Нб
шшШшш
Рис. V1-25. Схема, поясняющая |
причины опасности прорыва воды и плыву- |
|||||||||
|
|
|
нов в |
горную |
выработку. |
|
|
|
||
а — при |
малой |
прочности |
воДоупора |
на |
разрыв; |
б — при малой |
прочности водоупора на |
|||
срез; у — пласт |
полезного |
ископаемого; |
? — водонелрочпцаемые |
слон |
в почве |
и кровлг |
||||
i-f pHofi |
выработки: 3 — водоносные торизонты |
в |
кровле и почве с |
напором |
подземные |
|||||
год |
Н\ Др—прочность |
водоупсра |
на |
разрыв; |
т — прочность |
годоупора на |
ср«з. |
|||
диаметром 200—300 м с провалом в ее центре. Следовательно, в результате прорыва плывуна в подземную выработку произошло общее нарушение устойчивости толщи пород.
Таковы некоторые примеры прорыров воды и плывунов в горные выработки, позволяющие наглядно представить, каково их значение для безопасности и производительности горных работ и какой материальный и моральный ущерб они
приносят народному хозяйству. Все это |
указывает на |
то, что |
при разведке месторождений полезных |
ископаемых |
необхо- |
димо уделять большое внимание изучению, оценке их инже- нерно-геологических условий и прогнозу геологических явлений.
Однако, несмотря на большую опасность прорывов воды и плывунов в горные выработки, методика их прогноза и оценки угрожаемости пока разработана недостаточно. Существуют два подхода к оценке условий их образования и прогнозу. Согласно первому слой или зону пород в кровле или почве выработки рассматривают как балку, преграждающую доступ воды и плывунов. Если гидростатическое или гидродинамическое давление на эту балку меньше ее прочности на разрыв, опасности прорыва нет (рис. VI-25, а). При втором подходе рассматривают прочность балкн на срез по ее торцам. Если сопротивление срезу больще гидростатического давления на нее, опасности прорыва нет (рис, V1-25, б).
Опасность прорывов подземных вод н плывунов в первом случае приближенно может оцениваться и прогнозироваться
222
двумя методами. Первый метод основан на использовании гипотезы предельных пролетов проф. В. Д. Слесарева [1948 г.]. Допустим, что в кровле или почве подземной выработки лежит слой или зона водонепроницаемых пород мощностью т. Согласно гипотезе предельных пролетов слой или зона таких пород длиной, равной единице, будет разрушен, т. е. произойдет его разрыв действующим на него давлением при ширине выработки, равной третьему предельному пролету, определяемому из выражения
|
ymt^ |
_ т |
|
|
|
||
|
URptfi |
|
|
|
|
|
|
где у — плотность горных пород, т/м^; I — ширина |
выработки — |
||||||
длина пролета, м; R^ — временное |
сопротивление |
горных по- |
|||||
род на разрыв, 10'' Па. |
|
|
|
|
|
|
|
В том случае, когда давление на рассматриваемый слой или |
|||||||
зону |
горных пород определяется |
гидростатическим давлением, |
|||||
это выражение принимает вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
(^гдс —ywj |
|
м |
|
|
|
|
|
|
|
~ |
2 |
|
|
|
тде |
Ягдс — гидростатическое |
давление на |
почву |
или |
кровлю |
||
слоя |
или зоны горных пород, |
при котором |
происходит |
прорыв, |
|||
Ю^Па.
Решая уравнение относительно Ягдс, получаем гидростатическое давление, при котором происходит прорыв воды или плывуна в горную выработку:
р
Первый член правой части выражения представляет собой часть гидростатического давления подземных вод или плывуна,
расходуемую |
на разрушение слоя или |
зоны горных пород |
в почве или |
кровле горной выработки, а |
второй — на преодоле- |
ние веса пород в пределах пролета выработки. Из приведен-
ного |
выражения |
следует, что предельные условия прорыва за- |
|||
висят |
от мощности защитного слоя или |
зоны |
горных пород, |
||
их прочности на |
разрыв и ширины |
пролета |
выработки. |
||
В |
конкретных |
условиях при |
определенном |
гидростатиче- |
|
ском давлении подземных вод на шахтном поле, увеличении
мощности и прочности защитных пород |
вероятность прорыва |
|
уменьшается, а при увеличении ширины |
выработки |
увеличива- |
ется. Чтобы предупредить образование |
прорыва, |
необходимо |
снизить гидростатическое давление до безопасного значения, применяя водопонижение.
Безопасный напор на кровлю или почву защитного слоя или зоны горных пород может быть определен из условия первого предельного пролета
('tf где — Y ^ ) |
^ т |
\2Rpm |
6 |
22i
откуда безопасное гидростатическое давление, при котором сохраняется целостность (прочность) пород, равно
Из этого выражения следует, что если 1 = <х, то первый член
уравнения |
стремится к нулю, тогда |
Нгяс — у т . Этот |
случай мо- |
жет иметь |
место в горных выработках с большими |
пролетами, |
|
в карьерах |
и отвалах. |
|
|
Из сказанного следует, что для |
оценки условий |
образова- |
|
ния и прогноза прорывов воды и плывунов в горные выработки при инженерных изысканиях на месторождениях необходимо устанавливать значения действующих напоров подземных вод Н, а также т, Rp, I на рассматриваемом участке существующих или проектируемых горных выработок.
Второй метод оценки и прогноза образования прорыва воды и плывунов в горную выработку основывается на анализе равновесия единицы веса слоя пород и действующих в его пределах гидростатического и гидродинамического давления
где Я —действующий напор в подземных водах, |
м; Ve —плот- |
|
ность воды, т/м®; y' — разность |
плотности горных пород и воды, |
|
т/м^; /?гд —гидродинамическое |
давление, равное /у^; ffi —мощ- |
|
ность защитного слоя или зоны горных пород, м. |
|
|
Если горные породы достаточно водонепроницаемы, гидро- |
||
динамическое давление стремится к нулю, тогда |
устойчивость |
|
пород определяется действием только гидростатического давления.
При втором подходе к оценке условий образования прорыва воды и плывунов в горную выработку рассматривается [5] предельное равновесие слоя или зоны пород на срез по его торцам согласно схеме, приведенной на рис. VI-25, б, и уравнению
" - t o |
2с |
|
|
|
|
|
|
|
|
где Nnp — предельный напор |
подземных |
вод, |
м; у® и Y — плот- |
|
ность воды и горных пород, т/м®; с и |
ф —сцепление |
и угол |
||
внутреннего трения пород; |
| — коэффициент |
бокового |
давле- |
|
ния. Остальные обозначения те же, что и выше. |
|
|||
В заключение отметим, что рассмотренные методы оценки |
||||
условий образования и прогноза прорывов не являются |
сколько- |
|||
нибудь точными; они позволяют устанавливать лишь тенденцию в развитии этого процесса. При этом методы, в основе которых лежит разрыв пород, больше соответствуют физике процесса.
224
Если при разведке месторождения, шахтного или рудного поля установлены участки, на которых возможны прорывы при вскрытии и разработке полезного ископаемого, здесь прежде всего необходимо выполнить осушение водопонизительными сквал^инами с целью снижения напоров до допустимых пределов. Остаточные напоры снимаются установкой сквозных и забивных фильтров или другими дренажными устройствами при проходке горных выработок. Большое внимание должно уделяться также креплению горных выработок, В таких случаях недопустимо отставание установки постоянной крепи от временной. Участки обнажения водоносных песков, слабых песчаников и других раздробленных пород должны перекрываться сплошной крепью. Участки, особо опасные в отношении образования прорывов воды н плывунов, особенно стволы шахт, следует проходить под защитой мерзлотных завес, т. е. с прн- •менением искусственного замораживания пород, или других специальных методов закрепления и тампонирования горных пород.
В рассматриваемых условиях необходим также хорошо организованный водоотлив, так как полностью избежать притока воды в выработки обычно не представляется возможным; устройство перемычек, отделяющих готовые выработки от рабочих, на случай образования прорыва и, наконец, бурение передовых скважин и наблюдения за режимом подземных вод и плывунов в существующих разведочных скважинах с целью контроля за положением их уровней и напоров и состоянием геологической ситуации в отношении образования прорывов.
Прорывы глин в горные выработки. В ряде угольных и рудных бассейнов Советского Союза имеют место своеобразные явления, получившие название «прорыва глин». Они отмечены
вКузнецком, Карагандинском, Кизеловском угольных. Криворожском железорудном бассейнах, на месторождении Темиртау
вГорной Шории и др. В Кузнецком бассейне зарегистрировано около 150 случаев таких явлений.
Сущность этого явления состоит в том, что при разработке мощных крутопадающих пластов полезного ископаемого подземным способом с обрушением, залегающие на них четвертичные глинистые отложения проникают с поверхности по трещинам и пустотам в горные выработки, заполняя их частично или полностью. Это вызывает остановку горных работ и даже выход из строя горных выработок. Проникновение глинистых масс в горные выработки в большинстве случаев происходит быстро или даже катастрофически быстро, как и при прорыве воды и плывунов, и поэтому получило название «прорыва глин».
Выполненный анализ случаев прорыва глин [Широков А. П. и др., 1972 г.] показал, что они наблюдаются главным образом на участках скопления глинистого материала на поверхности земли, т. е. там, где распространены четвертичные глинистые породы значительной мощности (более 6 м), в местах, где про-
8 Заказ № 1672 |
2 25 |
водилась планировка территории глинистыми породами (засыпка провалов и др.) или выполнялись продолжительные «заиловочные» работы (нагнетание глинистой пульпы в пласты углей для предупреждения и тушения пожаров). Интенсивность и число случаев прорыва глин возрастают при их увлажнении дождевыми, талыми и подземными водами, в результате которого они приобретают явноили скрытотекучее состояние. Поэтому чаще прорывы глин происходят в периоды дождей.
Статистика показывает, что решительное большинство случаев прорыва глин происходит при разработке пластов полезного ископаемого мощностью более 7 м, когда возникает больше благоприятных путей для продвижения глинистых масс. На одиночных маломощных пластах такие явления редки и незначительны. Прорывы глин происходят также при крутом падении пластов полезного ископаемого (более 55—60'). На пологих пластах глинистые массы не могут преодолеть сопротивления их движению. Определенное влияние на развитие этого явления оказывает физическое состояние вмеш.аюш,их пород: в породах прочных, устойчивых, скальных прорывов значительно больше, а в слабых, легко обрушающихся их меньше или они вообще не возникают. Следовательно, легкое разрущение вмещающих пород ведет к заполнению, тампонированию путей продвижения глинистых масс и предупреждает образование прорывов. Эти наблюдения явились основой для разработки мероприятия по борьбе с прорывами глин, состоящего в рыхлении пород висячего бока взрывами.
Большое влияние на образование прорывов глин оказывает система разработки полезного ископаемого, В решительном большинстве случаев они возникают при щитовой и камерной системах разработки с обрушением пород кровли. Это обычно вызывает сдвижение значительных масс горных пород и нарушение их сплошности. При надежном креплении выработок, при разработке полезного ископаемого с закладкой выработанного пространства прорывов не наблюдается.
Меры борьбы с прорывами глин в подземные выработки сложные и пока еще недостаточно разработаны и апробированы. Они направлены в основном на предупреждение нарушения условий залегания пород, на управление кровлей подземных выработок, на осушение водоносных горизонтов и комплексов и регуляцию поверхностного стока. Важное значение при этом имеют наблюдение за состоянием геологической ситуации на рабочих участках, оценка условий возникновения прорывов и их прогноз.
Мерзлотные явления. На обширных пространствах Севера, Западной и Восточной Сибири, Забайкалья и Северо-Востока
СССР распространена многолетняя мерзлота [19, 21]. Поэтому инженерно-геологические условия месторождений полезных ископаемых на этих территориях наряду с обычными факторами определяются мерзлым состоянием горных пород, их льднсто-
22в
стью, развитием особого рода мерзлотных геологических явлений и необычными условиями распространення, залегания подземных вод, их режима, а также режима поверхностных вод (рек, озер и др.) и большой заболоченностью территорий. Это особые факторы инженерно-геологических условий территорий распространения многолетней мерзлоты, с которыми связаны определенные трудности вскрытия и разработки месторождений полезных ископаемых, как и строительство и эксплуатация различных сооружений.
Сложность этих условий определяется прежде всего суровостью климата, для оценки которого служит условный пока- затель—жесткость климата, равный произведению среднемесячной температуры воздуха в январе на скорость ветра за три холодных месяца. Наиболее жестким является климат месторождений Норильского района, где этот показатель достигает 222, для района угольных месторождений Чульманского и Сингарского Якутии он равен 115, а для Эльгенского и Джаба- рикн-Хаянского Магаданской области примерно 102, в то время как в Подмосковном бассейне его значения не превышают первых десятков. Мощность многолетней мерзлоты на месторождениях достигает 500 м, а температура горных пород —от —3 до —10,5 "С. Вообще же, например в Якутии, мощность многолетней мерзлоты изменяется от 120 до 1500 м, а в южных районах она имеет островной характер, мощность 30—50 м и температуру горных пород от —0,1 до —0,3 °С.
Распространение мерзлоты неравномерно не только в региональном, но и локальном плане. В западных районах СССР,
включая и Западную Сибирь, мощность многолетнемерзлых пород на водораздельных пространствах больше, чем в долинах рек. Также и температура горных пород на водоразделах более низкая, чем в долинах. В Восточной Сибири, Забайкалье
и на Северо-Востоке страны в результате инверсии |
темпера- |
|
туры воздуха наиболее обычен долинный |
характер |
распро- |
странения мерзлоты, т. е. в долинах рек ее |
мощность |
больше, |
чем на водоразделах. При этом северные склоны долин (сивера), как правило, проморожены больше и температура горных пород здесь ниже, чем на склонах южной экспозиции (солнопеках). На территории распространения многолетней мерзлоты встречаются и крупные участки талых пород — талики, например Талнахский на Таймыре, Тенкели и Маркова впадина в Якутии и др. Чаще они приурочены к долинам рек и их подрусловым потокам. Талнкн могут быть как вертикальными сквозными, так и горизонтальными, обусловливающими слоистое строение многолетнемерзлых пород.
Многолетнемерзлое состояние горных пород существенно сказывается на их физнко-механических свойствах, распространении подземных вод, условиях их залегания, режиме и на развитии геологических процессов. Все это рассмотрено в курсах «Инженерной петрологии» [19], «Инженерной геодинамики»
8* |
227 |
[21], «Инженерном мерзлотоведении» [15] и в другой литературе. Поэтому здесь остановимся только на вопросах, связанных с разведкой, вскрытием и разработкой месторождений твердых полезных ископаемых.
При инженерно-геологической оценке месторождений полезных ископаемых и условий их освоения надо знать следующие конкретные мерзлотные условия,
1.Строение толщ горных пород, которые будут являться средой для горных выработок и основанием для всех наземных сооружений.
2.Содержание в мерзлых породах (особенно в разнообразных песчаных и глинистых) льда не только в виде крупных форм как породы, но и в тонкодисперсном состоянии как породообразующей составляющей, в виде цемента, мелких кристаллов и других форм. Такие формы льда существенно изменяют состав и строение самих пород и их физико-механические свой-
ства как в мерзлом состоянии, так и особенно при оттаивании. 3. Температурный режим многолетнемерзлых пород, по которому следует различать участки с устойчивым режимом многолетней мерзлоты (значительная мощность мерзлоты, отсутствие таликов, температура ниже минус 1,5—2 активное развитие мерзлотных процессов) и с неустойчивым (малая мощность мерзлоты, наличие таликов надмерзлотных и межмерзлотных вод, температура пород выше минус 1—1,5 °С и приближается к нулю, развитие термокарстовых и других явлений, свидетельствующих о неустойчивом режиме мерзлоты). 4. Возможный характер и интенсивность искусственного воздействия на мерзлые породы строительства шахт и карьеров и производства горных работ при разработке полезных ископаемых. В одних случаях эти воздействия могут способствовать сохранению и развитию мерзлоты, а в других, наоборот, вызывать ее деградацию и развитие неблагоприятных геологических процессов и явлений. Наибольший практический интерес Б этом плане представляют: а) изменение прочности, деформируемости, устойчивости, водопроницаемости и водоносности горных пород; б) оплывание и оползание горных пород в откосах карьеров и отвалов; в) осыпание и образование обвалов горных пород из бортов карьеров; г) оплывание и обрушение горных пород, образование куполов в подземных выработках, а иногда и внезапные их завалы; д) увеличение горного давления на крепи, целики, предохранительные слои, стенки горных выработок и другие их конструктивные элементы, их деформация, разрушение и нарушение устойчивости выработок в целом; е) выдавливание горных пород в основании откосов карьеров и отвалов, на откосах отвалов и по почве подземных выработок; ж) появление и увеличение притока подземных вод в горные выработки, а иногда и их прорывы; з) появление и увеличение поступления газов в горные выработки и их газообильность; и) неравномерное оседание поверх-
228
ности земли, заболачивание территорий, сток дождевых и та-
лых вод |
в |
карьеры, |
размыв их |
откосов |
и др.; |
к) образование |
|
наледей, |
а |
в условиях горного |
рельефа — снежных обвалов и |
||||
лавин. |
|
|
|
|
|
|
|
В условиях устойчивого режима многолетней мерзлоты и |
|||||||
выполнения |
мероприятий |
по ее |
сохранению наблюдается по- |
||||
вышение |
прочности |
и |
устойчивости |
горных |
пород почвы, |
||
кровли, в стенках горных выработок и в целиках, отсутствие притока воды и газов. Наряду с этим увеличивается сопротивление пород разработке, интенсивнее развивается явление смерзания руд, углей, пород в процессе их перегрузки и транспортировки. При вскрытии горизо'нтов и зон межмерзлотных и подмерзлотных вод возникают мощные наледные явления, ледяные пробки, создающие большие трудности для нормальной работы водоотливных средств, воздухопроводов, пневматического оборудования и других механизмов. Ухудшаются сани- тарно-гигиенические условия Б горных выработках, возникают простудные заболевания и др. Обогрев горных выработок вызывает оттаивание мерзлоты со всеми вытекающими последствиями.
Таким образом, тепловой режим многолетнемерзлых пород в горных выработках является одним из важных и специфических факторов, определяющих их устойчивость и условия производства горных работ. Этот режим, сложившийся в недавнем и современном геологическом времени, при строительных и гор-
ных |
работах |
изменяется к поэтому возникает задача управ- |
лять |
им так, |
чтобы создавать оптимальные условия для раз- |
работки месторождений полезных ископаемых. Управлять этим режимом сложно, так как одни и те же мероприятия в одних
случаях повышают |
показатели условий производства работ, |
в других понижают |
их. |
Сохранение горных пород в мерзлом состоянии обеспечивает их большую устойчивость, но одновременно при этом создаются более суровые условия для выполнения горных работ. Оттаивание мерзлых пород облегчает их разработку, но сказывается на устойчивости горных выработок, их обводнении, газоносности и т. д. Поэтому и возникает задача выбора оптимальных и безопасных условий, что возможно на основе учета главных факторов в конкретных геологических и горнотехнических условиях.
При этом важно учитывать, что промышленные запасы полезного ископаемого на месторождениях в районах распространения многолетней мерзлоты сосредоточены в одних слу-
чаях полностью в сплошной |
толще мерзлых |
пород, в других — |
|
в мерзлых породах с таликами, в условиях |
слоистой мерзлоты |
||
или невыдержанной по |
мощности и по |
простиранию и |
|
в третьих — в талых породах, расположенных |
под толщей мно- |
||
голетнемерзлых пород. Следовательно, в одних случаях все горные выработки и горные работы выполняются только в мерз-
229
лых породах, в других — в очень неоднородных и сложных геологических условиях, в третьих — часть горных выработок будет проводиться в мерзлых породах, а другая часть и все добычные работы — в талых породах.
Все это показывает, что выбор системы разработки месторождения, условий производства строительных и горных работ, управление развитием геологических явлений и горным давлением на месторождениях в районах распространения мно-
голетней мерзлоты |
сложные |
и решаются различными |
путями |
в зависимости от |
конкретных |
инженерно-геологических |
усло- |
вий, определяющие факторы которых названы выше. Практика показывает, что наибольшие сложности возникают на месторождениях, где горные породы вскрыши и вмеш,ающие полезное ископаемое представлены разностями, значительно и резко изменяющими свое физическое состояние и свойства при оттаивании. Это обычно различные песчаные и глинистые по-
роды и сильно льдистые, В таких |
условиях возникают |
разно- |
|
образные геологические явления, |
нарушающие |
устойчивость |
|
горных выработок и безопасность |
производства |
горных |
работ. |
В скальных н полускальных породах при оттаивании также происходят изменения их свойств и устойчивости горных выра-
боток, но |
в большинстве случаев не настолько резкие, как |
в льдистых |
песчано-глинистых. |
Глава VII
МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
V1I-1, Оценка и прогноз устойчивости горных выработок и отвалов
Обшие положения методики инженерно-геологического анализа, оценки и прогноза в инженерной геологии. Непосредственное изучение инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых возможно только после их открытия, т. е. на стадиях предварительной и детальной разведки и разработки. Геологические исследования, выполняемые на предшествующих стадиях (геологосъёмочные и поисковые), направленные на изучение геологического строения территории СССР, выявление перспективных площадей и участков для предварительной разведки и отбраковки проявлений полезных ископаемых, не имеющих промышленного значения, выходят за пределы задач, решаемых инженерной геологией месторождений полезных ископаемых, хотя и служат важной основой для этого. Необходимо учитывать, что инженерно-геологические условия любой территории таковы, какова их геологическая история, и главным образом в новейшую и современную эпоху. Поэтому изучение инженерно-геологических условий месторождений необходимо начинать с выяснения условий их формировнаия. Местом инженерно-геологических исследований при освоении месторождений полезных ископаемых должны быть площади и отдельные участки их распространения, шахтные и карьерные поля и их части и, наконец, шахты и карьеры.
Эти исследования представляют собой процесс получения новых знаний, необходимых для обоснования проектов шахт и карьеров н условий разработки полезных ископаемых. В их состав входят: 1) наблюдения, измерения и описание инженер- но-геологических условий месторождений; 2) систематизация полученных материалов, их обработка, инженерно-геологиче- ский анализ и объяснение установленных закономерностей или аномальных явлений; 3) оценка инженерно-геологических услов[и"1 месторождений и прогноз возможных их изменеиий в связи с развитием тех или иных неблагоприятных геологичеciCHX явлений, т. е. функционирования бинарной системы геологическая среда—сооружения и инженерные работы; 4) принятие решений, разработка рекомендаций и предложений по управлению неблагоприятными геологическими явлениями для
231