только отдельные участки подземных выработок, но и шахту в целом.
Образованию прорывов способствуют: тектонические нарушения и зоны повышенной трещиноватости горных пород в пределах шахтных полей; закарстованность пород, вмещающих полезное ископаемое; расположение в зоне влияния горных работ заброшенных, затопленных старых горных выработок и
2 1 »
других водных объектов; проходка горных выработок с обрушением кровли; производство взрывных работ; запаздывание крепления горных выработок и обрушение горных пород из кровли и выдавливание их из почвы; вскрытие незатампонированных разведочных скважин; плохо выполненное искусственное замораживание горных пород; вскрытие таликов в многолетнемерзлых породах и др. Следовательно, прорывы возникают при вполне определенных инженерно-геологических условиях, которые необходимо выявлять и оценивать при разведке месторождений.
Процесс прорыва обычно сводится к разрушению, взламыванию горных пород, преграждающих доступ воды или плывуна в горные выработки, Начало развития этого процесса обычно отмечается повышением давления горных пород на крепь, появлением в них трещин, капежа и небольших струй воды, выдавливанием горных пород, особенно по почве горных выработок, и образованием небольших бугров. Иногда наблюдается повышение влажности горных пород и др. Завершается процесс полным разрушением горных пород, преграждающих доступ воды и плывунов в горные выработки. При этом горБые породы расчленяются трещинами, которые по мере развития прорыва размываются потоком воды или плывуна и превращаются в открытые каналы, обеспечивающие интенсивное, каскадное их поступление в горную выработку. То же самое наблюдается при вскрытии горными выработками водоносных пустот и трещин.
Основной действующей силой процесса прорыва является гидростатическое давление подземных вод водоносных горизонтов, комплексов и зон, расположенных над кровлей горных выработок и обязательно напорных вод водоносных горизонтов, комплексов и зон, расположенных ниже их почвы. Естественно, что чем выше гидростатическое давление подземных вод и меньше сопротивление горных пород разрушению (прочность), тем больше вероятность образования прорыва. Большое влияние при этом оказывают размеры выработки (ширина пролета) и мощность слоя или зоны горных пород, преграждающих доступ воде и плывунам в горные выработки.
Выше, в гл. П1, было показано, что в Подмосковном угольном бассейне угленосная толща имеет три или четыре надугольных и подугольных водоносных горизонта песков, разделенных слоями и линзами глин, образующих прерывистые водоупоры. Слои углей и песков на отдельных участках непосредственно соприкасаются с подстилающими их известняками, которые трещиноваты и содержат напорные воды. В таких геологических условиях на месторождениях Подмосковного бассейна нередко происходили прорывы воды и плывунов в гор-
ные |
выработки. Так, |
30 октября 1937 г. на шахте № |
2 Сели- |
|
щенской произошел |
прорыв в ходке к водосборнику |
шириной |
||
2,2 |
м. Здесь горная |
выработка по почве отделяется |
от |
напор- |
2 2 0
ного водоносного горизонта (напор 78,5 м) слоем глин мощностью 3 м. При прорыве приток воды был большой. 23 сентября 1939 г. произошел прорыв на шахте № 49 Поплевинской в четвертом восточном штреке из подугольного водоносного горнзонта. Приток был также большой.
Характерным является прорыв на шахте № 7 Щекинской при проходке 21-го бортового штрека лавы № 6. Здесь, в 50 м
от главного откаточного штрека, после обнажения глин |
по |
почве началось интенсивное их выдавливание. В течение |
4 ч |
в штреке образовался глиняный бугор, который затем покрылся |
|
трещинами и по ним прорвалась вода под напором, равным
примерно 10 |
м. |
Первоначальный приток воды составлял |
100 мУч. |
|
|
На одном |
из |
месторождений КМА прорыв произошел на |
глубине 145 м в центральном откаточном штреке. После очередного взрыва шпуров во время проветривания из кровли штрека на расстоянии 275 м от ствола шахты произошло обрушение пород и вслед за ним интенсивный прорыв плывунов. Штрек подошел к глубокому врезу доюрской долины, выполненной обводненными мелкозернистыми песками юрского возраста. Эти пески находились под напором 1,0—1,1 МПа и стали быстро заполнять штрек.
В пределах Северо-Уральских месторождений бокситов за период их эксплуатации произошло более 70 случаев прорыва
воды в горные выработки с притоками ее |
от 100 до |
1700 м^ч, |
а в одном случае он достиг 4300 м^.ч |
н вызвал |
затопление |
шахты, на восстановление нормальной работы которой был затрачен почти год.
При сооружении скипового ствола шахты «Центральная — Первомайская» Донецкого бассейна на глубине 450 м при пересечении водоносной трещины произошел внезапный прорыв воды с притоком 680 м^ч при напоре 3 МПа. Там же при сооружении клетьевого ствола шахты на глубине 306 м произошел прорыв воды с притоком 1200 м^ч при напоре 1,6 МПа.
При сооружении ствола шахты «Центральная» Миргалимсайского рудника на глубине 150 м произошел внезапный прорыв воды с притоком 150 м®/ч, строительство было приостановлено. При рассечке околоствольного двора этой шахты на глубине 210 м во время пересечения водоносной трещины произошел второй прорыв воды с притоком 1000 м^/ч с выносом в шахту значительного количества песчано-глинистого материала.
В курсе «Инженерной геодинамики» [21] приведен пример проходки подземной выработки в плывунах на глубине примерно 80 м после их замораживания. Однако, как затем было установлено, на одном из участков эти плывунные пески оказались непромороженными и образовался их прорыв. Тысячи кубических метров плывуна быстро заполнили готовую выработку, а на поверхности земли образовалась мульда оседания
221