Материал: Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

как природных ручьев и источников, так и скважин промышленного водо­ снабжения. При этом происходит воронкообразное понижение горизонта грун­ товых водчпо направлению к месту стока (рис. 220). Радиус й д е п р е с с и о н н о й ]’|в о р о н к и зависит (по Зихарду) от наибольшего понижения горизонта грунтовых вод над местом стока и от полученного эмпирически коэффициента водопроницаемости к и может быть вычислен по формуле

резе профиль кривой депрессионной воронки имеет форму гиперболы, которая во внешней части воронки идет очень полого, так что на расстоянии 500 м от места стока уровень подземных вод в песчаном грунте понижается только на 1 м. Наблюдения показывают, что вследствие оттока грунтовых вод связные, сжимаемые слои пород оседают от нескольких сантиметров до нескольких дециметров, даже если этот отток и не сопровождается вымыванием твердых

[188]. Из профиля этих мульд сдвижения могут быть получены также горизон­ тальные деформации растяжения или сжатия земной поверхности [343]; вблизи места стока деформации сжатия могут достигать 4 мм/м, т. е. в несколько раз превышать деформации растяжения, равные 0,7 мм/м, и, следовательно, могут представлять опасность для строительных сооружений (см. рис. 220). Колеба­ ния уровня воды в р. Рейн, достигающие 5 м, могут сказываться на изменениях уровня воды в колодцах на расстоянии многих километров от реки.

12.6.

вблизи карьеров

Врезультате искусственного понижения уровня грунтовых вод на 250—300 м

вНижне-Рейнском буроугольном бассейне \ необходимого для осушения карьеров и разрабатываемого угольного пласта, произошло оседание поверх­ ности примыкающей к карьерам территории на 30—60 см. Это оседание зем­ ной поверхности связано с увеличением веса осушенного песка, который вслед­ ствие этого в большей степени внедряется в подстилающий его слой глинистой породы. Так, например, если представить себе слой грунта мощностью 100 м

состоящим из не связанных между собой равновеликих шаровидных песчинок с ромбической упаковкой и лежащим на водонепроницаемом слое глинистой породы, то при используемой пористости, равной приблизительно 26%, этот слой песка после осушения будет оказывать на нижележащий породный слой давление, равное 2,5 гс/см3-74% *10 000 см = 18,5 кгс/см2. В водонасыщенном состоянии давление этого слоя песка на подстилающую его глинистую породу будет мень­ ше на величину выталкивающей силы, равной весу вытесненной песком воды, т. е. на 1 гс/см3-74% *10 000 см = 7,4 кгс/см2, и, следовательно, это давление составит 11,1 кгс/см2 (рис. 221). Это повышение нагрузки с 11,1 до 18,5 кгс/см* передается на грунтовый скелет глинистой породы, которая при поступатель­ ном движении уплотняется, а содержащаяся в порах глинистой породы вода выдавливается в вышележащий слой песка. Этот процесс консолидации, свя­ занный с оседанием, на некоторой определенной глубине в слое глинистой породы сменяется сравнительно незначительным поднятием, так как суммар­ ная нагрузка на почву слоя глинистой породы, слагающаяся из давления ске­ лета и норового давления, уменьшится на вес выдавленной из пор воды, рав­ ный 1 гс/см3-26% -10 000 = 2,6 кгс/см2. С другой стороны, упругое сжатие песчинок в кристаллическом скелете кварцевого песка (Е = 3-106 Н/см2} составляет всего около 1 мм; в слое песка чаще всего не происходит перегруп­ пировки частиц, сопровождающейся уплотнением, а поэтому смятие водяной пленки на контактах между песчинками, толщина которой не превышает 40-10”7 мм, сопровождается лишь незначительным оседанием.

Таким образом, при понижении уровня грунтовых вод можно ожидать возникновение оседания лишь в том случае, если в массиве имеются слои связ­ ных пород. При этом сооружения на земной поверхности также оседают, од­ нако, поскольку образующаяся мульда оседания имеет большую ширину и очень пологие склоны, эти сооружения обычно не получают повреждений, вызванных деформациями растяжения или сжатия земной поверхности, а также не претерпевают сколько-нибудь заметного наклона. Поэтому в буроугольных бассейнах затраты на компенсацию причиненного горными разработками

1 В 1968 г. количество откачанной из карьеров воды (м3), объем вскрыши (м3) и коли­ чество добытого угля (т) относились друг к другу, как 14,3 : 2,1 1,0 [367]. Однако это не оказало отрицательного влияния на произрастание растений, так как для них, очевидно, оказалось достаточно воды атмосферных осадков.

Рис. 221.

Консолидация грунтов, слагающих борты карьеров, вызванная понижением уровня грунто­ вых вод, связанным с работой водоотлива:

а — уступы у выхода водонепроницаемого тектонического нарушения; б— скелет иесчанохо грунта на глини­ стой породе; в — изменение веса и давления слоя песка на подстилающий его слой глинистой породы; 7 уступ на земной поверхности; 2 — опускание уровня грунтовых вод; з — поровая вода; 4 — песчаная час­ тица; 5 — слой глины; в — горизонт грунтовых вод; 7 — разгрузка при взвешивании; 8— вес поровой воды: 9 и ю — нагрузка от веса грунта соответственно до откачки и после откачки; h — глубина; а — вертикально: давление

ущерба бывают обычно невелики, составляя примерно 0,1 марки на 1 т добы­ того угля (в ценах 1970 г.). Существенные повреждения могут иметь место только там, где выемка угля производится над слоями пород с гнездами торфа и оседания достигают 1 м, а также в местах геологических нарушений, где про­ исходит резкое опускание уровня грунтовых вод на небольшом по площади участке, вызывающее образование на земной поверхности уступа (см. рис. 221).

Вертикальной штриховкой показано эффективное давление, равное 11,1 и 18,5 кгс/см2, а горизонтальной — нейтральная составляющая давления, рав­

ках, а по некоторым площадкам конечной величины, что способствует умень­ шению выталкивающей силы, так как гидростатическое давление воздействует не на всю поверхность частиц (это давление на нижнюю поверхность частицы больше, чем на верхнюю, так как нижняя поверхность расположена глубже верхней на величину, равную диаметру частицы). В уплотненном пористом песчаном слое, например в так называемых поровых резервуарах, используе­ мых в качестве природных газоили нефтехранилищ, возникновение выталки­ вающей силы за счет нагрузки от поровой воды полностью исключается [2121. По результатам многочисленных наблюдений для условий Нижне-Рейнского буроугольного бассейна получена формула, выражающая зависимость оседа­ ния земной поверхности у от понижения уровня грунтовых вод х :

у = 2,28• а"в»89•ха, мм, (fi'M)

Рис. 222.

Разрез борта карьера высотой 100 м и схема развития поверхностей скольжения и разрыва после понижения горизонта грунтовых вод:

1 — трещины отрыва; 2 — опускание горизонта грун­ товых вод; 3 — поверхность скольжения; 4 — уголь­ ный целик; 5 — слой глинистой породы

где а — зависящий от местных условий параметр, изменяющийся от 0,15 до 1,5 [448].

В районах разработки каменного угля при подъеме уровня воды в закрытых шахтах происходит поднятие земной поверхности на несколько сантиметров г обусловленное разгрузкой под действием выталкивающей силы. Отвалы вскрышной породы на буроугольных карьерах на протяжении И лет опускаются на величину, составляющую 1,0—3,8% их высоты [277]. В Аахенском каменно­ угольном бассейне производившееся в течение нескольких десятков лет искус­ ственное водопонижение привело к оседанию земной поверхности в отношении 4 : 1 , т. е. каждые 4 м3 откачанной воды вызвали увеличение объема образо­ вавшейся вследствие этого мульды оседания на 1 м3 [76, 409].

Значительные повреждения расположенных у борта карьера сооружений могут произойти, если образующиеся в откосе поверхности скольжения и раз­ рыва достигают оснований сооружений и вызывают в основании уступообраз­ ные деформации. Такие о п о л з н и б о р т о в карьера могут быть вызваны колебаниями уровня грунтовых вод, скольжением слагающих борт пород па подстилающему слою глинистых пород в сторону выработанного пространства или же недостаточной устойчивостью (неправильно выбранными размерами) оставленного опорного угольного целика (рис. 222). При искусственном осуше­ нии борта карьера исчезает разгружающее действие выталкивающей силы и изменяется вес пород, а вместе с ним и величины сцепления и трения по по­ верхности скольжения. Эти внешние и реологические факторы могут нарушить равновесие между результирующей F нормальных сил Fn и сил трения FR на поверхности скольжения, результирующей сцепления с (моментов удержи­ вающих сил), а также результирующей давления, обусловленного течением воды, и веса G сползающих породных масс (момента сдвигающих сил), так что имеющийся угольный упорный целик будет смещаться по примерно горизон­ тальной плоскости скольжения к выработанному пространству карьера, и давя­ щие на него сбоку породные массы также будут сползать в карьер по поверх­ ности отрыва, имеющей наклон примерно 50°. В пределах непосредственна прилегающей к карьеру территории при известных условиях могут образо­ вываться дополнительные небольшие трещины отрыва, приводящие к образо­ ванию отдельных породных блоков, оседающих независимо один от другого, следуя за смещающимся угольным упорным целиком или лежащим впереди породным блоком [58]. Статические расчеты устойчивости откоса производятся различными методами, исходя из предположения о той или иной форме кривой

скольжения — прямолинейной, круговой или комбинированной из отрезков прямых и дуг окружности. Для сооружений более опасными, чем трещины в грунте, являются образующиеся у этих трещин уступы высотой до нескольких дециметров. Земная поверхность в направлении к карьеру сначала испытывает горизонтальные деформации растяжения (1—2 мм/м), а затем, после образова­ ния последовательного ряда небольших трещин отрыва, в отдельных местах возникают деформации сжатия. Наряду с оседаниями порядка нескольких сантиметров могут наблюдаться также отдельные поднятия, измеряющиеся миллиметрами, обусловленные обжатием идущих следом породных глыб. Все эти сложные процессы сдвижения породных блоков при оползнях высоких от­ косов на карьерах не подчиняются закономерностям сдвижения горных пород, вызванного воздействием подземных горных работ.

12.7.

Обрушения земной поверхности над заброшенными подземными горными выработками

В результате роста старых горнопромышленных районов в последние годы выявилась новая проблема, связанная со сдвижением горных пород — стали наблюдаться провалы земной поверхности и беспорядочные оседания в виде воронкообразных впадин, происходящие над многочисленными недостаточно надежно засыпанными шахтами и штольнями, над пройденными на малых глубинах заброшенными горными выработками и даже над более глубокими выработками, имеющими достаточно большие размеры. Под действием выветри­ вания, размывания и выщелачивания такие выработки с течением времени теряют свою устойчивость и внезапно или медленно обрушаются.

Обрушение внесенного в шахтный ствол закладочного материала приводит к образованию вывалов в устье ствола, в результате чего размеры устья ствола увеличиваются. Поэтому при засыпке погашенного шахтного ствола необхо­ димо следить за тем, чтобы закладочный материал впоследствии не мог обрушаться или проваливаться в околоствольный двор, а в стволах соляных шахт должны сооружаться водонепроницаемые перемычки из глины, исключающие возможность поступления воды в шахту. Потолочины горных выработок, пройденных вблизи земной поверхности, в результате выветривания и вымыва­ ния растворимых компонентов постепенно ослабевают и в конце концов обру­ шаются (провал на земной поверхности). Кроме того, бездействующие горные выработки, как правило, оказываются затопленными, и в соляных шахтах это приводит к растворению материала опорных целиков и их разрушению. Обрушение отдельных горных выработок вызывает сотрясения земной поверх­ ности, а при больших размерах обрушающихся выработок происходит плавное (без разрывов) деформирование пород над зоной обрушения, сопровожда­ ющееся образованием широкой мульды оседания.

Исследования показывают, что возможность и опасность проявления воздействия подземных горных работ на земную поверхность, связанного с влия­ нием выветривания и выщелачивания горных пород, может иметь место без