здесь остановимся на описании только некоторых методов] оценки и прогноза устойчивости подземных горных выработок,' связанной со свойствами горных пород, вскрываемых по их кон-i турам и забоям.
Устойчивость горных пород, т. е. их способность сохранять ; свою прочность и естественное залегание (не расслаиваться, не зависать, не обрушаться), определяет способ, скорость и безопасность проходки горных выработок, способ управления их кровлей и крепление. Устойчивость пород в горных выработках на месторождениях угля, сланца и других полезных ископаемых (как и в туннелях и подземных сооружениях другого назначения) часто характеризуется главным образом устойчивостью их кровли и реже почвы. Поэтому оценка и прогноз устойчивости пород в горных выработках часто состоят в оценке и прогнозе устойчивости их кровли и почвы.
Нарушение устойчивости, равновесия горных пород в кровле горных выработок происходит главным образом под влиянием силы тяжести, преодолевающей силы сцепления и трения между слоями, слойками, пачками слоев и пластовыми отдельностями, по поверхностям и зонам трещин. На их равновесие (устойчивость) непосредственное влияние оказывают как геологические, так и горнотехнические условия. Из геологических условий первостепенное значение имеют: строение толщ пород, слагающих кровлю; мощность переслаивающихся слоев, слойков и пачек; петрографические особенности пород, обусловленные их составом, строением и степенью литификации; их прочность и степень нарушенности трещинами; обводненность и глубина залегания. Из горнотехнических условий определяющее влияние оказывают: размеры выработок и в том числе ширина их пролета; площадь незакрепленного пространства выработок после выемки полезного ископаемого; скорость продвижения забоя; способ управления кровлей; тип крепления и порядок расположения элементов крепи и др.
Все эти геологические и горнотехнические условия уже давно вызывали необходимость изучать причины деформаций горных пород в горных выработках, разрабатывать методы оценки и прогноза их устойчивости, классифицировать кровли по признакам их устойчивости или обрушаемости. Из таких классификаций наибольшей известностью пользуются классификации Ф. А, Балаенко и А. Д. Панова [1938 г.], Г. Н. Кузнецова 11947 г.], В. Т. Давидянца [1957 г.], К. И. Иванова [1958 г.], П. В. Васильева и С. И. Малинина [I960 г.], П. В. Васильева, К- И. Иванова и А. Д. Карпышева [1962 г.], О. Якоби [1963], В. Л. Свержевского [1966 г.], В. М. Омельяновича [1966 г.]. А, А, Орлова [1967 г.], Б. В. Смирнова [1973 г.], Б. П. Овчаренко 11980 г.]. Все они в той или иной степени учитывают влияние как геологических, так и горнотехнических условий на устойчивость и обрушаемость горных пород в горных выработках. Их множество указывает на сложность рассматриваемых геологических
242
ТАБЛИЦА VlI-2
Классификация кровли горных выработок по потенциальному
коэффициенту устойчивости
(по М. П. Бурцеву и С. И. Малинину)
Тип к р о в л и |
по устойчивости |
|||
по П. В. Васильеву |
по Б- Л. Свержевскому |
|||
и С. И. Малннняу |
|
и ДР- |
|
|
Весьма неустойчи- |
Ложная |
|
кровля |
|
вые породы, отхо- |
|
|
|
|
дящие вместе |
|
|
|
|
с углем |
|
|
|
|
Неустойчивые по- |
Нет |
наименования |
||
роды (критическая |
|
|
|
|
кровля) |
Кровля |
с |
обруше- |
|
Малоустойчивые |
||||
породы |
нием |
за |
|
каждым |
|
циклом |
|
|
|
|
Кровля |
с |
зависа- |
|
Среднеустойчивые |
нием |
на |
|
2 цикла |
Кровля |
с |
зависа- |
||
породы |
нием на 3 цикла и |
|||
|
более |
|
|
|
Весьма устойчивые |
Кровля с плавным |
|||
породы |
опусканием |
|
||
Поведение кровля |
|
|
|
||||
|
по результатам |
|
|
до |
|||
наблюдений в Донбассе |
|
||||||
Отходит |
вместе |
с |
уг- |
|
0.8 |
||
лем |
|
|
|
|
|
|
|
Кровля |
удерживает- |
0.8 |
|
||||
ся, |
если |
ее |
закрепить |
|
|
||
вслед за |
выемкой |
угля |
1.1 |
2.0 |
|||
Управляется |
способом |
||||||
полного обрушения |
|
|
|
||||
То |
ж е |
|
|
|
|
2,0 |
3,0 |
Может |
управляться |
3.0 |
5,0 |
||||
способом |
полного |
обру- |
|
|
|||
шения с применением ре- |
|
|
|||||
жущей крепи и другими |
|
|
|||||
способами |
|
|
|
|
4,0 |
6.0 |
|
Наблюдается |
в |
извест- |
|||||
няках, изредка в песча- |
|
|
|||||
никах, т. е. в породах с |
|
|
|||||
большой |
вязкостью |
и |
|
|
|||
прочностью
явлений, недостаточную их изученность н необходимость дальнейшего изучения, оценки и прогноза.
При инженерно-геологических исследованиях месторождений полезных ископаемых оценку и прогноз устойчивости горных пород в горных выработках важно давать при их проектировании, т. е. на стадии разведки месторождения и по ее материалам. При вскрытии и разработке месторождений они должны уточняться до степени, позволяющей давать достоверное количественное заключение об устойчивости пород, чтобы
управлять геологическими |
явлениями |
в нужном |
направлении. |
В табл. VII-2 в качестве |
примера |
приведена |
классификация |
кровли горных выработок. В ней учитываются главным образом геологические факторы, оказывающие непосредственное влияние на устойчивость пород в горных выработках. Кроме описательной характеристики поведения пород основой этой классификации является коэффициент устойчивости, названный потенциальным, так как он не учитывает влияния горнотехни^ ческнх факторов. Эта классификация позволяет давать оценку и прогноз устойчивости горных выработок на основании изучения геологического разреза пород, слагающих кровлю, их петрографических особенностей и физико-механических свойств.
242>
Такие материалы можно получить как при разведке месторож-
дения или шахтного поля, так и при обследовании |
строящихся |
и эксплуатируемых горных выработок. |
|
Как отмечают авторы этой классификации, все |
геологиче- |
ские факторы, отражающие потенциальную возможность пород, слагающих кровлю горных выработок, иметь ту или иную устойчивость, логически связаны следующей зависимостью:
„тЙсжК
где |
t] — коэффициент |
устойчивости незакрепленной |
кровли; |
|||||
т — мощность |
пластовой отдельности, |
м; /?сж — временное со- |
||||||
противление сжатию, |
МПа; |
К — величина, обратная |
площади |
|||||
незакрепленного пространства кровли; |
Я — глубина |
залегания |
||||||
от |
земной поверхности, м; -у — средняя |
плотность пород, зале- |
||||||
гающих |
выше |
кровли, |
г/см^; |
q — коэффициент |
трещиноватости, |
|||
равный |
корню |
квадратному |
из общего |
числа |
трещин |
на квад- |
||
ратный метр кровли.
Для наклонных и крутозалегающих пластов полученное значение коэффициента потенциальной устойчивости умножается на I-l-tga, где а —угол падения. Как видно, в числителе приведенной зависимости оказываются значения, положительно влияющие на устойчивость пород в кровле, а в знаменателе — отрицательно.
Описание и оценку устойчивости кровли и почвы горных выработок желательно сопровождать зарисовками их геологического строения по каждой разведочной скважине или участку (точке) документации горной выработки. Обобщив данные таких колонок по тому или иному участку или шахтному полю, можно составить карту прогноза потенциальной устойчивости пород кровли проектируемых или существующих горных выработок. На рис. V1I-1 приведены графики, отражающие закономерности формирования неустойчивой кровлн в зависимости от петрографических особенностей пород, их прочности н мощности слоев непосредственной кровли. Эти графики рекомендуются [Свержевский В. Л., 1980 г.] для прогноза формирования ложной кровли в горных выработках по материалам разведочных работ.
Таким образом, формирование неустойчивой кровли, как н почвы, указывает на разрушение горных пород и нарушение их устойчивости в призабойном пространстве горных выработок и вызывает определенные трудности и опасность при производстве горных работ. Поэтому важнейшими задачами инженерногеологического изучения месторождений полезных ископаемых служат определение, оценка и прогноз таких геологических явлений.
После обнажения горных пород горной выработкой ее кровля в призабойном пространстве может находиться в различных состояниях устойчивости в зависимости от геологических и гор-
244
Рис. VII-1. Графики, отражающие закономерности формирования ложной кровли в зависимости от петрографических особенностей пород, их прочности и мощности слоев кровли (по В. Л. Свержевскому)
а — слоистые и неслоистые |
аргнллита, алевролиты н др.; |
б —породы с |
обуглившимися |
|
частями растений по наслоегию; |
а — породы комковатой |
и кучерявой |
текстур; / - - |
|
ложная |
кровля; |
/ / — непосредственная |
кровля. |
|
нотехнических условий. Однако, как установлено многолетними наблюдениями, состояние ее устойчивости изменяется как бы стадийно. Так, сразу после обнажения горных пород кровля выработок очень часто устойчива, состояние ее хорошее; она ровная, сплошная. По мере продвижения забоя и опускания кровли по ее поверхности появляются трещины, по которым происходит смешение пород, образуются ступени и выступы, обрезы, кровля становится неровной, вдоль треш,ин происходит дальнейшее разрушение пород, густота трещин увеличивается, образуются вывалы, крепь «обыгрывается», и возможен завал выработки.
Обобщая такие наблюдения, А. |
А. Орлов [1967 г.] предложил |
||
давать оценку |
состояния кровли |
горных выработок в |
баллах |
по специально |
разработанной им |
классификации (табл. |
VII-3). |
В этой классификации выделяются четыре класса и семь категорий состояния кровли по степени ее нарушенности. Она хо-
245
Т А Б Л И Ц А V l l - 3
|
Класснфннация состояния и степени нарушенноети 1фовли |
||||||
|
торных выработок в призабоАиом |
пространстве |
|
||||
|
|
(по А. А. Орлову) |
|
||||
Класс |
Состояние |
Катего - |
Оденка |
|
Характеристика я |
степень |
|
р и я |
нарушБНностя к р о в л е |
выработок |
|||||
|
|
|
|||||
I |
Хорошее |
3 |
7 |
|
Ровная, сплошная |
|
|
|
|
б |
6 |
|
Ровная, имеются трещины, но |
||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
без смещения пород по ним |
|||
II |
Удовлетвори- |
а |
5 |
до |
Ступенчатая, высота ступеней |
||
|
тельное |
|
|
10 см |
|
||
|
|
б |
4 |
|
То же, свыше 10 см |
||
111 |
Плохое |
а |
3 |
|
Ступенчатая с вывалами вдоль |
||
|
|
|
|
трещин, высота куполов до 0,5 м |
|||
б 2
IV |
Очень плохое |
а |
I |
То же, свыше 0,5 м
Ступенчатая, с беспорядочным расположением вывалов, купола значительной высоты
рошо отражает динамику развития деформаций горных пород в очистных выработках и поэтому представляет большой интерес, особенно при обследовании горных выработок. При разведочных работах она позволяет объяснять возникновение возможных явлений при проходке горных выработок, на которые необходимо обращать внимание при оценке и прогнозе инже- нерно-геологических условий месторождения или шахтного поля. Поэтому и в этом случае она представляет интерес. Следует заметить, что в определенных геологических и горнотехнических условиях отмеченная в этой классификации последовательность состояний кровли может нарушаться. Например, если непосредственная кровля слабая (ложная), то в ней мЬгут появиться вывалы, хотя трещин с каким-либо существенным смещением пород по ним может и не быть.
Для количественной оценки угрожаемости вывалов при обследовании горных выработок представляет интерес метод О. Якоби [1963 г.], по которому устойчивость кровли оценивается коэффициентом, отражающим отношение общей площади, охваченной вывалами 5Б, ИЛИ общего их объема V» к площади призабойного пространства, т. е.
K y = S J S |
или |
Ky = VJS . |
Если площадь призабойиого пространства мала, а 5а п V^ значительны, угроза вывалов и высота образующихся при этом куполов Лв также будут значительными. При большой площади
246
Н,м |
|
|
// |
|
|
|
|
|
800 |
|
// |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
// |
/ |
/// |
|
|
|
|
^00 |
|
|
/ |
|
|
|
|
|
|
/ |
/ |
/ / |
|
|
|
|
|
200 |
/ - L |
|
—I |
|
/ |
) |
— |
|
|
|
|
800 |
|
1000 Rcy^jO-^Па |
|||
Рис. VII-2. Зависимость склонности горных пород кровли очистных выра-
боток к обрушению от их прочности я глубины залегания (по В. Л. Свер-
жевскому).
/—/у/ —породы: I — легкообрушающнеся, УУ — средяео6рушаю1Ди«ся, —трудно- и весьма трудыообрушаюшнеся.
призабойного пространства и ограниченных значениях 5в и Кв возможны единичные вывалы значительных размеров или много
мелких. По заключению |
О. |
Якоби, |
при VJS = hB, |
равном |
|||
10 дм^м^ кровля |
хорошая, |
при йв = 60 amVm'^— чрезвычайно |
|||||
плохая. |
|
|
|
|
|
|
|
Коллективом геологов объединения «Донбассгеология» вы- |
|||||||
валы |
наблюдались |
в 104 |
очистных выработках |
[Свержевский |
|||
В, Л., |
1980 г.]. В результате обобщения |
и анализа |
этих |
наблю- |
|||
дений была установлена корреляционная связь между максимальной и средней высотой вывалов (Amas, ЛСР) И коэффициентом загруженности пород, равным отношению гравитационной нагрузки на породы кровли уН к пределу сопротивления их сжатию ЯсжТак как последний показатель определяется по образцам в лабораторных условиях без учета показателя ослабления пород в естественном залегании, коэффициент загруженности имеет значение меньше-единицы. Чем больше загруженность пород, тем опаснее должны быть вывалы. Уравнения, отражающие эту зависимость, имеют вид
^ |
-0,31 ± 0,50; |
|
Ксж |
= |
- 0 , 1 8 ± 0 , 3 9 , |
Тем же коллективом геологов по наблюдениям на многочисленных шахтах Донбасса установлена и другая закономерность (рис. VII-2), отражающая зависимость склонности пород к обрушению от их прочности на сжатие и глубины залегания.
247
Так как прочность пород в значительной степени определяется их петрографическими особенностями, эта зависимость отражает важнейшие геологические условия устойчивости горных пород в горных выработках, и в частности в очистных.
Нарушение устойчивости почвы подземных горных выработок наиболее часто связано с выдавливанием (пучением, поддуванием) горных пород под влиянием опорного давления. Количественной оценкой и прогнозом этих явлений занимались многие исследователи. Наибольшую известность имеют работы А. В. Гурдуса [1933 г.], П. М. Цимбаревича [1948 г.], В. Д. Слесарева [1948 г.], М. Н. Шейхета [1955 г.], В. М. Городничева 1960 г.], А. П. Максимова [1963 г.], В. А. Лыткина [1965 г.], О. 3. Заславского [1966 г.], И. Л. Черняка [1978 г.] и других. '1зучение этих явлений много лет проводилось Ленинградским горным институтом.Одна ко несмотря на многочисленные исследования, вопросы оценки и прогноза выдавливания (пучения) горных пород в подземные выработки, как правильно считают некоторые специалисты, еще недостаточно разработаны. Поэтому на практике при их решении пользуются главным образомэмпирическими зависимостями или закономерностями, установи ленными для определенных геологических условий. Так, например, для прогноза устойчивости почвы в горных выработках Донбасса пользуются рекомендациями, разработанными В. Л, Свержевским в производственном геологическом объединении «Донбассгеология».
В подготовительных выработках почву следует считать устойчивой, если ее выдавливание (пучение) в течение 1,5—2 лёт не превысило 0,2 м, и неустойчивой, если ее деформация за это время превысила 0,2 м. Промежуток времени 1,5—2 года соответствует среднему времени эксплуатации выработок по принятой в Донбассе системе разработки угля. Для такой оценки и прогноза предложен график, отражающий связь устойчивости пород с их напряженным состоянием, которое обусловлено глубиной расположения выработок от поверхности земли и прочностью пород (рис. VII-3), На этом графике зоны (поля) устойчивых и неустойчивых пород разграничены полосой, так как корреляционная зависимость учитывает не все факторы, влияющие на их устойчивость. Поэтому в пределы этой полосы могут попадать выработки как с устойчивым, так и с неустойчивым состоянием почвы. При удалении в ту или другую сторону от этой полосы достоверность оценки и прогноза повышается.
Из расчетных методов оценки и прогноза устойчивости почвы подземных выработок наиболее часто пользуются методом П. М. Цимбаревича (гл. VI). Нарушение устойчивости подземных горных выработок далеко не исчерпывается явлениями, рассмотренными выше, но об этом подробно сказано в гл. VI.
Оценка и прогноз устойчивости отвалов, гидроотвалов и хво-
стохранилищ. При разработке месторождений твердых полезных ископаемых большие массы пустых пород, вмещающих полезное
248
им
1200 -
800 -
400
400 |
то |
1200 RcM.IO^na |
Рис, VII-3. График зависимости устойчивости пород почвы подземных выработок от глубины их расположения от поверхности земли и прочности пород (по В. Л . Свержевскому).
ископаемое и образующих вскрышу, перемещаются экскаваторами, транспортно-отвалькыми устройствами, автомобильным и железнодорожным транспортом в отвалы. На карьерах, там, где это возможно, часть пустых пород размещают в пределах выработанного пространства и формируют внутренние отвалы, а в подземных выработках они расходуются для закладки выработок после выемки полезного ископаемого. Большие объемы пустых пород складируют во внешние отвалы. Когда применяют средства гидромеханизации, пустые породы перемеш,аются потоком воды по трубам в виде гидросмеси (пульпы) и складируются в гидроотвалы, для которых подготавливают специальные площадки, ограждаемые дамбами. Гидроотвалы обычно размещают на пониженных участках рельефа — в балках, оврагах, перегораживая их дамбами, а на ровных участках ограждают дамбами со всех сторон. Взвешенные обломочные массы гидросмеси оседают в прудках — отстойниках, а чистая вода сбрасывается через специальные колодцы и коллекторы или откачивается насосами за пределы гидроотвала.
На горных предприятиях, где выполняются предварительная переработка и обогащение полезного ископаемого, образующиеся отходы (хвосты) перемещают и складируют также главным образом потоками воды по трубам в специальные хвостохранилища (шламохранилнща). Так как отходы в хвостохранилищах кроме механических взвесей содержат разнообразные вредные химические соединения, при их строительстве необхо-
249
димо обращать внимание на водонепроницаемость дамб и днищ, чтобы избежать загрязнения территорий, почв, подземных н поверхностных вод.
Итак, возведение отвалов, гидроотвалов и устройство хвостохранилищ являются обязательной составной частью технологического процесса разработки месторождений твердых полезпых ископаемых. Однако это обычно сопряжено с определенными трудностями. Строить их следует так, чтобы они имели необходимую вместимость и занимали бы наименьшие площади. Для этого стремятся увеличивать высоту отвалов, дамб гидроотвалов и хвостохранилищ и крутизну их откосов. При этом откосы отвалов и дамб могут осыпаться, оползать, размываться дождевыми и талыми водами и подвергаться другим деформациям и разрушениям.
На устойчивость отвалов, дамб и откосов, емкостей гидроотвалов и хвостохранилищ влияют также свойства горных пород,, слагающих их естественные основания. Значительные и неравномерные осадки, сдвиги, выдавливание горных пород оснований отвалов и дамб вызывают нарушения их устойчивости, разрушения, прорывы дамб и другие явления.
Таким образом, когда возводят отвалы, гидроотвалы и создают хвостохранилища, возникает задача оценки и прогноза устойчивости: 1) откосов отвалов и всей их массы в целом; 2) откосов оградительных дамб гидроотвалов и хвостохранилищ и всей их массы в целом; 3) горных пород естественных оснований отвалов, дамб, гидроотвалов и хвостохранилищ; 4) фильтрационных свойств, прочности и устойчивости пород, слагающих дамбы и их основания, основания гидроотвалов и особенно хвостохранилищ. Логическим следствием перечисленных задач является необходимость рационального использования геологической среды и ее охраны от отрицательного воздействия геологических процессов и явлений, нарушающих устойчивость отвалов, гидроотвалов и хвостохранилищ.
Для успешного решения этих задач необходимо правильно выбирать участки для размещения этих сооружений и рационально их использовать на основе полного' учета инженерногеологических условий. В этом случае в первую очередь необходимо иметь полное представление о составе, физическом состоянии и свойствах приповерхностных отложений, которые будут служить непосредственным основанием этих сооружений. На участках размещения гидроотвалов и хвостохранилищ особенно большое значение имеют исследования водопроницаемости поверхностных отложений, распространение и условия залегания подземных вод.
Устойчивость отвалов и дамб в значительной степени зависит от состава пород, из которых они возводятся, их прочности и возможной скорости свободного уплотнения (консолидации). При этом важно учитывать условия и способы возведения отвалов. В отдельных случаях, когда отвалы, гидроотвалы и отло-
250
жения хвостохранилищ состоят из глинистых пород или когда такие породы будут залегать в их основаниях, важно учитывать их реологические свойства и оценивать влияние порового давления на устойчивость и скорость консолидации. При строительстве хвостохранилищ существенно могут изменяться свойства пород, слагающих дамбы и днища, под влиянием их взаимодействия с химически активными элементами гидромасс. Такие взаимодействия могут влиять на изменение водопроницаемости пород, их консистенцию, скорость консолидации, прочность н в конечном итоге на устойчивость сооружений.
Вопросы инженерной геологии месторождений нефти, газа и подземных вод. Как было отмечено выше, становление и развитие инженерной геологии месторождений полезных ископаемых (нового направления, раздела инженерной геологии) связано главным образом с геологической разведкой, проектированием и строительством шахт и карьеров и выполнением горных работ при освоении месторождений твердых полезных ископаемых. Опыт освоения этих месторождений, данные многолетних и разнообразных инженерно-геологических наблюдений, исследований и обобщений и составляют в настоящее время содержание этого важнейшего раздела инженерной геологии, которое по возможности раскрыто в первой и других главах предлагаемого учебника.
Имеющиеся результаты инженерно-геологических наблюдений и исследований, полученные при разработке месторождений нефти, газа и подземных вод, пока немногочисленны. Исследо-
вания в этом плане составляют неотложную задачу |
инженерной |
геологии, особенно если учитывать, что изменения, |
разрушения |
и загрязнение геологической среды при разработке |
месторожде- |
ний нефти, газа и отчасти подземных вод очень часто достигают угрожаюш.их масштабов.
Как показывает современная практика, при разведке и освоении месторождений нефти и газа одной из первостепенных задач является подготовка территорий и обоснование проектов строительства разведочных и эксплуатационных скважин, насосных станций, дорог, нефте- и газопроводов и других сооружений. Решение этих задач осложняется тем, что наиболее перспективные промышленные месторождения расположены в районах низменных равнин Западной и Восточной Сибири и в шельфовой зоне морей.
При строительстве сооружений в этих условиях требуется выполнение больших работ по подготовке территорий путем повышения планировочных отметок поверхности земли отсыпкой горных пород, а в зоне шельфа — создание в отдельных случаях искусственных островов. Таким образом, возникает задача строительства сооружений на искусственных техногенных образованиях, которые обычно подстилаются слабыми водонасыщенными заторфованными глинистыми и песчаными отложениями. Вопросы оценки и прогноза геологических условий стро-
2St