Нагрузки и деформации, вызванные депрессионным уплотнением массива пород

При глубоком водопонижении в зоне развития депрессионной воронки напряжения перераспределяются. Вследствие снятия гидростатических напоров увеличиваются эффективные напряжения, происходит депрессионная консолидация пород. Указанные явления активно влияют на формирование внешних нагрузок на крепь шахтных стволов, скважин, вызывая продольные и поперечные ее деформации.

Не смотря на то, что, в принципе, механизм депрессионной деформации массивов пород при водопонижении достаточно ясен и состоит в том, что снижение напоров при постоянном общем давлении вызывает рост эффективных напряжений и уменьшение пористости пород, надежный прогноз параметров данного явления остается сложной задачей в связи с трудностями наблюдений и измерений в толще пород, а также в связи с необходимостью учета двух стадий общей консолидации пород: фильтрационной и деформационной (ползучести) пород.

К отмеченному добавим, что в условиях подземной разработки месторождений необходимо знать:

а) величины деформаций раздельно по каждому пласту;

б) ожидаемые скорости деформаций пород.

Первое требуется для выбора мест расположения и конструкций крепи горных выработок. Второе позволяет соотносить время сооружения подземных выработок со временем (периодом) депрессионной консолидации массива пород.

Разработан ряд методик прогноза параметров этих явлений, которые с определенной степенью приближения можно использовать для инженерных расчетов при проектировании и эксплуатации объектов.

Обычно предполагается, что массив горных пород до начала водопонижения находится в состоянии устойчивого равновесия. При этом выше уровня подземных вод напряженное состояние пород обусловлено только их массой, которая полностью воспринимается скелетом пород. В этой части массива вертикальное напряжение (давление)

σ_Z = P_Z = P_Э = γ_ср H,(9.11)

где P_Z— давление массы пород; P_Э— эффективное давление; γ_ср — средняя плотность пород; Н — глубина расположения рассматриваемой точки.

Горизонтальное напряжение (боковое давление) здесь равно:

σ_X = σ_Y = ξ P_Z,(9.12)

где ξ — коэффициент бокового распора.

Ниже уровня подземных вод в естественном состоянии массива давление от массы пород P_Zуравновешивается внутренним напряжением породного скелета (исходным эффективным давлением) Р_э0 и исходным нейтральным давлением Р_н0 (давлением поровой жидкости):

P_Z = Р_э0 + Р_н0,(9.13)

Отсюда величина исходного эффективного давления может быть определена из выражения:

Р_э0 = P_Z - Р_н0 = γ_ср’ Н₀ + γ_ср (Н – Н₀),(9.14)

где γ_ср’ — средняя плотность пород под водой, т/м³; Н₀ — высота столба воды над рассматриваемой точкой, м.

Исходное нейтральное давление (давлением поровой жидкости) равно

Р_н0 = γ_в Н₀ ,(9.15)

где γ_в — плотность воды, т/м³.

При снижении гидростатических напоров под влиянием откачки подземных вод нейтральное давление в дренируемой толще пород изменяется. Причем характер изменения нейтральных давлений в осушаемых водоносных горизонтах и разграничивающих их пластах водоупоров (например, глинах) существенно различны.

В водоносных породах изменение нейтрального давления ΔР_н происходит по всей мощности пласта сразу же за снижением гидростатического напора на величину ΔН:

ΔР_н = γ_в ΔН ,(9.16)

а новая величина нейтрального давления

Р_н = Р_н0 - ΔР_н = γ_в (Н₀ – ΔН).(9.17)

Соответственно изменится и эффективное давление

Р_э = Р_Z - P_н = γ_ср Н - γ_в (Н₀ – ΔН).(9.18)

Такое изменение (увеличение, т.к. в 9.18 вычитается меньшая величина) эффективных давлений вызывает уплотнение дренируемого пласта по всей мощности, вертикальная составляющая которого — осадка:

S = λ_н ΔН γ_в h_сл ,(9.19)

где λ_н — коэффициент депрессионной осадки породы; h_сл — мощность пласта, м.

Следовательно, максимальное приращение эффективных давлений в водоносных породах, вызванное водопонижением, равно величине исходного нейтрального давления, а наибольшее значение эффективных давлений равно массе столба пород, т.е.:

mах ΔP_э = Р_н0 γ_в , mах P_э = Р_Z= γ_срH .(9.20)

Однако, указанные зависимости и выводы отражают картину изменения вертикальных нагрузок и величины фильтрационной консолидации осушаемых пород лишь в первом приближении. Практика показывает, что в результате увеличения эффективного и общего давления из пластов водонепроницаемых пород, контактирующих с осушаемыми, отжимается значительное количество поровой жидкости, что вызывает их фильтрационную консолидацию.

Так, на Южно-Белозерском железорудном месторождении (Украина) из откачиваемых 2—3 тыс. м³ воды в час основная часть приходится на отжимаемую из относительно водоупорных меловых толщ.

В водонепроницаемых пластах (например, глинах) изменение нейтральных давлений (давлений поровой жидкости) под влиянием водопонижения происходит по сложной закономерности как в пространстве пласта, так и во времени.

В настоящее время нет эффективных методик расчета измерения напряжений и соответствующих им деформаций (особенно горизонтальных составляющих) в глинистых пластах под влиянием глубокого водопонижения. Поэтому для оценки и учета этого фактора при расчете нагрузок обычно пользуются приближенными решениями задачи.

Изменение напряженно-деформационного состояния пластов глин обусловлено отжатием из них поровой жидкости вследствие снятия гидростатических напоров со стороны контактирующих водоносных пластов и увеличения эффективного давления. Этот процесс развивается медленно и сопровождается консолидационно-реологичесими явлениями.

В глинистых породах большую роль играют силы сцепления, которые преодолеваются консолидирующими нагрузками (изменения Р_эи Р_н) постепенно, по достижении определенного уровня, т.е. реализуются с отставанием от фильтрационного уплотнения осушаемых пород и растянуты во времени. Таким образом, осадка глинистых пород контролируется, главным образом, процессами ползучести.

В условиях, когда отсутствует надежное решение задачи, для получения приемлемых данных прогноза параметров консолидации массива пород по фактору ползучести обычно пользуются данными натурных наблюдений и лабораторных экспериментов.

Ещё более трудной является задача по прогнозу горизонтальных деформаций при водопонижении. Причины такого положения — ничтожно малый объем исходных натурных наблюдений по горизонтальным усилиям и перемещениям в массиве осушаемых пород и отсутствие общего теоретического решения задачи.

В частности, определенный (но далеко не полный) объем исходной информации по горизонтальным перемещениям земной поверхности при осушении массива пород накоплен лишь на Южно-Белозерском месторождении в виде результатов измерений деформаций участков крепи вертикальных шахтных стволов и скважин.

Южно-Белозерское железорудное месторождение отрабатывается подземным способом с твердеющей закладкой выработанного пространства в сложных гидрогеологических условиях. В соответствии с проектом осушения с 1962 г. проводились водопонизительные работы, которые привели к снижению напоров в бучакском водоносном горизонте на 160 м, а в рудно-кристаллическом — на 300 м.

На земной поверхности была сооружена сеть реперов маркшейдерской наблюдательной станции, где периодически инструментально фиксировались вертикальные оседания и горизонтальные перемещения точек. На рис. 9.9 показаны в изолиниях вертикальные оседания земной поверхности.

Рис. 9.9. План мульды сдвижения земной поверхности на Южно-Бело-зерском месторождении:

1, 2, 3, 4 —соответственно «Осевая», «Центральная», «Северная», «Южная» профильные линии; 5 — шахтные стволы; 6 —обследованные скважины; 7 — реперы; 8 — водопонижающие скважины.

Кроме этого, проводились наблюдения за вертикальными перемещениями изотопных глубинных реперов, заложенных в вертикальных скважинах на уровне наиболее характерных пластов сдвигающейся толщи пород. С началом депрессионной консолидации массива были организованы наблюдения за вертикальными и горизонтальными перемещениями крепи вертикальных шахтных стволов на характерных горизонтах и документировались параметры разрушения крепи различных скважин, пробуренных с поверхности через всю толщу осадочных пород.

Наблюдения за сдвижением земной поверхности на Южно-Белозерском месторождении начаты в 1961 г. В настоящее время наблюдательная станция на поверхности шахтного поля представляет собой сеть точек, расположенных по профильным линиям. Длина ее по простиранию залежи превышает 6 км. Мульда сдвижения на земной поверхности начала формироваться через 2,5 года в связи с водоотбором из бучакского и рудно-кристаллического водоносных горизонтов поверхностной и подземной дренажными системами. Оседания земной поверхности в настоящее время превышают 2,9 м.

Анализ зависимостей изменения скоростей оседания точек земной поверхности показывает, что сначала и на протяжении довольно продолжительного времени наибольшими скоростями оседаний характеризовались точки в центральной части мульды. Затем в течение трех лет они стабилизировались на различных уровнях (наибольший 30—35 мм/год). Чуть раньше произошло смещение зоны активности оседаний к периферийному поясу мульды. Здесь скорости оседания оказались выше таковых в центре мульды не только в относительной мере, но и за последние три — четыре года увеличились по аб­солютным величинам до 65 мм/год (последнее особенно характерно для северной и северо-западной частей мульды сдвижения).

Таким образом, наибольшие скорости оседаний земной поверхности (следовательно, и толщи пород) происходят спустя некоторое время (по данным В.А. Мироненко после снижения гидростатических уровней на 50 м.) после начала водопонизителных работ. Основные вертикальные деформации происходили после этого в течение 2—3 лет. Затем скорости оседаний резко снижались и продолжаются на протяжении десятков лет в режиме ползучести со скоростью 30—35 мм / год.

Одновременно отмечались и горизонтальные перемещения точек массива. Другими словами, в результате водопонижения любая из точек в пределах депрессионной воронки перемещалась по единой траектории и может быть отображена соответствующим вектором. Однако в данном случае измерительные возможности позволяли фиксировать лишь вертикальную и горизонтальную проекции общего перемещения точек.

Следует заметить, что траектории перемещений точек массива могут быть и криволинейными вследствие влияния изменений геологических и технологических факторов. Эту криволинейность не всегда можно уловить и, фиксируя начальную и конечную точки траектории, возможно занижение длины пути перемещения точки массива. Может быть это является одной из причин расхождений результатов лабораторных данных и аналитических расчетов с данными натурных измерений.

Горизонтальные перемещения точек при депрессионной консолидации массива удалось зафиксировать лишь по перемещениям отдельных сечений крепи вертикальных шахтных стволов (от 120 до 630 мм). При этом было установлено:

♦ векторы перемещений центров устьев стволов отражают
развитие деформаций земной поверхности в процессе формирования депрессионной воронки и мульды сдвижения;

♦ на всех стволах установлено неравномерное по глубине
распределение горизонтальных и вертикальных перемещений
участков (сечений) как по величинам, так и по направлениям.
Наибольшие деформации (в 2—3 раза превышающие соответствующие в верхней части) отмечаются для интервалов залегания пород «киевские глины — глины коры выветривания»;

♦ наибольшие скорости и величины горизонтальных перемещений стенок стволов и вертикальных сжатий узлов податливости в них приурочены к интервалам глубин 250—350 м (до 70—80 % зафиксированных перемещений). При этом отмечается явное преобладание перемещений в направлении запад — восток по сравнению с перемещениями в направлении север — юг (в 2—6 раз по величинам). В последующем в большей части указанных интервалов перемещения стволов стабилизировались, за исключением участков (300 —350 мм) в нижней части толщи мергелей и в глинах коры выветривания, где процесс деформаций продолжается с переменной скоростью.