Деформации горных пород над подземными горными выработками

Горные породы в земной коре находятся в естественно напря­женном состоянии, вызванном гравитационными силами. Про­ходка подземных горных выработок (туннелей, штолен, штреков и т. п.) вызывает в массиве пород перераспределение напряже­ний, причем на одних участках возникает повышенное сжатие, на других — растягивающая сила.

При концентрации напряжений возникает горное давление, воздействующее на крепь подземных выработок. Горное давление можно понимать как силу давления на крепь, вызванную движе­нием горных пород в сторону выработки.1Ърное давление зави­сит от геологического строения массива и свойств пород, глуби­ны заложения и особенностей самой выработки. Оно колеблется от 0 до 1200 МПа.

Горное давление приводит к ряду инженерно-геологических явлений, возникающих вокруг подземных выработок и на повер­хности земли, — горные удары, выбросы пород, пучение, обруше­ние, сдвижение массива пород и т. д. Эти явления развиты не только на обширных пространствах горно-промышленных райо­нов, таких, как Донбасс, Урал, Кузбасс, где добывают полезные ископаемые подземным способом. Они могут возникать в горо­дах и рабочих поселках, где в строительных целях выполняют различные подземные выработки типа тоннелей, коллекторов, штолен и других подземных сооружений.

Сдвижение горных пород. Наиболее крупные деформации зда­ний и сооружений возникают при сдвижении массивов горных по­род. Подсдвижениемобычно понимают деформацию пород, зале­гающих непосредственно над горными выработками (или выработанными пространствами). На этом участке в массиве про­исходит изгиб пластов или беспорядочное обрушение пород, а по­верхность земли искривляется и опускается вместе с сооружения­ми. Участок земной поверхности, подвергшийся сдвижению, называютмульдой сдвижения.

Развитие процессов сдвижения зависит от свойств пород, сла­гающих толщу над горной выработкой, и прежде всего от их прочности и способности к пластическим деформациям. В таких прочных, но непластичных породах, как песчаники, известняки, конгломераты, сдвижение происходит при значительной выработ­ке пространства по площади, но зато оно будет развиваться бы­стро в форме обрушения с образованием трещин и провалов на земной поверхности. В пластичных породах (глины, глинистые сланцы, аргиллиты и т. п.) сдвижение начинается при значитель­но меньших размерах выработанного пространства. На поверхно­сти земли это выражается в виде плавного прогибания, причем оно происходит постепенно, длительное время без каких-либо трещин на поверхности.

Значительную роль в формировании мульды играет чередова­ние слоев. Например, если пластичные породы подстилают жест­кие, прочные, то явление будет таким же, как если бы вся толща состояла из непластичных пород. Если пластичные породы будут подстилаться прочными породами, то деформации поверхности будут плавными. Существенную роль играет трещиноватость,ко­торая ускоряет процесс сдвижения, облегчая перемещение плас­тов и блоков пород в вертикальном направлении.

Величина осадки поверхности земли в пределах мульды раз­лична и составляет 0,1—0,9 (чаще 0,6—0,7) от мощности разраба­тываемого пласта или высоты подземной выработки. Глубина цен­тральной части мульды сдвижения колеблется от долей метра до 1—2 м. Так, в Донбассе при пологом залегании пластов каменного угля осадка составляет 50—60 % мощности пласта, т. е. при пласте в 1 м осадка поверхности земли достигает 50—60 см, а при на­клонных пластах с утлом падения больше 45° — (30—50) %.

Размер площади мульды превышает размер выработанного пространства. Это связано с подвижкой пород не только над вы­работкой, но и в сторону от нее под некоторым утлом, который получил название утла сдвижения (рис. 172). Его величина зави­сит от состава и состояния пород. Для коренных пород Донбас­са, например, при горизонтальном положении пластов угол со­ставляет 85°, для четвертичных наносов — 60°.

Рис. 172. Мульда сдвижения

1

пород:

1. — нормальная поверхность земли;

2. — поверхность мулвды; 3 - деформи­рующийся массив пород; 4 — подзем­ная выработка; р — угол сдвижения

Величину осадки поверхности земли (прогиба мульды), площадь мульды и наклон ее бортов определяют расчетным путем и специа­льными наблюдениями с помощью инструментов и реперов.

Оседание мульды длится месяцы и годы, что связано с глуби­ной залегания выработок. По некоторым данным, в Донбассе об­щая продолжительность процесса сдвижения при глубине залега­ния выработки до 100м составляет1год, при100—200м —2 года, при 200—300 м — около 3 лет и т. д. Скорость оседания по­верхности земли зависит от соотношения глубины залегания вы­работкиЛ_т(табл. 36).

Таблица 36

Скорость оседания поверхности земли

Средняя скорость осадки, мм/сут

Глубин» заложения подземных выработок, м

До 100 100-200 200-300 300-400

16

8

3

2

Провалы поверхности земли образуются в результате обруше­ния грунтов в горные выработки. Размеры провалов различны. Наиболее значительные провалы характерны для крутозалегаю- щих пластов. В Кузбассе такие провалы тянутся на десятки ки­лометров по простиранию крутозалегающих пластов.

При строительстве в районах подземных выработанных про­странств необходимо учитывать возможность возникновения му­льды сдвижения, так как наклон, искривление и оседание зем­ной поверхности обусловливают деформации и даже разрушение наземных сооружений. В центральной части мульды осадки зда­ний происходят более или менее равномерно. На этом участке деформации проявляются в меньшей степени. На окраинах мудь- ды, где наклон и искривление земной поверхности велики, зда­ния подвергаются неравномерным осадкам и значительно дефор­мируются (рис. 173). Высокие сооружения (башни, трубы и т. д.) при этом получают опасный крен (рис. 174).

Рис. 173. Разрушение здания на участке мульды

©

Рис. 174. Опасный крен (а) и разрушение здания при наклоне и образовании кривизны на поверхности земли на участках мульды (й):

I — первоначальное положение поверхно­сти земли

При проектировании объектов необходимо предусмотреть кон­структивные или защитные мероприятия. Выбор мероприятий за­висит от ожидаемой величины деформации земной поверхности. При очень небольших деформациях специальные меры защиты не применяются. При значительных деформациях и провалах земной поверхности строительство нецелесообразно. В остальных случаях при строительстве на подрабатываемых территорияхможно при­менять следующие меры:

• рациональную ориентировку здания по отношению мульды сдвижения;

• повышение расчетного сопротивления грунтов основания;

• разрезку зданий на отсеки;

• повышение прочности несущих конструкций и приспособле­ние их к неравномерным осадкам;

• усиление фундаментов;

• использование высококачественных строительных материа­лов и повышенное качество строительных работ;

• рациональные способы ведения горных работ, например, проходку горных выработок на глубинах, при которых опасные де­формации поверхности земли не возникают.

На участках, где процесс сдвижения уже закончился, строите­льство осуществляется без каких-либо предохранительных меро­приятий.