Обоснование местоположения горнотехнических сооружений рудника в осушаемой толще осадочных пород тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.02, кандидат технических наук Черныш, Александр Сергеевич

• Черныш, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Черныш, Александр Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение

1. Анализ характера деформаций массива горных пород при осушении

1.1 Влияние полей деформаций осушаемого массива на схему вскрытия месторождений полезных ископаемых

1.2 Натурные наблюдения

1.3 Процессы и явления, наблюдаемые в массивах горных пород

при водопонижении

1.4 Методы расчета деформаций массива горных пород при водопонижении

1.5 Лабораторные исследования процессов деформирования

горных пород при водопонижении

2. Исследования закономерностей деформирования толщи осадочных пород при осушении

2.1 Методы исследования

2.2 Материалы, экспериментальное оборудование и методика моделирования

2.3 Схемы моделирования

2.4 Проведение и результаты экспериментов

3. Анализ результатов лабораторных исследований и разработка рекомендаций!

3.1 Анализ результатов физического моделирования

3.2 Рекомендации по расчету горизонтальных смещений осушаемого массива осадочных пород

3.3 Управление напряженно-деформированным состоянием сооружений в осушаемом массиве

Заключение Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование местоположения горнотехнических сооружений рудника в осушаемой толще осадочных пород»

ВВЕДЕНИЕ

Отличительной особенностью развития горнорудной промышленности на современном этапе является усложнение горно-геологических условий добычи полезных ископаемых. Особое внимание при эксплуатации месторождений уделяется безопасности технологических процессов и производств.

Шахтные стволы являются наиболее ответственными и сложными инженерными сооружениями, которые служат главной транспортной магистралью, связывающей подземное и поверхностное хозяйство. В критических ситуациях от надежности и устойчивости крепи шахтных стволов зависит не только работа инженерных коммуникации и оборудования, но и жизнь людей, для которых шахтный ствол является основной магистралью, обеспечивающей нормальную жизнедеятельность при производстве подземных работ.

20 июня 1997 года Государственной Думой Российской Федерации принят закон «О промышленной безопасности производственных объектов», где «предприятия, ведущие работы в подземных условиях, отнесены к категории опасных производственных объектов» [1].

Согласно п. 1 статьи 9 Федерального закона «Требования промышленной безопасности к эксплуатации опасного производственного объекта» организация, эксплуатирующая опасный производственный объект, обязана соблюдать требования нормативных технических документов в области промышленной безопасности. Нормативным документом в области эксплуатации месторождений полезных ископаемых являются «Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом». В них регламентированы необходимые для безопасной эксплуатации состояния крепей подземных выработок, армировки и шахтных стволов.

При строительстве и вводе в эксплуатацию горнотехнических сооружений требования нормативных документов выполняются полностью. Однако, в результате эксплуатации месторождения и техногенного воздействия происхо-

дит необратимая деформация массива вмещающих пород. Вместе с этим деформируются и горные выработки. При достаточно больших деформациях массива вмещающих пород состояние крепи и армировки шахтных стволов, фундаментов горнотехнических сооружений на поверхности перестают удовлетворять требованиям «Единых правил».

Одной из причин, вызывающих деформации массива вмещающих пород, является водопонижение. Цель водопонижения - снижение напоров подземных вод в зоне проведения горных работ. Снижение гидростатических напоров в массиве осадочных пород приводит к резкому изменению природной гидрогеологической обстановки, что проявляется в уплотнении пород в массиве и оседании земной поверхности [2].

Для разработки способов защиты от деформации строительных конструкций (крепи шахтных стволов, надшахтных зданий и сооружений и др.) возникает необходимость в разработке методов прогноза деформаций водоносных пород, оседания и сдвижения поверхности земли под влиянием дренажных работ.

Прогноз деформации массивов осадочных пород под влиянием водопонижения является весьма сложной и трудоемкой задачей, требующей проведения комплексных исследований. Методам прогноза посвящено сравнительно небольшое количество работ [3 - 7]. Они, в большинстве своем, посвящены определению вертикальных деформаций. В то же время вопрос соотношения вертикальных и горизонтальных деформаций остается открытым. В каждом отдельном случае это соотношение определяется авторами аналитически. В итоге диапазон полученных отношений горизонтальных перемещений к вертикальным находится в пределах от 0 до 1. Одной из главных причин такого положения является слабая изученность механизма деформирования и других процессов, происходящих в горных породах при дренировании [2].

Особую актуальность задача изучения механизма деформирования горных пород при дренировании приобретает вследствие того, что осваивается

Яковлевское месторождение железных руд, эксплуатируется Белозерское месторождение, горно-геологические условия вскрытия которых по своей сложности не имеют аналогов в отечественной и зарубежной горной практике.

Целью работы является установление закономерностей распределения полей горизонтальных деформаций в осушаемой толще осадочных пород, что позволяет рационально размещать и безопасно эксплуатировать горнотехнические сооружения подземных рудников.

Основная идея работы заключается в том, что горизонтальные деформации определяются по их соотношению с вертикальными в осушаемом массиве осадочных пород.

Научные положения, защищаемые автором:

- при глубоком водопонижении в массиве осадочных пород формируются вертикальные и горизонтальные деформации, обусловленные процессами фильтрационной консолидации, при этом наиболее опасными для горнотехнических сооружений в массиве пород являются горизонтальные деформации

- величины соотношений горизонтальных смещений массива находятся в зависимости от мощности зоны уплотнения, рельефа кровли подстилающих пород, местоположения исследуемой точки относительно центра мульды сдвижения;

в центре мульды сдвижения формируется зона минимальных горизонтальных деформаций, причем ее • расположение определяется геолого-структурными особенностями месторождения;

размещение стволов при вскрытии подземных рудников необходимо осуществлять в зонах с минимальными горизонтальными смещениями горных пород.

Научная новизна работы заключается в установлении влияния горизонтальных деформаций, вызванных фильтрационной консолидацией пород, на схему вскрытия месторождения.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, подтверждаются применением современных методов исследований, удовлетворительной сходимостью результатов лабораторных экспериментов и данных натурных наблюдений, результатами сравнения фактических и расчетных величин горизонтальных смещений массива осадочных пород, среднеквадратическое отклонение расчетных величин смещений от фактических составило 0,05-0,15 их абсолютного значения.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования и распределения деформаций в осушаемом массиве осадочных пород при водопонижении и определении влияния горизонтальных деформаций, вызванных фильтрационной консолидацией, на схему вскрытия месторождения и безопасную эксплуатацию горнотехнических сооружений.

Практическое значение работы состоит в разработке методики расчета горизонтальных деформаций осушаемого массива осадочных пород, применяемой для изучения полей горизонтальных деформаций и обоснования мест заложения горнотехнических сооружений рудника.

Реализация работы. На основании результатов диссертационного исследования разработаны «Методические рекомендации по расчету горизонтальных смещений массива осадочных пород при водопонижении», которые утверждены и рекомендованы к использованию Советом управления Курско-Белгородского округа Госгортехнадзора России.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования обсуждались на научных конференциях в Белгородской технологической академии (Белгород, 1987г., 1989г., 1995г.), на конференции МГГУ в рамках «Недели горняка» (Москва, 1998г.), Совете управления Курско-Белгородского округа Госгортехнадзора России (Белгород, 1998г.), кафедре БЖД БелГТАСМ (Белгород, 1998г.), кафедре ТПР МГГУ (Москва, 1998г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 5 научных статьях.

1.АНАЛИЗ ХАРАКТЕРА ДЕФОРМАЦИЙ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОСУШЕНИИ

1.1 Влияние полей деформаций осушаемого массива на схему вскрытия месторождений полезных ископаемых

Нормальное функционирование шахтного ствола должно быть обеспечено на весь срок существования рудника, измеряющийся десятилетиями. Если в течение этого срока предусматриваются работы по водопонижению с возможным сдвижением массива, то должны быть приняты как конструктивные, так и гор-штеШйчёские меры для Щ>едотврЩвния тшейх повреадёнии ствола, которые Могли бы нарушить его бёШёрёбойнуто ЖсплуатацШ. ИскусствёШое сШжёние уровня подземных вод приводит в движение большие массы горных пород. Крепь не может противостоять им и работает в режиме заданной деформации. В тех случаях, когда деформации превосходят несущую способность крепи, она разрушается. Крепь ствола в результате сдвижения пород может испытывать самые разнообразные и сложные напряжения, из которых наибольшее значение имеют напряжения осевого сжатия, горизонтального среза и изгиба в вертикальной плоскости.

Примером влияния сдвижения массива осадочных пород на крепь горнотехнических сооружений является Южно-Белозерекое месторождение железных руд. Мощность рудных залежей на этом месторождении изменяется от нескольких йётров ДО 115 Й. Они Шёют весШа йШеШивую форму. Падение рудШх тел й вмещающих пород под углом 65 - 74° . Вмещающие породы представлены слабо-трещиноватыми кварцево-еерш^овымй сланцами. Кристаллические породы на Южно-Белозерском месторождении перекрыты 300-метровой тошцей осадочных пород. Месторождение вскрыто шестью вертикальными стволами (рис. 1.6), пять из них расположены в лежачем боку и один в висячем. Три ствола лежачего бока, именуемые Центральной группой стволов (ЦТС), расположен

ны в центре шахтного поля на расстоянии 1200 м от рудной залежи. Рудное тело вскрыто от ЦГС квершлагами на горизонтах 400, 480, 560 и 640 м. Первоначально проектом предусматривалась система разработки с обрушением налегающих пород. В связи с осложнениями, возникшими при осушении месторождения была принята система этажной выемки с твердеющей закладкой (рис. 1.1). Осушение осадочных водоносных пород и рудно-кристаллического массива привело к формированию обширной мульды сдвижения радиусом более 20 км.. В зоне влияния мульды сдвижения оказались и шахтные стволы, что и обусловило их деформацию. Для компенсации вертикальных смещений массива в крепи шахтных стволов предусматривалось сооружение узлов податливости. Наряду с вертикальными деформациями крепи шахтных стволов наблюдались и горизонтальные {табл.1). Данные этой таблицы показывают наличие значительных горизонтальных смещений, наблюдаемых в районах шахтных стволов, находящихся в различных местах деформирующегося массива.

Деформация шахтных стволов серьезно осложнила эксплуатацию месторождения. В период интенсивного снижения гидростатических напоров (рисЛ.З) резко возросла частота ремонта крени шахтных стволов (рис. 1.2). Отклонение стенок шахтных стволов от вертикали значительно превышает требования «Единых правил безопасности» и обуславливает отклонение проводников от вертикали, в результате чего скорость передвижения скипов была снижена вдвое. Проектная мощность Запорожского железорудного комбината, эксплуатирующего Южио-Белозерское месторождение, составляла 6,6 млп.тош1 руды в год. Осложнения возникшие при эксплуатации шахтных стволов не позволили достигнуть предусмотренной проектом мощности. Максимальная производительность комбината составила 3,5 млн.тонн руды в год. Кроме того разрушение ряда водопонизительных (см. п. 1.2) скважин на Южно-Белозерском месторождении железных руд подтверждает необходимость учета депрессионных де-

2 - Дренажный ствол; 3 - ЦСС; 4 - квершлаг; 5 - .рудовмещающая толща

Таблица 1

Ствол Отклонение армировки от вертикали, мм Отклонение стенок ствола от вертикали, мм Горизонтальное смещение, мм

фактическое в направлении допуск 1:2000 Н фактическое в направлении допуск 1:2000 Н в направлении величина

север-юг восток-запад север-юг восток-запад

Грузовой №1 (ярус № 0-179) 101 101 26 199 407 26 юго-восток 233

Грузовой №2 (ярус № 0-179) 55 92 26 256 548 26 юго-восток 135

Вспомогательный (ярус № 0 -160) 94 149 37 239 567 37 юго-запад 130

Южный вентиляционный (ярус № 0-96) 139 20 266 180 20 северо-запад 122

Северный вентиляционный (ярус № 0 - 99) 35 20 320 260 20 юго-запад 53

Дренажный (ярус № 0 - 92) - 18 20 160 110 20 юго-восток 30

Рис.1.2 Графики частоты ремонта крепи стволов Южно-Белозерекого месторождения железных руд: I - Южного; 2 - Вспомогательного; 3 - Грузового №1; 4 - Грузового $2

Рис.1.3 Графини изменения напоров в бучакском водоносном горизонте: I - наблюдательная скважина в центре депрессионной воронки; 2 - наблюдательная скважина в периферийной части

формаций при размещении горнотехнических сооружений в осушаемом массиве осадочных пород.

1.2 Натурные наблюдения

В мировой практике отбора вод для промышленных и хозяйственный целей имеются многочисленные примеры оседания поверхности земли. В районах осуществления интенсивных откачек подземных вод формируются огромные депрессионные поверхности уровней подземных вод. Оседания поверхности происходят медленно и постепенно вслед за развитием депрессионной воронки, охватывая большие площади. Часто они обнаруживаются только, когда принимают опасные размеры.

Основным недостатком имеющихся данных натурных наблюдений за деформациями массива пород при дренировании является отсутствие наблюдений за горизонтальными смещениями массива и поверхности земли при фиксировании лишь вертикальных перемещений точек земной поверхности.

Оседание поверхности земли в г. Саванна (США).

Основной водоносный горизонт приурочен к известняковой серии, возраст которой определяется от среднего эоцена до миоцена. Среди пористых известняков имеются пропластки мела и мергеля, песчаного, глинистого и кремнистого известняка. Горизонт перекрыт глинистыми осадками миоцена. Мощность его составляет 150 м5 кровля залегает на глубине 50 м.

В период с 1933 по 1955 г. Девисом [8] отмечается тесная связь оседания поверхности земли с понижением уровня подземных вод основного водоносного горизонта. С 1963 г. было прекращено понижение напора подземных вод и произведено перераспределение водозаборов. Однако, повторное нивелирование в 1975 г. показало, что оседание поверхности земли продолжается с прежней интенсивностью - 4 мм в год. Предполагается, что это связано с медленной потерей воды тонкозернистыми породами в связи с понижением уровня, которое наблюдалось к 1963 г. Участок максимального понижения напора подземных вод

сместился к юго-западу и вызвал понижение поверхности земли там, где его раньше не было.

По мнению Девиса, возникновение оседания поверхности земли в 19551975 гг. на участке, ранее устойчивом, заставляет предположить, что существует порог давления, который должен быть превзойден, чтобы вызвать оседание поверхности земли и что этот порог составляет здесь 15 м понижения напора подземпых вод. Максимальное оседание поверхности земли не превысило 0,3 м.

Юг центральной части штата Аризона.

Для питьевого водоснабжения используются подземные воды.

Расход подземных вод, по данным Уиникки и Уалду [9], превосходит питание на 2700x106 м3. Поланд [10] отмечает, что в 1975 г. извлечено около 6200х 106 м3 подземных вод. Интенсивная откачка, превышающая пополнение запасов и продолжающаяся в течение 2-х десятилетий, понизила уровень подземных вод местами до 100 м.

В табл.2 приведены площади оседаний, их величины и понижение уровней подземных вод в пределах этих площадей с 1923 по 1977 гг.

Таблица 2

Районы ( 7 Площадь 1x10 м~ Снижение уровня подземных вод с 1923 по 1977 гг. Максимальная величина оседания поверхности земли, м/'год

Люк 400 90-100 1 (1967)

Купн-Крик 600 90-120 1,5 (1976)

Стенфилд 700 90-140 3,6 (1977)

Илой 1000 60-90 3,8 (1977)

По периферии осевших территорий на поверхности образуются крупные трещины, образование которых впервые отмечено в 1927 г., а величина оседания поверхности земли установлена в 1948 г. [9]. Трещины достигают длины 14 км, пересекают естественные пути дренирования и действуют как дрены: перехватывают поверхностный сток и ирригационные воды. Движение воды по трещинам вызывает их расширение частично вследствие обвалов, но главным образом из-за боковой эрозии. Дифференцированное оседание и образование трещин приводит к повреждению сельскохозяйственных земель, систем распределения воды, скважин, зданий, шоссе.

Уровни подземных вод продолжают подниматься, увеличивается оседание поверхности земли, развиваются новые трещины.

Долина Лас-Вегас (Невада) - откачка подземных вод в 1978г. составила 85х!06 м3. Максимальное оседание поверхности в долине с 1935 г. по 1963г. составило 1,2 м. Здесь также отмечается развитие трещин по периферии осевшей территории.

Штат Калифорния. В Калифорнии имеются два основных района оседания поверхности земли вследствие откачки подземных вод - долины Сан-Хоакин и Санта-Клара.

Долина Сан-Хоакин, расположенная в южной части Калифорнийской долины, представляет собой широкое межгорное структурное понижение, покрытое аллювиальными отложениями. Долина сложена верхнемеловыми палеоген-неогеновыми морскими мелководными осадками, мощность которых достигает несколько тысяч метров. Морские осадки перекрыты мощным чехлом континентальных отложений неонового и четвертичного возраста.

В долине имеется 13500 квадратных километров орошаемых земель, половина которых охвачена оседанием. Максимальное оседание превышает 8,8 м. На большей части территории оседания поверхности земли происходит медлен-

но и незаметно для населения. Местами оно бывает резким и неравномерным, в результате чего осложняется эксплуатация каналов водоводов.

В 27 км к югу ог г. Туляре с 1958 г. измерялись уплотнение и давление в водоносной системе в интервале глубин от 108 до 231 м.

Релей (1969 г.) определил, что неупругое уплотнение водоупорных слоев мощностью 75 м составляет 7,5 х 10"4 м"1, а упругое уплотнение водоносных горизонтов мощностью 48 м - 9,3 х 10"6 м"1 [10].

Лофгрен [11] отмечает, что в пределах деформации обратимое уплотнение и скорость уплотнения на единицу изменения давления меньше на один-два порядка, чем в пределах неупругих, необратимых деформаций.

Долина Санта-Клара [12] представляет собой узкий структурный прогиб, протягивающийся на 145 км к юго-востоку от г. Сан-Франциско. Водовмещаю-щими породами являются аллювиальные четвертичные отложения, состав которых изменяется от грубого гравия, распространённого вблизи гор, до пылеватых и глинистых разностей.

Подземные воды в центре долины артезианского типа. Снижение напоров артезианских вод с 1916 по 1966 г. на 55-75 м привело к оседанию поверхности земли, которое достигло в районе г. Сан-Хосе 3,9м.

С 1967 по 1975 г. происходило интенсивное восстановление напора подземных вод (до 30 м), что привело к замедлению скорости оседания поверхности земли.

Поланд [12], рассмагривая причину оседания и нуги его прекращения в долине Санта-Клара, отмечает, что оседание прекращается с увеличением артезианских напоров в водоносных горизонтах до тех пор, пока они не станут равными или не превзойдут максимальное поровое давление в слабопроницаемых пластах.

Таким образом, на основании изложенного можно сделать следующие выводы.

1. Американские исследователи (Поланд и др.) придерживаются мнения о том, что развитие деформаций во времени после стабилизации уровней подземных вод определяется медленным отжатием поровых вод из слабопроницаемых пород. Процесс этот может быть прекращен повышением уровня подземных вод в хорошо проницаемом пласте до тех пор, пока они не сравняются с поровым давлением в слабопроницаемом пласте.

2. Деформации горных пород при водопонижении могут начаться не сразу, а лишь после превышения некоторого порога давления.

3. Процесс развития оседания поверхности земли сопровождается и горизонтальными деформациями, которые в отдельных случаях (Аризона, Лас-Вегас) могут привести к образованию трещин па поверхности земли по периферии мульды сдвижения.

Южно-Белозерское месторождение железных руд.

Южно-Белозерское месторождение отрабатывается подземным способом с твердеющей закладкой выработанного пространства в сложных гидрогеологических условиях. В геологическом строении Южно-Белозерское месторождения принимают участие два резко различных по своим физико-мехническими свойствами комплекса пород - руднокристаллический и осадочный (рис. 1.4).

Осадочный комплекс пород имеет мощность 250-320 м и горизонтально залегает на кристаллическом фундаменте. Уменьшение мощности связано с поднятием подстилающих пород в местах выходов рудных тел. Слагающими породами являются преимущественно глины, пески, мергели. Прочностные показатели пород этой толщи варьируются в небольших пределах и могут характеризоваться средними величинами: сцепление 200 кПа, угол внутреннего трения 22°.

Гидрогеологические условия месторождения отличаются значительной сложностью. Всего на месторождении выделяется до восьми водоносных гори-

зонтов. Один из них расположен в трещиноватой зоне руднокристаллического комплекса, а остальные в покровных отложениях.

Водоносные горизонты осадочных отложений делятся мощной толщей глин (более 100 м) на две группы. Один из трех горизонтов нижней группы -бучакский, заключен в песках и залегает в местах поднятия кристаллического фундамента на выходах рудных тел под покровные отложения.

В соответствии с проектом осушения с 1962 г. проводились водопонизи-тельные работы, которые привели к снижению напоров в бучакском водоносном горизонте на 160 м, а в руднокристаллическом - на 300 м. Вследствие развития при этом процесса депрессионной консолидации отдельных слоев пород на обширном участке массива сформировалась зона деформаций пород и земной поверхности. Наблюдения за сдвижением земной поверхности на Южно-Келозерском месторождении начаты в 1961 г. и выполняются лабораторией сдвижения горных пород Запорожского железнорудного комбината (ЗЖРК) [13,14,15].

Мульда сдвижения на земной поверхности начала формироваться в 19641965 годах. Наибольшее оседание земной поверхности в настоящее время превысило 2,9 м. Характер и величина оседания земной поверхности отчетливо отражают глубинные геолого-структурные условия участка месторождения. Представленные на рис. 1.5 графики оседания показывают, что мульда сдвижения беспрепятственно развивается и приобретает классическую форму на участках горизонтальной поверхности контакта рыхлой толщи и коренных пород. Напротив, на участке рудной залежи кровля коренных пород приподнята; размытым оказался мощный (до 50 м ) слой меломергелевых пород, подстилающий осадочную толщу. В результате влияния двух факторов мульда сдвижения на этом участке значительного развития не получила (величины оседаний меньше в 3 раза). Следует заметить, что именно здесь находится центр депрессионной воронки и наибольшие величины снижения напоров подземных вод.

Рис Л.4 Геологический профиль Южно-Белозерского месторождения: I - суглинки; 2 - известняки; 3 - глины мергелистые;' 4 - известняки; 5 - глины; б - известняки; 7 - глины; 8 - пески; 9 - мелоподобные мергели; 10 - кристаллический выступ подстилающего фундамента; II - рудовмещающая толща; 12 - шахтные стволы; 13 - дренажная скважина; 14 - динамический уровень воды, достигнутый в процессе водопонижения; 15 - статический уровень подземных вод

Осадки, мм О

1000

2000

3000

Дренажный ствол

Дренажный ствол

2,5 2,0 1,5

1,0 0,5

К)

О 0,5 1,0 1,5 2,0 Расстояние,

км

Рис Л.5 График оседания земной поверхности

Наблюдения за деформированием слоев в глубине толщи пород на месторождении не проводилось. Однако в отчетах лаборатории сдвижения горных пород ЗЖРК имеются материалы о деформации крепи шахтных стволов и водо-понизительных скважин, в определенной мере отражающие изучаемые процессы. План шахтного поля и план изолиний оседания поверхности земли приведен на рис. 1.6.

Маркшейдерские наблюдения за деформациями шахтных стволов на ЗЖРК включали следующий комплекс измерений [13,14,15]:

профилировка стенок стволов, расстрелов и проводников; промеры интервалов между опорными тюбинговыми кольцами; наблюдения за оседаниями нулевых рам в устьях стволов; промеры зазоров между подъемными сосудами, армировкой и крепью, документирование мест поломок крепи и ее ремонта. В результате накоплен обширный материал, отражающий характер, величины и динамику деформации стволов и отдельных их элементов.

Рассмотрим эти материалы в соответствии с целью и задачами исследований:

а) центры устьев стволов Грузового №1 и Грузового №2 смещены на юго-восток соответственно на 225-185 мм. В стволе Грузового №1 в интервале глубин 250-350 м горизонтальные смещения ствола относительно нулевой рамы составили: на запад - 450, на север - 150, суммарный вектор - 480 мм. В стволе Грузовом №2 горизонтальные смещения составили 650 мм на запад и 190 мм на север, суммарно 700 мм и приурочено (на глубине 300-380 м) к коре выветривания глинистых сланцев и меломергельным породам.;

б) центр устья вспомогательного ствола переместился на юг на 125130 мм. Участок ствола на глубине 300-380 м смещен относительно нулевой рамы на 450 мм на запад и на 150 мм на юг, суммарно на 480 мм на юго-запад;

Рис Л.б План шахтного поля с изолиниями оседания поверхности земли

в) на Южном вентиляционном стволе центр устья перемещался вначале на север на 100 мм, а затем на запад на 90 мм. Суммарный вектор перемещений имеет величину 130 мм. Наибольшее перемещение в стволе получил участок, приуроченный к глинам коры выветривания и меломергельным породам (на глубине 300-380 м) в направлении северозапад на величину 280-300 мм;

г) центр устья Северного вентиляционного ствола переместился незначительно: на 40-45 мм в южном, а затем в западном направлении, что соразмерно с величиной ошибки измерения. Однако, учитывая систематическую направленность векторов перемещений в южном, а затем в западном направлении, имеются все основания полагать, что они имеют место, хотя величины их незначительны. Участок ствола, приуроченный к меломергельной толще и глинам коры выветривания получил горизонтальные перемещения на величину 350-400 мм в юго-восточном направлении;

д) центр дренажно-вентиляционного ствола на уровне поверхности практически не перемещался. Это закономерно, так как ствол расположен в центре локальной мульды сдвижения. Вместе с тем профилировками установлено отклонение стенок ствола на 150-180 мм на северо-восток в интервале залегания глин коры выветривания и нижней части мелов.

Для характеристики изменения напряженно-деформированного состояния массива и сооружений в нем при водопонижении показательны результаты ка-вернометрии и технического обследования ряда водопонизительных скважин на месторождении №111,126, ЗР,402,200 и др.

В скважине №111 (пробуренной в 1962 году) в 1968 г. в интервале глубин 246-254 м обнаружен прорыв фильтров, которые заменены. Кавернометрией в 1980 г. на глубине 232 м (киевские глины) установлено, что колонна вновь смята.

Скважина №ЗР, пробуренная в 1965 г., вышла из строя в конце 1969 г. в результате смятия фильтровой колонны в интервале глубин 240-260 м (нижняя

часть киевских глин, бучакские пески), а также разрыв колонны со смещением в горизонтальной плоскости на 100 и 250 мм соответственно на глубинах 260 и 272 м (контакты бучакских глин с песками).

В скважине №402, пробуренной в те же годы, в 1971 году обнаружено смятие колонны в интервале глубин 255-270 м.

Интересную картину раскрывает анализ зависимости оседания поверхности земли от режимов изменения напоров в водоносном бучакском пласте (рис. 1.3). Причиной деформации поверхности является водоотбор из пластов пород;

о

качественная и количественная зависимость характера точек оседания поверхности от колебания величин напоров просматривается. Имевшие в последствии довольно значительные колебания величин напоров (25% начального снижения) никак не отразились на закономерностях сдвижения точек земной поверхности. Вместе с тем убедительно проявляется зависимость характера оседания точек поверхности (рис. 1.7, 1.8) от объёма, отобранной из пласта, воды соответствующей дренажной системы [16].

Анализ графиков изменения скоростей оседания точек земной поверхности (рис. 1.9) показывает , что наибольшими скоростями оседаний характеризуются точки в центральной части мульды сдвижения (график 1, рис. 1.9). Затем с 1975 по 1978 гг. они стабилизировались, и при этом произошло смещение зоны активности оседаний на периферийный пояс мульды (график 2, рис. 1.9).

Анализ вышеприведенных материалов позволяет отметить следующие особенности деформирования массива пород и земной поверхности.

1. Различие в скоростях оседания различных участков мульды отражают характер её развития, заключающийся в преимущественном расширении её площади.

2. Деформация массива имеет зональный характер. Основная часть деформаций пород формируется в интервале протяженностью 70-80 м, включаю-

Рис.1.7 Графики оседания земной поверхности в зависимости от объема воды, отобранной из пласта соответствующей дренажной системой: I - в центре мульды сдвижения; 2 - на периферийной части мульды сдвижения

Рис Л. 8 График оседания земной поверхности в мульде сдвижения Южно-Белозерского месторождения железных руд: I - в центральной части; 2 - в периферийной части; 3 - в центре депрессионной воронки

Рис Л.9 Графики скоростей оседания земной поверхности Южно-Белозерского месторождения железных руд: I - в центре мульды сдвижения; 2 - в пери$е-рийной части

щем зону выветренных сланцев, меломергельные породы, бучакские пески и нижнюю часть пласта киевских глин.

3. Из наблюдения в различных стволах видно, что одни и те же разновидности пород имеют различную не только абсолютную, но и относительную в свите слоев, скорость оседания. Это говорит о различии гидрогеологических, инженерно-геологических и силовых условиях деформирования.

4. Анализ материалов наблюдений за сдвижением земной поверхности и массива подтверждает положение о том, что при водоотборе с глубоким попи-жением напоров наибольшим деформациям подвержены водонепроницаемые и слабопроницаемые породы, контактирующие с дренируемыми пластами. В данном случае это пласты киевских глин, меломергельных пород и глины коры выветривания.

5. Все слои имеют горизонтальные деформатщи, величины и характер которых зависит от их месторасположения в мульде сдвижения. Установлено неравномерное по глубине распределение горизонтальных перемещений. Наибольшие горизонтальные деформации отмечаются для интервалов залегания пород: киевские глины - глины коры выветривания.

6. Наибольшие скорости и величины горизонтальных перемещений стенок стволов относятся к 1964-1970 годам (70-80% зафиксированных перемещений). Все горизонтальные перемещения направлены к центру мульды сдвижения.

7. Характер и месторасположение нарушений устойчивости и разрушения крепи водопонизительных скважин совпадают с наблюдаемыми на стволах и подтверждают действие значительных усилий на контактах пород с различными физико-механическими свойствами.

Наиболее полное описание случаев оседания поверхности при откачке подземных вод содержится в работе [17], основанной на результатах всемирного анкетирования специалистов рабочей группой по оседанию поверхности при ЮНЕСКО. В работе собрана информация о 42 зафиксированных случаях, 18

расположены в США и 10 - в Японии. В соответствие с [33] Япония, видимо, занимает первое место по количеству оседающих регионов и в настоящее время насчитывает не менее 40 выявленных участков оседания, число которых продолжает увеличиваться в ходе широкомасштабной программы исследования этого процесса. По величине оседаний они ранжируются от весьма незначительных, как например, в Бангкоке [18] или Венеции (0,15 м [19,20,21,22]), до нескольких единиц или первых десятков метров (Алабама [23], Мехико [24,25,26], Калифорния [27,28]). Весьма сильно изменяются и скорости оседаний. График осадок поверхности в Ниигата (Япония) [29] свидетельствует о незначительных величинах скоростей осадок - 0,5 см/год с 1898 по 1952 г. и резком их увеличении с 1955 г. Скорости осадки гавани в 1957 г. достигала 40 см/год, а в 1959 г. - 54 см/год. Средняя скорость смещений в центре северного острова Новой Зеландии [30] с 1968 по 1977 г, составляет 110 мм/год в радиусе 250 м, уменьшаясь до 15 мм/год в радиусе 750 м. Опускания поверхности связываются с большим водоотбором подземных термальных вод.

Исследователи выделяют три главные причины возникновения оседаний при водопонижении: обрушение в естественные или техногенные карсты при снятии в них напоров подземных вод [23], консолидация глинистых пород [28, 31], уплотнение пород, сформированных при участии древних ледников [32]. Среди опасных последствий оседаний авторы приведенных работ выделят изменение уклонов воднотранспортных систем (каналов, дрен и трубопроводов), разрушение скважин в толще массива, затопление прибрежных зон и возникновение трещин в строениях в зонах интенсивной застройки. Наиболее близкими к вопросам подземной эксплуатации месторождений являются возможные нарушения крепи подземных сооружений (стволов или горизонтальных выработок).

Таким образом, проблема оседаний поверхности при водопонижении имеет не только частный характер, связанный с горными работами, но и значительно более общий, что делает ее весьма актуальной.

1.3 Процессы и явления, наблюдаемые в массивах горных пород

при водопонижении

Предварительное водопонижение при разработке месторождений полезных ископаемых, а так же интенсивные откачки подземных вод для водоснабжения резко изменяют природную гидрогеологическую обстановку массивов горных пород. П. Н. Панюков отмечает [77], что в осушаемых массивах горных пород наблюдается активизация процессов и явлений взаимодействия подземных вод с горными породами. К ним относятся: перераспределение напряжений и депрессионное уплотнение пород за счет снятия эффекта гидростатического взвешивания, снижение влажности пород и их упрочнение [69, 77, 78,79].

Перераспределение напряжений в зоне развития депрессионной воронки происходит вследствие снятия эффекта гидростатического взвешивания в пластах [62, 68, 78]. Известно, что нагрузка от веса Г7 в массиве воспринимается скелетом породы Рэ и поровой водой Рн [65, 62, 78]. Поэтому величина эффективного напряжения в массиве будет равна

Рэ=Рг-Рн=ГсрЬ-ГвНв , (1.1)

где УсР- средневзвешенное значение объемного веса пород, залегающих над

рассматриваемой точкой, к - глубина залегания рассматриваемой точки, у,- плотность воды,

Не - высота столба воды над рассматриваемой точкой. При снижении уровня воды в водоносном горизонте на величину АН увеличивается напряжение в скелете породы Р/

(1-2)

Значительное снижение нейтрального давления в пластах в зоне развития депрессионной воронки обуславливает повышение напряжений в схеме породы, их депрессионное уплотнение повышение прочности [62, 76].

Повышение плотности пород в результате их депрессионного уплотнения может оказать существенное влияние на их прочность и влажность. Наибольшее влияние депрессионное уплотнение оказывает на прочность тонкозернистых, пылеватых, глинистых песков и глин. При уменьшении влажности глинистых пород происходит сокращение расстояния между частицами на площадках их микроконтактов, снижаются переходные диффузные, значительно возрастает величина сцепления.

Как показали исследования П. Н. Панюкова, приращение энергии межми-пералышх связей пропорционально 4-ой степепи величины сокращешш расстояния между минеральными частицами [77]. В связи с тем, что при значительном снижении гидростатических напоров депрессионныё воронки охватывают огромные территории, отжатие поровых вод из пластов в результате их депрессионного уплотнения может существенно изменить величину водоприто-ков в дренажные устройства.

Исследования П. Н. Панюкова и ряда других исследователей показали необходимость, кроме общей методики оценки увеличения эффективных напряжений в пластах, учета ряда явлений и процессов, имеющих место в каждом отдельном случае. К таким процессам и явлениям можно отнести механическую суффозию, химическую суффозию, диффузионное выщелачивание пород.

1.4 Методы расчета деформаций массива горных пород при водопонижении

Впервые прогноз консолидации массива для одномерного случая был осуществлен Терцаги [34]. Согласно Терцаги, консолидация полностью водо-

насыщенных пород обусловлена только фильтрационным отжатием поровой воды под воздействием дополнительной внешней нагрузки. При этом принимается, что минеральные частицы и поровая вода являются несжимаемыми. Процессы уплотнения пород за счет отжатая порового раствора принимались аналогичными термодинамическим процессам при остывании нагретого тела, что позволило использовать разработанный математический аппарат для решения задач уплотнения пород. Дальнейшее развитие теория фильтрационной консолидации получила в трудах Н. М. Герсеванова и Д. Е. Полыиина [36].

Н. М, Герсеванов более подробно исследовал одномерную задачу уплотнения грунтовой массы и сформулировал уравнения фияьтрацкоииой консолидации для плоской и пространственной задач уплотнения. Крупный вклад в развитие теории уплотнения грунтов внес В. А. Флорин [36, 37], который впервые предложил теорию объемных сил при линейно деформируемом скелете грунта. По этой теории процесс консолидации грунта сопровождается возникновением сил взаимодействия между двумя фазами грунта: скелетом и поровой водой в виде объемных сил за счет возникновения давления в поровом растворе. Позднее подобная модель грунта была описана М. Био. В. А. Флорин сформулировал общую постановку плоской и пространственной задачи, а также разработал общий метод дифференциальных уравнений консолидации грунтов с учетом переменности напряженного состояния, пористости и проницаемости грунта, а также ползучести скелета, структурной прочности и начального градиента напора. Значительные усовершенствования в теорию фильтрационной консолидации внес Н. Н. Веригин, основываясь на том, что приращение давления на грунт передается одновременно как на скелет, так и на поровую воду и затем перераспределяется в процессе уплотнения грунта [38].

Теория фильтрационной консолидации получила также свое развитие в трудах советских ученых H.H. Маслова [39], H.A. Цытовича [40], М.Н. Гольд-штейна [41], В. Г. Короткина [42] и других. Изучению процессов консолидации

грунтов и закономерностям развития и изменения порового давления достаточно большое внимание уделяется и в зарубежной литературе. Из числа зарубежных авторов необходимо отметить Карилло [43], Гибсона [44] и других. Многочисленными экспериментами установлено, что в некоторых грунтах при приложении нагрузки развитие деформаций скелета происходит настолько медленно, что именно ползучесть, а не фильтрационное отжатие воды определяет скорость консолидации. В этом случае уплотнение грунта происходит при отсутствии измеримых изменений порового давления и время консолидации грунтов не зависит от мощности уплотняемой зоны. Для расчетов скорости осадки в толщах таких грунтов ряд исследователей [34, 36, 40, 45, 46, 47] рекомендуют использовать теорию ползучести. Изучение явлений ползучести грунтов впервые было начато Терцаги. В дальнейшем на базе аппарата теории ползучести, разработанного в трудах Н. Н. Маслова, Ю. Н. Работнова [46], Н. X. Арутюняна [45], А. Р. Ржаницина [48] и других; Ю.М. Либерман, М. Н. Розовский [49], С. С. Вялов [50] создали новые методы расчета деформаций горных пород. На основе богатого экспериментального материала по исследованию закономерностей ползучести глинистых грунтов С. Р. Месчан [47] установил возможность применения теории Маслова-Арутюняна при расчетах деформаций грунтов. В работах Ю. К. Зарецкого даны общая постановка и методы решения задач уплотнения и ползучести многофазных грунтов. За расчетную схему Ю. К. Зарец-кий принимает модель объемных сил Флорина-Био, в ее обобщенном виде с учетом переменности параметров деформации и ползучести. Он сформулировал систему дифференциальных уравнений пространственной задачи теории консолидации и ползучести многофазных грунтовых систем, а также решил конкретные задачи, доведя их до численных результатов и составил таблицы для широкого практического применения.

Неотъемлемой частью прогноза является обоснование адекватного выбора расчетного метода, поскольку развитие депрессионного уплотнения зависит от

большого количества факторов, играющих различную роль в каждом конкретном случае. Поэтому, как правило, выбор расчетной модели обосновывается экспериментальными данными. Комплексные эксперименты проводятся в приборах трехосного напряженного состояния с уточнением расчетов натурными замерами порового давления и наблюдениями за фактическими оседаниями массива. Подобные эксперименты произведены на различных объектах Днепропетровским железнодорожным институтом, Московским институтом инженеров транспорта, институтами "Гидропроект" им. Жука, ВНИИГ им. Веденеева, МГИ и ВИОГЕМ. Натурным замерам и экспериментальным исследованиям порового давления и консолидации горных пород большое внимание уделяется за рубежом. Значительные работы в этом направлении проведены Г. Мачаком [51], А. Скемптоном [52], А. Уилсоном и У. Дойлем [53] и другими.

Создание в институте ВИОГЕМ стабилометров высокого давления позволило в значительной мере преодолеть многие технические трудности проведения лабораторных экспериментов по исследованию депрессионного уплотнения пород при бытовых нагрузках и давлениях [54]. С использованием этих приборов была проделана большая работа по экспериментальному исследованию деформирования пород при отборе поровой жидкости применительно к условиям Белозерского и Яковлевского месторождений железных руд [55, 56].

Теоретические разработки ведущих ученых позволили разработать ряд методов, касающихся прогноза и оценки напряженно-деформированного состояния массивов горных пород при водопонижении [3-7].

Большая работа по исследованию процессов депрессионного уплотнения грунтов выполнена в институте ВИОГЕМ, выразившаяся в разработке соответствующих методических рекомендаций [2, 6, 7, 56, 57].

В работах [5, 7] изложены основные принципы прогнозирования деформаций осушаемого массива горных пород.

1. Вертикальные смещения массива определяются процессами одномерной фильтрационной и вторичной консолидации пород, обусловленными изменением напряженного состояния массива при уменьшении давления воды в порах дренируемых пород.

2. Горизонтальные смещения массива связаны с вертикальными смещениями условиями неразрывности деформаций в упругой постановке.

3. Продолжительность процессов деформирования определяется скоростью дренирования пород и геологическими свойствами породного скелета, которые имеют практическое значение только для слабопроиицаемых пород.

4. Породы в пределах диалогической разности однородны и изотропны.

Исходными данными для прогноза являются: геологические и гидрогеологические характеристики массива и сведения о физико-механических свойствах горных пород слагающих массив. Необходимые для прогноза параметры определяются в лабораторных условиях при бытовых нагрузках в соответствии с разработанной в институте ВИОГЕМ методикой [7].

Сущность методики [58] заключается в использовании уравнения Терцаги [34] для определения оседания уплотняемого слоя

где Р - поровое давление, Па, ( - время, с,

г - горизонтальная мощность расчетного блока, м, с - коэффициенты консолидации, м/с.

Решение этого уравнения для слоя мощностью^при следующих граничных и начальных условиях (начало координатной оси совпадает с границей дренирования)

1 = 0; 0<г<\; Р = Р0;

1*0; г = 0; Р = 0;

1*0; 2 = Ъё; Р = Р0; будет иметь вид относительно порового давления

1

ДР «

г „2 я2 а, . (2т+\)лг

ехр[-(2/и+1)---] вт--—

я ^(2т+1) Н1 2Л,

(1.4)

Изменение порового давления в пределах слоя составит

4 » 1

ЬР(0 = Р0 1——ехр

-(2ю+1)

2 Я" СГ

Т йГ

. (2т+1)яг

эт---—

2!г„

где Р0 - исходное поровое давление, Па, т - мощность слоя пород, м. Величина оседания уплотняемого слоя

"8

5(0= |ДАР(/)ЙЬ,

(1.5)

(1.6)

или

где

К = 1-

8

ехр ~(2т + 1):

к

Т

с/

(1.7)

(1.8). (1.9)

Для пород, проявляющих реологические свойства, наиболее приемлем закон Бринч Ханзена об одновременном проявлении фильтрационной консолидации и вторичной консолидации, обусловленной реологическим деформированием скелета. Для описания начальной стадии консолидации, когда преобладает фильтрационная консолидация, деформации пласта описываются выражением [59]

Р

№ ,„ Г +

МГ8

(1.10)

практически совпадающим с уравнением (1.8) при Ту <0,4. При больших периодах времени начинает преобладать вторичная консолидация, при которой деформации составляют [59]

(1.11)

(у

Зависимость, объединяющая выражения (1.10) и (1.11), позволяет описать процесс деформирования во времени

_ , др3с' [¿7/, /+5/Л3 .(г+О"6 м

Горизонтальные смещения деформирующегося массива в методике [58] определяются с привлечением метода конечных элементов, при этом реализуется следующее матричное уравнение

(1-13)

где [К] - обобщенная матрица жесткости системы,

{и} - обобщенная матрица узловых перемещений,

{р} - матрица узловых сил, обусловленных снижением гидростатического давления в водоносном пласте.

Решение уравнения (1.13) реализуегся в плоской постановке [3]. При этом каждому элементу системы предписываются конкретные физико-механические характеристики (модуль сжимаемости Е, коэффициент Пуассона V, объемная масса породы у) соответствующие его местоположению в системе. Модуль сжимаемости Е связан с коэффициентом депрессионного уплотнения X следующей зависимостью

£,зд-УХ1-2У) (114)

(1 + у)Л

При применении теории фильтрационной консолидации следует учитывать, что К. Терцаги были использованы следующие упрощения [34]:

1. Ступени нагрузки прикладываются мгновенно.

2. Сжатие грунта и отток воды являются одновременными процессами.

3. Грунт полностью насыщен водой.

4. Действителен закон Дарси.

5. Вода и минеральные частицы сами по себе не сжимаемы.

6. Коэффициент проницаемости и сжимаетости минерального скелета остаются постоянными для данной ступени нагрузки.

7. Деформации малы по сравнению с первоначальной высотой сжимаемого слоя.

Важнейшим этапом в развитии методов прогнозирования деформаций массивов горных пород явилась научно исследовательская работа [76], выполненная в институте ВИОГЕМ под руководством Д. М. Казикаева. В этой работе авторы, анализируя теорию фильтрационной консолидации, пришли к выводу, что эта теория не в полной мере отвечает условиям формирования напряженно-деформированного состояния горных пород при проведении глубокого водопо-нижения. В этих условиях нельзя пренебрегать сжимаетостью жидкости и минерального скелета горных пород, иными словами, взаимодействием между твердой и жидкой фазами породы. Кроме того, при осутпении высоконапорных водоносных пластов в связи с неравномерным распределением давления напряженно-деформированное состояние горных пород будет носить, в основном, пространственный, а не одномерный характер. Поэтому более общей представляется, получившая в последнее время большое распространение, теория объемных сил Био-Флорина. В этом случае задача по определению деформаций рассматривалась на основе совместного решения уравнений теорий упругости и теории упругого режима фильтрации.

Были получены строгие решения по определению вертикальных смещений для схемы двухслойного строения (рис. 1.10) и приближенные для горизонтальных смещений. Следует отметить, что при проведении исследований впервые в отечественной практике авторами производились замеры порового давле-

Р = (а,гД)

$

/^(1 = сопзг или

при 2 (тс, г, 1)

\,Л,Л,Л /у \ /

о о Оар .

= Б

к ,а,Т

'.•,,•■. о • * • • • * ■. •. • . • • • .• •

////////'//// / '/ V / ///// У / У/ }

о

РисЛ. 10 Схема к расчету деформации двухслойного пласта при работе вертикальной дрены

ния непосредственно в глубоко залегающих пластах глин. Полученные при этом данные совместно с результатами исследований нейтральных давлений и деформаций пород в приборах конструкции ВИОГЕМ позволили разработать новые методики определения начальных градиентов, выделения контролирующих факторов консолидации пород и расчета мощности зон денрессионного уплотнения в пластах глин. Большой интерес представляют разработанные приборы для исследования уплотнения пород, в том числе и универсальный стабилометр УСВ-2, позволяющий определять большое число параметров пород. Очень важным является тот факт, что удалось установить закономерность изменения прочности пород в процессе их депрессиошюго уплотнения.

Важным представляется теоретически обоснованное в работе [76] положение о том, что вблизи водопонижающих скважин, где горизонты испытывают в основном уплотнение по вертикали, горизонтальные деформации весьма малы. Кроме того на этом участке породы кровли будут испытывать деформации распора. Значительные горизонтальные смещения находятся на некотором расстоянии от водопонижающих скважин.

Результаты теоретических исследований, проведенных в работе [76] выразились в разработке методических рекомендаций по оценке напряженно-деформированного состояния массива горных пород [6]. Суть работы заключается в следующем : полную деформацию пласта в результате действия нагрузки Ар= ¿Я можно представить в виде двух слагаемых

Деформации обусловлены изменением плотности твердой фазы породы при повышении или понижении давления Ар= у8, возникающие при этом напряжения связаны в пределах малых смещений с уравнениями классической теории упругости

(1.15)

=

V

(1.16)

2/л1* 1+У

где ц и у - соответственно модуль сдвига и коэффициент Пуассона вмещающих пород, 2}л - E/(l + y),

где Е - модуль упругости тех же пород, т/м2,

А- = Охх+ <Туу+ azz - сумма главных напряжений, т/м2. Деформации 42) > возникающие в пласте при изменении его пористости за

счет сжатия скелета породы (в том числе и за счет разрушения связующего зерна цемента) в пределах линейной зависимости между деформациями и действующим давлением, связаны соотношением:

где {3 -коэффициент объёмного сжатия породы, м2/т.

Таким образом, соотношения (1.15) с учетом уравнений (1.16) перепишутся как

7(1) _ 1 ^ V - Т~

2ц

+ ' (1.18)

Из формулы (1.18) получаем напряжение

Подставляя выражение (1.19) в уравнения движения [61]

получим

__ д<у• йги

(1-20)

' i-2v a ц a2 i-2v a v

где

щ - перемещения по направлениям осей,

x,y,z-u,v,w.

Уравнение (1.21), переписанное для пространственной и плоской деформаций, после отбрасывания членов, содержащих множитель р, принимает следующий вид:

пространственная деформация (1-2v)d2u (1 -2v)(fu 1 tfv 1 c?w l+v „ cb

---L---L--1------=-ßy-•

ck2 2(1 - v) dy2 2(1 - v)ct2 2(1 - v) anty 2(1 -v)ck& 1 - v ck' ^v (1 - 2v)d2v (1 - 2v)c?v 1 дги 1 dw l + v„ & ,л

— -L—+ Л-L— .--+--_-ßy—• (1.22.)

dy2 2(1 - v)äc2 2(1 - v)&2 2(1 -v)dtdy 2(1 - v) dydz \-vH dy v 7 (1-2v)<?2w (l-2v)d2w 1 б^и 1 c?v l + v0 ds

--(-i-L---L--1----j.----ßy —

dz2 2(1 - v) dy2 2(l-v)<%2 2{\-v)ac& 2(1-v) \-v плоская деформация:

Заключение диссертации по теме «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», Черныш, Александр Сергеевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной научной квалификационной работе на основании теоретических и экспериментальных исследований решена научная задача по установлению влияния горизонтальных деформаций, вызванных фильтрационной консолидацией пород, на схему вскрытия месторождения и на обеспечение устойчивости и безопасной эксплуатации горнотехнических сооружений.

Основные научные результаты и выводы работы.

1 .Установлено, что горизонтальные деформации массива являются важнейшей причиной разрушения элементов крепи и армировки шахтных стволов, расположенных в осушаемом массиве осадочных пород.

2. Выявлены основные закономерности распределения горизонтальных смещений массива, заключающиеся в том, что максимальные их величины формируются на промежуточных этапах развития депрессионной воронки. При этом фронт максимальных горизонтальных смещений перемещается вслед за развитием депрессионной воронки с определенным отставанием в пространстве и во времени.

3. Установлено, что в центральной части мульды сдвижения формируется зона нулевых (минимальных) горизонтальных смещений горных пород.

4. Установлено, что на характер депрессионных деформаций толщи осадочных пород существенное влияние оказывает форма поверхности ( рельеф ) подстилающих скальных пород, деформационные свойства которых значительно ниже. Это обстоятельство приводит к асимметрии всей мульды сдвижения осадочных пород в соответствии с характером рельефа подстилающих пород.

5. Установлено, что над выступами рельефа поверхности подстилающих пород в поле горизонтальных сдвижений осадочной толщи формируется зона разуплотнения с появлением в отдельных случаях деформаций растяжения и сдвига.

6. Установлено, что шахтные стволы и другие горнотехнические сооружения необходимо располагать на таких участках месторождения, где влияние горизонтальных деформаций минимально. 3 с с

130

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Черныш, Александр Сергеевич, 1999 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федеральный закон Российской Федерации. О промышленной безопасности опасных производственных объектов // Принят Государственной Думой 20 июня 1997 года. - М., 1997,

2. Исследование влияния сдвижения горных пород на деформацию центральной группы стволов ЗЖРК и разработка рекомендаций по обеспечению условий для нормальной работы крепи стволов : Отчет о научно-исследовательской работе. // ВИОГЕМ. Казикаев Д. М., Жилка В. А., Косяков С. И. и др. - 1,5-17(80)-У-34-81-р. - Белгород, 1986. - 83 с.

3. Григорьев А. М. Конечно-элементный анализ напряженно-дефформированного состояния горных пород с учетом их поведения после разрушения // Сдвижение и устойчивость горных пород при разработке железорудных месторождений. Тематич. сб. науч. тр. ВИОГЕМ. - Белгород, 1981.-с. 144-150.

4. Косяков С. И., Турова Т. Д. Оценка влияния осушения месторождений трубок " МИР " и " Интернациональная " на деформацию земной поверхности. // Опыт и перспективы использования математического моделирования при геолого-гидрогеологическом обосновании народнохозяйственных мероприятий. Тез. докл. обл. науч.-техн. конфер. мол. ученых и спец. - Белгород,

1980.-с. 57-58.

5. Маслов H.H. Основы инженерной геологии и механики грунтов . - М.: Высшая школа, 1982. - 511 с.

6. Методические рекомендации по оценке напряженно-деформированного состояния массива горных пород под влиянием осушения месторождений. // ВИОГЕМ - Белгород, 1978. - 51 с.

7. Методические указания по определению деформационных,

прочностных и фильтрационных характеристик горных пород в стабилометрах // ВИОГЕМ - Белгород, 1973. - 66 с.

8. Davis Y. Н., Counts Н.В., Holland S.R. Further examination of subsidence at Savannah Yeorgia, 1955-75. - Yhans - Aish, 1977, Publ № 121. - p.347-354.

9.Winikka К. C. Wold P.D. Land subsidence in central Arizona. Yalis - Aish, 1977, Publ № 121. -p.95-104.

10. Poland Y. T. Subsidence in the United States due to ground Water Withdrawal. Y of the Yrrigation and drainage division: - Proc of the ASCB, 1981, vol. 107 №YRr.-p.l 15-135.

11. Lofgren B.E. Hudrogil effecta of subsidence, San - Yoaguin Valley, California - Yahs-Aish, 1977, Publ. № 121.-p.113-123.

12. Poland Y. P. Land Subsidence stopped by artesian - head recovery, Santa Clara Vallay, California.- Yash-Aish, 1977,Publ. № 121 - p. 124-132.

13.0 результатах наблюдения за движением земной поверхности и горных пород от подземной разработки и осушения Южно-Бел озерского месторождения: Отчет // Лаборатория сдвижения и горного давления. Запорожский железорудный комбинат. - Днепрорудный, 1983.

14. О результатах наблюдения за сдвижением земной поверхности и горных пород от подземной разработки и осушения Южно-Белозерского месторождения: Отчет // Лаборатория сдвижения и горного давления. ЗЖРК. -Днепрорудный, 1986.

15. О результатах наблюдения за движением земной поверхности и горных пород отподземной разработки и осушения Южно-Белозерского месторождения: Отчет // Лаборатория сдвижения и горного давления. Запорожский железорудный комбинат. ЗЖРК - Днепрорудный, 1988 .

16. Гидрогеологический отчёт за 1981 год: Отчёт ЗЖРК/Руководитель В. А. Вершинин-Днепрорудный, 1982. - с. 56.

17. Guidebook to studies of land subsidence due to ground water withdrawal.

UNESCO Working Group on Land Subsidence, 1980. - 984 p.

18. Piancharoen C. Ground water and land subsidence in Bangkok, Thailand // IAHS/AISH. - 1977. -№ 121. - p.355-364.

19.Carbohnin L., Gatto P., Mozzi G. New trend in the subsidence of Venice // IAHS/AISH. - 1977. - № 121 - p.65-81.

20. Carbohnin L., Gatto P., Mozzi G. Land subsidence of Ravenna and Its similarities with the Venice case // Proceeedings of Eng. Found. Conf. on valuation and Prediction of Subsidence Jan. 1978. - Pensacola Beach, Florida. - 1978. - p.413-453.

21. Gambolati G., Freeze R.A. Mathematical simulation of subsidence of Venice. Theory // Water Resources Research. - 1973. - №3. - p.721-733.

22. Gamolati G., Freeze R.A., Gatto P. Mathematical simulation of subsidence of Venice. Results. // Water Resources Research. - 1974. - № 3. - p.563-577.

23. Newton J.G. Induced sinkholes - a continuing problem along Alabama highways // Internal Assoc. Hydrological Sci. - 1977. - №121. - p.453-483.

24. Comision HIDROLOGICA DE LA CUENCA DEL VALLEY DE MEXICO, SRH. 1953-70. // Boletin de Mecanica de Suelos. - №1-6. - 318 p.

25. Comision DE AGUAS DEL VALLEY DE MEXICO, SRH. 1975. // Boletin de Mecanica de Suelos. - №7. - 289 p.

26. Marsal R. J., Mazari M. Subsuelo de la Ciudad de Mexico // Primer Panamericano Congreso de Mecanica de Suelos y Cimentaciones. - 1969. - 614 p.

27. Lofrgren B.E. subsidence and aquifer - system compaction in the San Jacinto Valley, Riverside Country, California // U.S. Geol. Survey Journal of Research. -1976,- №l.-p.9-18.

28. Poland J.F., LofgrenB.E., Ireland R.L. Land subsidence in the San Joaquin Valley as of// U.S. Geol. Survey Prof. Paper 437-H. - 1975. - 78 p.

29. Takeuche S., Kimoto S., Wada M. Geological and geohydrological properties of land subsidence area-case of Niigata lowland // IAHS/AISH. -

1969.- №88.-р.232-241.

30. Stilwell W.B., Hall W.K. Tawhai J.Ground movenment in New Zealand geo-hernial fields // Ministry of Works and Development, Wairakel, Private Bag, Taupo. New Zealand. - 1975. - p.1427-1424.

31. Meade R.H.Petrology of sediments underlying areas of land subsidence in central California // US Geol. Survey Prof. Paper 497-C. - 1967. - 83 p.

32. Broms B.B., Frederickson A. Land subsidence in Sweden due to water-leakage in to deep - lying tunnels and its effects on pile - supported structures // IAHS/AISH. - 1977. -№ 121. -p.375-387.

33. Yamamoto S. Recent rend of land subsidence In Japan // IAHS/AISH. -977. - № 121. - p.9-15.

34. Терцаги К. Строительная механика грунта. - М.: Госстройиздат, 1933. -350 с.

35. Герсеванов Н.М. Основы динамики грунтовой массы. - М.: Госстройиздат, 1933. -246 с.

36. Флорин В А. Одномерная задача уплотнения сжимаемой пористой ползучей земляной среды. // Известия АН СССР. - 1953. - №5. - с. 47-56.

37. Флорин В.А. Основы механики грунтов. - М.: Госстройиздат, 1961240 с.

38. Веригин Н.Н. Об уплотнении грунтов под нагрузкой. // Основания фундаменты и механика грунтов. - 1961. - №5. - с. 22-29.

39. Маслов Н.Н. Прикладная механика грунтов. - М.: Машстройиздат, 1949.-350 с.

40. Цытович H.JI. Прогноз скорости осадок оснований сооружений. -М.: Госстройиздат, 1957. - 118 с.

41. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов, - М.: Госстройиздат, 1952.-204 с.

42. Короткин В.Г. Задача уплотнения при приложении к поверхности

грунта сосредоточенной силы. // Труды ЛПИ. №1 - 1951. - с. 112-124.

43. СагШо N. Simple two and three dimentional cases in the theory of consolidation of soils. J.Math & Physics. - 1942. - №21. - p.35-52.

44. Gibson R. E. The progress of consolidation in a clay layer increasing in thickness with time. Geotechnique. - 1958. - №8. - p.68-95.

45. Арутюнян H.X. Некоторые вопросы теории ползучести. -M.: Гостезтеориздат, 1952. -214 с.

46. Работнов Ю.Н. Некоторые вопросы теории ползучести. // Вестник МГУ. - 1948. - №10. - с. 9-25.

47. Месчан С.Р. Некоторые вопросы ползучести глинистых грунтов. // Известия АН АрССР. Сер. физ.-мат. наук. - 1965. - с.18-27.

48. Ржаницин А.Р.Теория ползучести. - М.: Стройиздат, 1968 - 320 с.

49.Розовский М.Н. Ползучесть и длительное разрушение металлов. // НСТФ. - т. XXI, вып. 2. - 1951. - с. 56-68.

50. Вялов С.С. Прочность и ползучесть мёрзлых грунтов и расчёт льдогрунтовых ограждений. - М.: Изд. АН. СССР, 1962. - 126 с.

51. Matschak Y. Porenwasserdruek Messungen und ihre Anwendung in Untersuchung des Verhaltens Wassersatiges Boden im Tagebaubetrieb. // Fmbergei farschungshest - Freiberg, 1960.

52. Skempton A.W. The pore pressure coefficients Geotechnique 1954. - №4. -p.39-45.

53. Wilson A.G., Doyel W.W. Land surface subsidense and its relation to the withdrawal of ground water in the Houston & Galveston region, Texas. Econ. Geology -1954,-№4.4-p.66-82.

54. Методические указания по определению деформационных, прочностных и фильтрационных характеристик горных пород в стабилометрах. -Белгород: ВИОГЕМ, 1973. - 63 с.

55. Верещагин Н.П., Дудуев В.П., Добровольский Г.Б. Прогнозирование

инженерно-геологических процессов, обусловленных осушением породных массивов. // Материалы Всесоюзного совещания по проблемам теории прогноза инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых. -Белгород: ВИОГЕМ, 1975. - с. 84-85.

56. Казикаев Д.М. Инженерно-геологические процессы при освоении рудных месторождений в сложных гидрогеологических условиях. // Проблемы инженерной геологии в связи с промышленно-гражданским строительством и разработкой месторождений полезных ископаемых: Тез. Докл. V Всесоюз. Конф - Свердловск: УралТИСИЗ, 1984. - с. 26-30.

57. Мироненко В. А., Шестаков В. М., Основы гидромеханики. -М.: Недра, 1974.-296 с.

58. Методические рекомендации по прогнозу деформаций при водопонижении. - Белгород: ВИОГЕМ, 1990. - 30 с.

59. Brich Hansen Y. A model Law for Simultaneous Primary and Secondary consolidation. II Proc. 5-th Int. Cong. Soil Mech. Found. Eng. Paris. - 1961. p. 133136.

60. Biot M.A. General Theory of Ihree - Dimensional Consolidation journal of Applied Phys. Vol. 12. New York, 1941. - p.155-164.

61. Паркус Г. Неустановившиеся температурные напряжения. - М.: Физматгиз, 1963. - 252 с.

62. Бишоп А. Хенкель Д. Определение свойств грунтов в трёхосных испытаниях. - М.: Госстройиздат, 1961. - 230 с.

63. Герсеванов Н. М. Польшин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов и их практическое применение . - М.: Огройиздат, 1948. - 247 с.

64. Горькова И. М. Структурные и деформационные особенности осадочных пород.-М.: Наука, 1965.

65. Денисов Н. Н., Жукова В.М. Поровое давление и сопротивление сдвигу глинистых пород. - М.: ВОДГЕО, 1957.

66. Добров Э.М. Исследование влияния начального градиента на уплотняемость глинистых грунтов: Автореферат диссертации на соискание учёной степени к.т.н. - М., 1966.

67. Homilton L.W. The effect of Iaternal Hydrostatic Pressure on Shaaring strengths of Soils. - Proc. ASYM v.39, 1939.

68. Гальперин A. M. Изучение процессов консолидации горных пород при решении задач карьерной геотехники. // Вопросы маркшейдерского дела на открытых разработках. ВИОГЕМ. - Белгород, 1971.

69. Роза С.А. Результата экспериментального изучения начального фильтрационного градиента в плотных глинах. // Сб. Трудов ВНИИГС №4. - М.: Гостройиздат. -1953.

70. Зарецкий Ю.К. Теория консолидации грунтов. - М.: Наука, 1967. -

269 с.

71. Месчан С.П. Ползучесть глинистых грунтов. Изд. АН СССР Ереван, 1967.

72. Роза С.А. Котов А.И. О влиянии ползучести скелета грунта в процессе консолидации. // Гидротехническое строительство. - 1956.

73. Гальперин А. М., Зарецкий Ю. К. Применение теории консолидации для прогнозирования гидрологических явлений. // Проблемы инженерной геологии. -М.: Изд. МГУ, 1970.

74. Добров Э. М. Прогноз консолидации глинистых грунтов с учётом напора, а также переменной проницаемости и вязкости. // Сб. Трудов. ВИОГЕМ. - Белгород, 1969.

75. Боли Б., Уэйнер Д. Ж. Теория температурных напряжений. - М.: Мир, 1964. -270 с.

76. Отчёт по НИР // Прогноз деформаций горного массива под влиянием глубокого водопонижения на Яковлевском железнорудном месторождении: ВИОГЕМ. - Белгород, 1973.

77. Панюков П. Н. О механизме упрочнения горных пород в процессе осушения месторождений полезных ископаемых. // Сб. Вопросы Маркшейдерско-геологической службы горных предприятий. - Недра, 1968.

78. Верещагин Н. П. Прогноз изменения напряженного состояния массивов глинистых пород под влиянием водопонижения. // Сб. Вопросы инженерной геологии при проектировании, строительстве и эксплуатации подземных сооружений, шахт и карьеров. Вып. I. - Л., 1969. - с. 46-49.

79. Пузыревский Н. П. Просачивание воды через песчаные грунты. -Известия НИИГ, т. 1, 1931.

80. Толмачёв В. В., Карпов Е. Г.Доменко В. П. и др. Механизм деформации горных пород над подземными карстовыми формами. // Инженерная геология. - 1982. - №4. - с. 46-59.

81. Кузнецов Г. Н., Будько М. Н., Васильев Ю. Н. и др. Моделирование проявлений горного давления. - Л.: Недра, 1968. - 278 с.

82. Панюков П. Н. Инженерная геология. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра , 1978.-296 с.

83. Сергеев Е. М., Голодковская Г. А., Зиангиров Р. С.,

Осипов В. И., Трофимов В. Т. Грунтоведение. - М.: Изд. МГУ, 1973. - 387 с.

84. Аникеев А. В. Методика моделирования устойчивости покровной толщи закарстованых массивов с помощью водонасыщенных эквивалентных материалов. - М.: ЦП. НТГО, 1987. - 36 с.

85. Герсеванов Н. М., Польшин Д. Е. Теоретические основы механики грунтов. - М.: Госстройиздат, 1948. - 247 с.

86. Гольдштейн Н. Н. О структуре и сжимаемости грунтов // Сб. Вопросы геотехники. - Трансиздат, 1956.

87. Определение возможных велечин и характера сдвижения (оседания) поверхности земли и стволов шахт под влиянием длительного водопонижения и очистных работ Яковлевского рудника: Отчет о

научно-исследовательской работе. // ВИОГЕМ. Косяков С. И.,

Журин С. Н., Борисов О. П. и др. - 3.12-2-0-33-86-ТП. - Белгород, 1988. -

98 с.

88. Исследование влияния водопонижения на деформацию поверхности массива горных пород и стволов, разработка методов по управлению гидродинамическим режимом подземных вод для обеспечения нормальных условий эксплуатации стволов: Отчет о научно-исследовательской работе. // ВИОГЕМ. Косяков С. Н., Журин С. Н., Гензель Г. Н. и др. - 3.12-3-А-99-89- Р. - Белгород, 1990. - 92 с.