Материал: Engineering Geology of MD

тие главным образом мергельно-меловых пород мелового возраста. В результате этого оседание поверхности земли к 1973 г. достигло 2,5 м, что привело к нарушению крепи шахтных стволов и других горных выработок. Надо полагать, что такие явления могут возникнуть в аналогичных геологических условиях на других месторождениях.

Оседание поверхности земли при длительных и значительных откачках воды, нефти и газа обычно происходит на участках распространения главным образом различных глинистых отложений в результате снижения напоров, повышения в связи с этим эффективного напряжения от действия вышележащих пород и уплотнения. В этом процессе гидростатического обжатия глинистых пород существенное значение имеют не толькс^ скорость их фильтрационной консолидации, но и развитие процесса ползучести, т. е. медленного уплотнения под постоянной нагрузкой (вторичная консолидация).

Как показали исследования ВНИМИ [5], на Южко-Березов- ском месторождении мергельно-меловые породы интенсивно трещиноваты, поэтому скорость их уплотнения и соответственна оседание поверхности земли обусловлены нх вторичной консолидацией, их реологическими свойствами. Прогноз таких явлений сопряжен с большими сложностями, он требует полного учета свойств горных пород, масштабов изменения гидрогеологических условий при водопонижениях и организации специальных режимных и опытных работ для изучения свойств горных пород в условиях естественного залегания.

Применяемые меры заш,иты территорий и сооружений от опасных явлений оседания поверхности земли и уплотнение горных пород при интенсивном водопонижении не всегда достаточно эффективны. Они состоят в ограничении сроков и интенсивности отбора воды из водоносных горизонтов и комплексов,, на нефтяных и газовых месторождениях — в обратном нагнетании воды в продуктивные толщи. Применяют также меры па планировке территорий, а для сохранности и устойчивости со-

полезных ископаемых как открытым, так и подземным способом обнажаются водоносные горизонты и комплексы, трещины и зоны трещин и закарстованные породы, происходят изменение направления движения подземных вод в сторону выработанного пространства и формирование депрессионной поверх-

родинамических сил). Поэтому нередко в горных породах получают развитие разнообразные фильтрационные явления к деформации. К условиям, способствующим возникновению и

ИТ

сти пород в пространстве, прилегающем к контурам горных выработок; 2) разжижение песков-плывунов и их медленное, быстрое или даже катастрофически быстрое перемещение в выработанное пространство; 3) выпор, прорыв подземных вод и плывунов в горные выработки и их затопление {см. ниже).

С движением и фильтрацией подземных вод и фильтрационными явлениями часто бывают связаны и другие геологические явления. Так, например, в растворимых породах соляных месторождений часто развивается карст (соляной и сульфатный) с образованием в них полостей и пустот, с изменением их водопроницаемости и водоносности. В карбонатных породах широко известны суффозионно-карстовые явления, заключающиеся в выносе и вымывании подземными водами песка и другого обломочного материала из карстовых пустот и полостей.

На бортах и уступах карьеров и отвалов в результате суффозии и явлений выпора образуются оползни, часто больших объемов. В пространстве, примыкающем к подземным выработкам, в результате суффозии, карста, суффозионно-карсто- вых явлений и прорывов воды и плывунов возникают просадки, провалы и сдвижения больших масс горных пород.

Таким образом, все фильтрационные явления связаны с подземными водами и обусловленным ими действием гидростатических, гидродинамических и химических (коррозионных) сил на устойчивость горных пород и соответственно на устойчивость горных выработок и безопасность ведения горных работ. Поэтому оценка и прогноз возможности развития фильтрационных явлений—важнейшие задачи инженерно-геологического изучения месторождений полезных ископаемых как на стадии разведки, так и при разработке.

Все фильтрационные явления, как известно [21], связаны с высокими напорами и повышенными скоростями движения

ляющими возможность развития фильтрации, является неоднородность гранулометрического состава пород, слагающих толщи, слои или заполняющих трещины, пустоты и карстовые полости, а также наличие области разгрузки подземных вод, которой на месторождениях полезных ископаемых служат гор-

нию фильтрационной прочности пород,

218

Для предупреждения развития фильтрационных явлений применяют полное или частичное осушение горных пород п снижение напоров подземных вод, устройство противофильтрациоиных завес, откосные дренажи в основании уступов и бортов карьеров, искусственное уплотнение н закрепление горных пород, в том числе их замораживание, при проходке шахтных стволов и других подземных выработок. Кроме того, оставляют предохранительные слон в почве и кровле выработок, применяют специальные способы их проходки, определенные типы крепления и др.

Внезапные прорывы воды и плывунов. Очень опасным фильтрационным явлением, заслуживающим особого внимания, является внезапный прорыв воды и плывунов в горные выработки. Это явление представляет собой внезапное, интенсивное, каскадное увеличение или возникновение притока воды и плывунов в горные выработки. Прорывы происходят из кровли,, почвы или боковых пород при проходке стволов шахт, подготовительных и очистных выработок. При этом в горные выработки поступает или чистая вода, или содержащая взвеси песчано'глинистого материала, илн типичные плывуны [21].

Внезапные прорывы воды и плывунов представляют большую опасность при производстве горных и строительных работ, вызывая нередко катастрофы с человеческими жертвами, деформации и разрушения горных выработок, снижение производительности горных предприятий и повышение себестоимости полезного ископаемого. Известно много примеров, когда после прорывов горные выработки восстанавливать было нецелесообразно и их забрасывали. Прорывы очень часто вызывают сдвижения огромных масс горных пород, оседания поверхности земли и деформации надшахтных зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния горных выработок. Профилактические и капитальные мероприятия по защите горных выработок от этих явлений и обеспечению безопасности работ сложные и требуют больших дополнительных затрат.

Прорывы воды и плывунов возникают главным образом при условии, когда горные выработки изолированы ненадежными водоупорами или когда они непосредственно вскрывают пластовые, трещинные и карстовые воды, создающие повышенное или высокое гидростатическое давление. Как показывает практика разработки месторождений угля в Подмосковном бассейне, при вскрытии водоносных горизонтов с напорами около 30 м и более обычно образуются прорывы катастрофического характера, которые могут вывести из строя не только отдельные участки подземных выработок, но и шахту в целом.

Образованию прорывов способствуют: тектонические нарушения и зоны повышенной трещиноватости горных пород в пределах шахтных полей; закарстованность пород, вмещающих полезное ископаемое; расположение в зоне влияния горных работ заброшенных, затопленных старых горных выработок и

2 1 »

других водных объектов; проходка горных выработок с обрушением кровли; производство взрывных работ; запаздывание крепления горных выработок и обрушение горных пород из кровли и выдавливание их из почвы; вскрытие незатампонированных разведочных скважин; плохо выполненное искусственное замораживание горных пород; вскрытие таликов в многолетнемерзлых породах и др. Следовательно, прорывы возникают при вполне определенных инженерно-геологических условиях, которые необходимо выявлять и оценивать при разведке месторождений.

Процесс прорыва обычно сводится к разрушению, взламыванию горных пород, преграждающих доступ воды или плывуна в горные выработки, Начало развития этого процесса обычно отмечается повышением давления горных пород на крепь, появлением в них трещин, капежа и небольших струй воды, выдавливанием горных пород, особенно по почве горных выработок, и образованием небольших бугров. Иногда наблюдается повышение влажности горных пород и др. Завершается процесс полным разрушением горных пород, преграждающих доступ воды и плывунов в горные выработки. При этом горБые породы расчленяются трещинами, которые по мере развития прорыва размываются потоком воды или плывуна и превращаются в открытые каналы, обеспечивающие интенсивное, каскадное их поступление в горную выработку. То же самое наблюдается при вскрытии горными выработками водоносных пустот и трещин.

Основной действующей силой процесса прорыва является гидростатическое давление подземных вод водоносных горизонтов, комплексов и зон, расположенных над кровлей горных выработок и обязательно напорных вод водоносных горизонтов, комплексов и зон, расположенных ниже их почвы. Естественно, что чем выше гидростатическое давление подземных вод и меньше сопротивление горных пород разрушению (прочность), тем больше вероятность образования прорыва. Большое влияние при этом оказывают размеры выработки (ширина пролета) и мощность слоя или зоны горных пород, преграждающих доступ воде и плывунам в горные выработки.

Выше, в гл. П1, было показано, что в Подмосковном угольном бассейне угленосная толща имеет три или четыре надугольных и подугольных водоносных горизонта песков, разделенных слоями и линзами глин, образующих прерывистые водоупоры. Слои углей и песков на отдельных участках непосредственно соприкасаются с подстилающими их известняками, которые трещиноваты и содержат напорные воды. В таких геологических условиях на месторождениях Подмосковного бассейна нередко происходили прорывы воды и плывунов в гор-

2 2 0

ного водоносного горизонта (напор 78,5 м) слоем глин мощностью 3 м. При прорыве приток воды был большой. 23 сентября 1939 г. произошел прорыв на шахте № 49 Поплевинской в четвертом восточном штреке из подугольного водоносного горнзонта. Приток был также большой.

Характерным является прорыв на шахте № 7 Щекинской при проходке 21-го бортового штрека лавы № 6. Здесь, в 50 м

трещинами и по ним прорвалась вода под напором, равным

глубине 145 м в центральном откаточном штреке. После очередного взрыва шпуров во время проветривания из кровли штрека на расстоянии 275 м от ствола шахты произошло обрушение пород и вслед за ним интенсивный прорыв плывунов. Штрек подошел к глубокому врезу доюрской долины, выполненной обводненными мелкозернистыми песками юрского возраста. Эти пески находились под напором 1,0—1,1 МПа и стали быстро заполнять штрек.

В пределах Северо-Уральских месторождений бокситов за период их эксплуатации произошло более 70 случаев прорыва

шахты, на восстановление нормальной работы которой был затрачен почти год.

При сооружении скипового ствола шахты «Центральная — Первомайская» Донецкого бассейна на глубине 450 м при пересечении водоносной трещины произошел внезапный прорыв воды с притоком 680 м^ч при напоре 3 МПа. Там же при сооружении клетьевого ствола шахты на глубине 306 м произошел прорыв воды с притоком 1200 м^ч при напоре 1,6 МПа.

При сооружении ствола шахты «Центральная» Миргалимсайского рудника на глубине 150 м произошел внезапный прорыв воды с притоком 150 м®/ч, строительство было приостановлено. При рассечке околоствольного двора этой шахты на глубине 210 м во время пересечения водоносной трещины произошел второй прорыв воды с притоком 1000 м^/ч с выносом в шахту значительного количества песчано-глинистого материала.

В курсе «Инженерной геодинамики» [21] приведен пример проходки подземной выработки в плывунах на глубине примерно 80 м после их замораживания. Однако, как затем было установлено, на одном из участков эти плывунные пески оказались непромороженными и образовался их прорыв. Тысячи кубических метров плывуна быстро заполнили готовую выработку, а на поверхности земли образовалась мульда оседания

221