Взаимодейсвие горных работ и сооружений с геологической средой.

Специфика взаимодействия

Изучаемый объект—месторождение полезных ископаемых (шахтное или карьерное ноле) — представляет собой некоторую часть природной (экологической) системы и до начала освоения находится в некотором взаимодействии с этой системой, опреде­ляемом большим и сложным комплексом естественных (а иногда и искусственных) факторов. В результате этого взаимодействия создастся та природная обстановка, которую мы оцениваем рас­смотренными в главе 3 инженерно-геологическими условиями. Рав­новесие этой обстановки является динамическим, о чем свидельствуют протекающие в ней естественные процессы. Среди этих процессов особый интерес для нас представляют геологические процессы и явления, характеризующие геодинамическую ситуацию и в большой мере определяющие степень устойчивости (чувстви­тельности) исследуемого объекта к новому внешнему воздейст­вию, а также вид и масштабы наступающих изменений.

Внешнее воздействие при освоении месторождений полегши ископаемых проявляется более разнообразно, чем при строитель­стве инженерных сооружений, но из этого многообразия можно выделить три основные особенности. Формирование сфер влияния значительных размеров, что приводит к изменению естественного напряженного и физического состояния огромных объемов горных пород разного генезиса, ли­тологии, строения, состояния и свойств. Современный средний ка­рьер глубиной 200 м, длиной 4 км и шириной 2 км создаст в оса­дочных породах прибортовую зону объемом более 0,5 млрд. м^а. Вокруг шахтного ствола глубиной 1000 м при расчете давления на крип, рассматривается объем горных пород более 0,3 млрд. м³, В процессе посадки кровли над очистным пространством средней угольной шахты в течение года деформируется 10 млн. м³ горных пород непосредственной и основной кровли. Построение инженерно-геологической модели такой огромной сферы взаимодействия
возможно на современном уровне знаний только с большой сте­пенью схематизации.

4.2.Образование больших площадей искусственных обнажений горных пород, являющихся конструктивным элементом горных сооружений, на которых происходят различные изменения под влиянием атмосферных агентов и вод, температуры и целого ряда техногенных факторов.

4.3. небольшой срок службы преобладающего большинства горных выработок, что дает возможность рассматривать их как временные сооружения, устойчивость которых обеспечивается с незначительными запасами на основе геологических свойств горных пород.

Это требует большой тщательности изучения горных по­род и высокой точности определения расчетных показателей.

Существенным фактором является и разнообразие изменений, наступающих в разные периоды освоения месторождения. Наибо­лее значительные изменения разных видов происходят в период подготовки месторождения к вскрытию, строительства основных и очистных выработок и размещения отходов горного предприятия. В табл. 4.) показана принципиальная схема вэаимодействия гор­ных работ с отдельными элементами инженерно-геологических условий.

Предварительное осушение первоочередных участков проходки капитальных выработок (шахтных стволов, разрезных траншей и др.) приводит к формированию депрессионных воронок с радиусами в несколько километров, которые впоследствии (при разработке месторождения) увеличиваются до нескольких десятком километров. В пределах областей снижения уровней подземных вод нарастает гравитационное давление (вследствие снятия навешивающего давления воды), в результате чего начинается процесс уплотнения (деформирования) горных пород.

Первая попытка количественной прогнозной оценки оседания земной поверхности в результате водопонижения в горном деле была сделана для установки проходки шахтного ствола на Яковлевском месторождении КМА в 1959— 1960 г. ВНИМИ [Никольская Н. М., Кацнельсон Н. И., Иванов И. П., 1961]. Полученная осадка (около 1 м) неоднократно подтверждалась более строгими расчетами института ВИОГЕМ, а впоследствии и наблюдениями при выполнении водопонизительных работ. На Белозерском железорудном месторождении под руководством В. А. Мироненко была проведена боль­шая работа по прогнозу процесса деформирования толщи осадочных пород при водопонижении, а затем выполнены наблюдения за ходом этого про­цесса.

На Южно-Белозерском железорудном месторождении проводилось снижение напора на 200 м в водоносном горизонте, приуроченном к пескам мощностью 15 м бучагского яруса палеогена. Водоносный горизонт заключен между орга­ногенными известняками мелового возраста мощностью 30 м (нижний водоупор) и глинами киевского яруса палеогена мощностью 30—40 м. В результате сни­жения напора произошло оседание земной поверхности на 3 м; основная часть оседания обусловлена сжатием пород нижнего водоупора (коэффициент сжи­маемости 0,03 МПа). Интересно отметить, что в перекрывающих водонос­ный горизонт глинах уплотнение происходило только в контактной зоне мощ­ностью около 3 м, что объясняется высоким начальным гидравлическим гра­диентом в них (около 70).

Анализ результатов исследований и наблюдений за оседанием земной поверхности при водопонижениях на горных предприя­тиях дает возможность сделать следующие основные выводы.

1. Оседание земной поверхности происходит в результате упру­гих деформаций и уплотнения горных пород в зоне уменьшения гидростатического давления при водопонижении (дренировании).

2. В глинистых породах уплотнение осуществляется при давлении выше структурной прочности и регулируется скоростью рас­сеивания порового давления и реологическими процессами, что определяет условия консолидации пород и передачи дополнитель­ного давления на крепь вертикальных выработок (вследствие трения на контакте крепь — порода).

3. Уплотнение трещиноватых пород и упругая деформация твердых их блоков происходят следом за водопонижением, по­ этому к моменту крепления пород влиянием дополнительного тре­ния о крепь можно пренебречь, если под этими породами нет гли­нистых уплотняющихся разновидностей.

4. Оседание пород в пределах воронки депрессии носит плав­ный характер, без разрывов и провалов, поэтому оседание само по себе не представляет дополнительной опасности, для устойчи­вости наземных и подземных сооружений, за исключением вертикальных шахтных стволов, на крепи которых будет формироваться
дополнительное трение.

5. Прогнозирование процесса оседания земной поверхности представляет значительные сложности из-за отсутствия на стадии разведочных работ надежных расчетных показателей деформа­ционных свойств горных пород.

6. Улучшение свойств глинистых пород в результате их уплот­нения при водопонижениях, предпринимаемых с целью увеличения устойчивости горных выработок (бортов карьеров, почвы подзем­ных выработок), практически не достигается из-за большой про­должительности процесса консолидации этих пород и незначи­тельного уменьшения их пористости. Исключением являются лег­кие глинистые разновидности, залегающие в основании будущих внешних отвалов (терриконов) и в откосах первого-второго усту­пов карьера; об этом можно судить по характеру компрессион­ных кривых (рис. 4.1) в диапазоне уплотняющих давлений при водопонижении.

Взаимодействие горных выработок с окружающей геологиче­ской средой во многом определяется их формой, размерами, ори­ентировкой в пространстве, глубиной от земной поверхности, на­значением, технологией и скоростью проходки, а также другими их особенностями. Поэтому рассмотрим инженерно-геологические условия отдельно при открытых и подземных горных работах.