Особенности подработки водных объектов при наличии в толще пород водозащитного слоя Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

СЕМИНАР 1

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© Н.А. Митишова, 2001

УДК 622.841

Н.А. Митишова

ОСОБЕННОСТИ ПОДРАБОТКИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ НАЛИЧИИ В ТОЛЩЕ ПОРОД ВОДОЗАЩИТНОГО СЛОЯ

П

роблема разработки месторождений полезных ископаемых под водными объектами становится с каждым годом все острее. Это объясняется с одной стороны, ведением горных работ под водными объектами, с другой - массовым закрытием угольных шахт, влекущим за собой затопление выработанных пространств, что соответственно ставит под угрозу ведение горных работ на нижележащих горизонтах действующих шахт. В связи с этим необходимо решать задачу охраны горных выработок от затопления.

Вопросы предотвращения опасных поступлений воды в горные выработки решались, как правило, опытным путем, но получаемые эмпирические зависимости оказывались применимы только в тех районах, в которых уже был накоплен опыт по решению этого вопроса. Попытки механического переноса этого опыта на другие районы нередко кончались крупными авариями. Известны случаи катастрофических прорывов воды, приведших к человеческим жертвам и полным затоплениям рудников.

Предотвращению или снижению вероятности прорыва воды в горные выработки шахт до настоящего времени прилагалось немало усилий. Это нашло отражение в ряде документов, к числу которых относятся «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях» в разделе «Условия выемки угля под водными объектами», где при определении групп водных объектов и условий ведения горных работ под ними в качестве критериев приняты наличие и мощность экранирующего слоя (водоупора). Однако в этом разделе ничего не говорится о значимости местоположения этого слоя относительно разрабатываемого пласта и вероятного источника поступления воды, которыми могут являться водные объекты на поверхности (при-родные водоемы, искусственные

гидротехнические сооружения, паводковые воды...), водонасыщенные горизонты, слагающие массив горных пород, скопления больших объемов воды в горных выработках шахт. А ведь значимость этого фактора при определении водопроницаемости горных пород очевидна. Наглядно проследить течение процесса позволяет схема сдвижения и деформации подрабатываемого массива горных пород [1].

Сдвижение горных пород начинается обычно с прогиба слоев кровли выработки в сторону выработанного пространства, при этом слои грунта отделяются от вышележащей толщи и подвергаются деформациям изгиба, подобно плитам, защемленным по концам. Слой пород, прилегающий к земной поверхности, изгибается подобно плите, лежащей на упругом основании. По мере увеличения площади выработанного пространства прогиб пород растет, в сдвижение вовлекается все большее число слоев, происходит сдвиг слоев по плоскостям напластования, в толще появляются секущие трещины и трещины расслоения. Секущие трещины в слоистом грунтовом массиве образуются в результате послойного его изгиба. Для определения оседания и изгиба слоев можно воспользоваться уравнениями, рассматривая грунтовый массив как малосвязанную среду, обладающую способностью сопротивляться сжимающим и сдвигающим усилиям и лишь в незначительной степени - растягивающим усилиям. В результате решения дифференциальных уравнений деформирующегося грунтового массива, состоящего из нескольких слоев, получены следующие формулы для определения сдвижений и деформаций в мульде сдвижения:

Лх -

Лт

2

Лп

Ф(Д±х)+Ф(К_х)

СрН'

СрН

2СрН

ф ' (К^) _ ф ' (К_х)

СрН

СрН'

Кх =■

2С2рН

ф,, (Д + х) + ф,, (Д_х_)

СрН

СрН

Ъх - _■

• С

Н

2СГ

Лт • СН

ф' (Ä+Z) _ ф' (К_1_ )

СрН

СрН

2С2рН

Ф,, ( Д + х ) _ Ф п ( Д х )

СрН

СрН

где r/х, ix, kx,^x, £х - соответственно оседание, наклон,

1х -

кривизна, горизонтальное сдвижение и относительная горизонтальная деформация в точке с абсциссой х (начало координат в точке максимального оседания); 2Д - размер подземного сооружения в рассматриваемом сечении; Ср и Сн - коэффициенты, характеризующие влияние физико-механических свойств грунтового массива на характер и величины деформаций земной поверхности.

Ф(г) - функция интеграла вероятностей (функция Г аусса)

Ф(г) =

2

Г е 2 • dz

Ф' ф и Ф" ф - первая и вторая производные функции по соответствующему аргументу

2

4їл

Ф" (г) =-

■\[2ж

Значения Фф, Ф ф и Ф" ф приведены в справочниках по высшей математике. Для определения параметров Г1т, Ср и Сн существуют несколько различных способов. При наличии инструментальных наблюдений коэффициент Ср может быть найден также из выражения:

Лт= - ЛтФ (Д/СрН).

При отсутствии инструментальных наблюдений приближенное значение коэффициента Ср можно определить по формуле [3]:

Ср = 0,32-0,04 ,

р у Н

где асж - временное сопротивление горных пород сжатию, у - объемный вес пород; Н - глубина горных работ.

В тех случаях, когда Ср получатся менее 0,1, принимается Ср=0,1.

Коэффициент Сн характеризует смещение нейтральной оси относительно середины слоя. Поскольку максимальное удаление нейтральной оси от поверхности слоя грунта, обычно равно 0,9h (где h - мощность слоя), значение Сн= =,9^0^ = 1,8.

Однако, несмотря на то, что мульда оседания земной поверхности вписывается в мульду оседания подстилающих слоев грунта, определение горизонтальных сдвижений и деформаций в толще грунтового массива значительно сложнее, т.к. они зависят не только от величины прогибающегося слоя, но и от его мощности, а также от расстояния нейтральной оси до поверхности слоя.

Расчеты деформаций показывают, что в массиве горных пород может образоваться несколько одинако-

вых зон, при этом возможно нарушение последовательности их расположения, например, зона III может оказаться выше IV или IV—выше V, так как трещины в песчаниках образуются при значительно меньшем изгибе, чем в глинистых сланцах [1].

Таким образом определяющим при оценке влияния экранирующего слоя на водопроницаемость горных пород является в первую очередь местоположение экранирующего слоя, поскольку при одной и той же мощности глинистых сланцев исход подработки водного объекта может быть совершенно различным. Очевидно, что нахождение экранирующего слоя в зонах I и II не сыграет никакой роли в защите горной выработки от поступления воды вследствие его полного разрушения, поскольку при залегании глинистых сланцев мощностью, например, 10т (т - мощность пласта) непосредственно в кровле пласта может произойти прорыв воды в шахту из водного объекта, расположенного от пласта даже на расстоянии 60т (если остальная часть толщи представлена песчаниками), и наоборот, прорыва не произойдет на расстоянии от пласта до водного объекта, равном 40т, если глинистые сланцы той же мощностью залегают в непосредственной близости от нижней отметки уровня водного объекта.

Второй фактор, который необходимо учитывать при оценке влияния экранирующего слоя - это мощность водозащитного слоя.

Так, при анализе аварий на Б. Дмитровке в г. Москве, когда в результате прорыва обводненных пород в тоннель было вынесено примерно 2500 м3 водогрунтовой массы, заполнившей всю пройденную его часть длиною 245 м и при проходке Северо-Муйского тоннеля, когда было вынесено 6500 м3 водогрунтовой массы, заполнившей более 500 м его пройденной части, выяснилось, что причиной этих случаев несмотря на определенные различия, является недостаточная мощность водозащитного слоя.

Условия проведения выработок под водоносными горизонтами регламентируются СНиП 2.06.14-85 «Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод» [4]. Согласно этому документу при проектировании подземных объектов необходимо исходить из того, что защита горных выработок должна: предотвращать притоки воды в выработки, нарушающие условия их нормальной эксплуатации; предупреждать аварийные прорывы воды в выработки; препятствовать опасному разрушению водой горных пород, окружающих выработки.

В п. 2.4 упомянутого СНиП содержится требование осуществлять водопонижение с применением вне-шахтных понизительных устройств с таким расчетом, чтобы пониженный уровень подземных вод находился ниже подошвы защищаемых подземных выработок, если эти выработки не отделены водоупором от вышележащих водоносных слоев. При наличии водоупора

2

z

2

2

е

2

г

2

2

(горных пород с коэффициентом фильтрации менее

0,001 м/сут), отделяющего толщу пород, в которых проектируются подземные выработки, должно выдерживаться следующее соотношение:

У^5 hd,

где у - остаточный напор, отсчитываемый от кровли разделяющего слоя водоупорных пород, м; hd - толщина не нарушаемого при разработке разделяющего слоя водоупорных пород, м.

Соотношение (1) можно переписать в виде

hd>0,2у

Однако СНиП не расшифровывает понятие «не нарушаемый при разработке слой», что нередко приводит к серьезным ошибкам. Так, многие понимают, как это выяснилось при расследовании аварии на ул. Б. Дмитровка, под толщиной hd геологическую мощность слоя. В тех случаях, когда этот самый слой находится непосредственно в кровле выработки и частично извлекается, из геологической мощности вычитают извлекаемую часть. В обоих случаях не учитываются деформации слоя, вызванные влиянием выработки. Между тем эти деформации бывают достаточно велики и сопровождаются образованием в слое поперечных трещин, существенно снижающих его водоупорные свойства. Механизм образования и развития трещин схематически представлен на рисунке. При изгибе слоя (поз. а) трещины зарождаются на участках положительной кривизны (кривизны выпуклости) у верхней поверхности слоя и по мере увеличения кривизны прорастают в сторону его нижней поверхности.

На участках отрицательной кривизны (кривизны вогнутости) - наоборот, трещины зарождаются у нижней поверхности и прорастают к верхней. Поэтому при деформациях водоупора, под которым понимается (согласно СНиП 2.06.14-85) горная порода с коэффициентом фильтрации менее 0,001 м/сут., его толщину в расчетах следует уменьшить на величину, равную глубине прорастания трещин.

Так, в процессе анализа причин аварий при расчетах не нарушаемого слоя на ул. Б. Дмитровка, оказалось, что его мощность в результате изгиба и нарушения поперечными трещинами уменьшилась на 1 м (примерно на четверть от мощности подстилающих глин).

В тех случаях, когда водоупорный слой попадает в зону совместного влияния нескольких выработок, за-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Рис. Схема деформирования водоупорного слоя при различных положениях влияющих горных выработок:

1, 2 - трещины в слое, идущие от его верхней поверхности; 3 - то же от нижней; 4 - водоупорный слой; 5, 6 - влияющие выработки

дача существенно усложняется. При наложении на водоупорный слой деформаций одного знака раскрытие трещин и глубина их прорастания соответственно увеличиваются. На рисунке (поз. б) показано положение выработок, при котором зоны растяжения, вызванные влиянием каждой из выработок, сливаются и размеры трещин на этом участке возрастают. Наиболее неблагоприятным является взаимное положение выработок, при котором трещины, идущие от верхней и нижней поверхностей слоя, попадают в одно поперечное сечение (поз. в). На этом участке ненарушенной является только та часть слоя, которая расположена между образовавшимися трещинами [5].

Таким образом очевидно, что наличие водозащитного слоя в массиве горных пород при подработке водных объектов играет большую роль, поскольку само понятие «водозащитный слой» подразумевает защиту подземных сооружений от проникновения в них воды, однако недостаточное знание особенностей поведения экранирующего слоя в процессе подземной подработки способно создать ложное ощущение безопасности в процессе ведения горных работ и, как следствие, стать причиной аварийных ситуаций.

Поэтому при решении вопросов безопасности подработки водных объектов при наличии в толще пород водозащитного слоя должны применяться следующие мероприятия инженерного характера:

• оценка положения экранирующего слоя относительно горной выработки и водного объекта;

• оценка мощности водоурпорного слоя, не нарушаемого при его подработке.

а) , 2 1 2

1. И.А. Турчаников, М.А. Иофис,

Э.В. Каспарьян. Основы механики горных пород. Л., Недра, 1977.

2. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. С.-Петербург, ВНИМИ. 1998.

3. Научные основы управления деформационными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых. М., 1984

4. СНиП 2.06.14-85. Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод. М., Госстрой СССР, 1985.

5. К.Н. Трубецкой, М.А. Иофис. «Геомеханическое обеспечение комплексного освоения недр г. Москвы». Горный журнал, №11, 1999.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

,________________________________________________________________________

Митишова Н.А. — аспирантка Института проблем комплексного освоения недр РАН