Изменение инженерно-геологических условий при открытой разработке месторождений

Подземные воды

Подземные воды оказывают влияние на условия формирования I и изменения свойств горных пород, на естественное напряжен­ное состояние и на его изменение вокруг горных сооружений, на возникновение и развитие естественных и вызванных горными ра­ботами геологических процессов, а также определяют степень обводненности месторождений. Изучение подземных вод и их влияния на условия освоения месторождений дает возможность прог­нозировать водопритоки к горным выработкам и проектировать мероприятия по дренированию и охране вод. Необходимо, отме­тить, что во время освоения месторождений происходят значи­тельные, не всегда оправданные изменения режима подземных вод. Поэтому детальное изучение подземных вод должно соот­ветствовать современным запросам рационального использования и охраны водных ресурсов.

Исследуя распространение подземных вод, их залегание, дре­нирование, питание и движение, нельзя обойтись без изучения поверхностных и атмосферных вод, так как между всеми водами существуют определенные закономерные связи. Поэтому следует оценивать общее влияние природных вод на инженерно-геологи­ческие условия месторождения. Круг вопросов, подлежащих изу­чению при исследовании подземных вод, весьма широкий; реше­ние этих вопросов требует применения специальными методов и аппаратуры, которые разрабатываются в гидрогеологии.

Газоносность месторождений имеет большое значение для ведении горных работ. Газы обычно заполняют породы и трещины, находятся в сорбированом состоянии, а также присутствуют в подземных водах.

Для оценки влияния вод на условия ведения горных работ, на устойчивость сооружений, а также для разработки мероприятий по ограничению этого влияния большое значение имеет имеют характер и степень обводненности месторождений. О степени (м³/ч) и коэффициенту водообильнности, представляющему собой отношение количества откачиваемой из горной выработки за определенный период времени (год).

Условия обводнения зависят от целого ряда природных фак­торов, но на них сказываются и некоторые техногенные особен­ности разведки, вскрытия и эксплуатации месторождения: тампо­нирование скважин, затопленные старые шахты, система веде­ния работ н др. Основными природными факторами обводнения месторождений твердых полезных ископаемых следует считать: атмосферные осадки, орогидрографию местности, водопроницае­мость вмещающих и покрывающих пород, их тектоническую нарушенность, глубину залегания полезного ископаемого.

Водопроницаемость перекрывающих пород и рельеф местно­сти оказывают существенное влияние на изменение интенсивно­сти инфильтрации в периоды сильных дождей и весеннего снего­таяния. Так, под балками, оврагами и другими понижениями рельефа с маломощными покровами глинистых отложений при­ток воды в эти периоды увеличивается на 20—40 %, а ино1да в 2— 3 раза по сравнению со среднегодовым. Под относительно ров­ной земной поверхностью и при наличии более мощных толщ гли­нистых пород рост водопритока весной составляет всего 10— 15% от среднегодового.

Рельеф земной поверхности определяет на многих месторожде­ниях характер и интенсивность разгрузки водоносных горизонтов, что в конечном итоге сказывается на степени обводненности. Так, для некоторых подземных выработок на водораздельных участках, где подземные воды дренируются местной гидрографической сетью водопритоки в 10 раз меньше, чем для участков с более низкими притоками. Особенно резко увеличивается водоприток в горные выработки при прохождении их в непосредственной близости с по­верхностными водоемами. Это увеличение связано с более высокой водообильностью месторождения, формирующейся за счет пита­ния водоносных горизонтов поверхностными водами. Естественно, ] что интенсивность питания зависит от литологического состава ал­лювиальных отложений и от обнаженности коренных пород.

Необходимо отметить, что резкое усиление водопритоков мо­жет произойти при подработке водного объекта, так как при этом может образоваться непосредственная гидравлическая связь между водоемом и подземной выработкой. Поэтому горные работы в не­посредственной близости от рек и других поверхностных водоемов (а также под мощными грунтовыми водоносными горизонтами) ведутся в соответствии со специальными правилами, указаниями и техническими условиями.

Глубина залегания полезного ископаемого (горных выработок) оказывает определенное влияние на характерно и величину обвод­ненности горных выработок. Во многом это связано с уменьшением пустотности (трещиноватости и пористости) горных пород с глу­биной, что приводит к падению их водопроницаемости. Многие угольные и рудные шахты на глубине первых сотен метров оказы­ваются безводными или водопритоки в них становятся незначи­тельнымиОб этом же говорят и наблюдения за прорывами в вы­работанное пространство. Для Донбасса, например, результаты наблюдений показывают, что на верхних горизонтах шахт прорывы воды достигают 150—200 м³/ч, а на нижних не превышают 30— 40 м³/ч.

Глубина горных выработок сказывается и на характере изме­нения водопритоков под влиянием весенних паводков и атмосфер­ных осадков. А. И. Кравцов отмечает, что при глубине выработок 80—200 м увеличение водопритока наблюдается через несколько суток после сильных дождей, а в Подмосковном угольном бас­сейне — через несколько часов. При глубине выработок 250—300 ч увеличение притока наступает через 2 мес; для одной из старыми и новыми), с одной стороны, и подземными и поверхностными водами-с другой. Иногда тектонические нару­шения обусловливают подпруживание водоносных горизонтов в ре­зультате чего в этих горизонтах меняются напор, мощность ско­рость движения вод и т. д.

Влияние тектонических нарушений на условия обводненности горных вы­работок отмечалось на угольных шахтах Донбасса, Средней Азии на рудных месторождениях Южного Урала, на сланцевых шахтах Эстонии, в других уголь­ных и рудных районах. В некоторых случаях при пересечении горными вы­работками тектонических нарушений водопритоки увеличивались здесь в сотни раз..Так, в 1952 г. на одной из шахт Донбасса при пересечении сбросовой трещины приток воды достиг 1100 м³/ч.

Надо отметить, что гидравлическая связь между отдельными во­доносными горизонтами, между поверхностными и подземными во­дами и горными выработками очень часто осуществляется из-за искусственных пустот, остающихся при некачественном тампони­ровании разведочных, опытных и водопонижающих скважин. При­меры подработки таких скважин имеются на многих месторожде­ниях.

Особо следует отметить влияние на обводненность действующих горных выработок тех вод, которые скопились в старых шах­тах и карьерах (в затопленных старых выработках). Водопритокиэтих случаях, как правило, носят катастрофический характер и сопровождаются выносом большогоколичества рыхлых пород.

Иногда соседние старые выработки являются единственным источ­ником обводнения новых подземных выработок, что приводит к интенсификации процесса пучения глинистых пород почвы этих выработок.
3.3.3. Геологические явления

Естественные геологические процессы и явления очень разно­образны имеют большое распространение и оказывают значитель­ное влияние на инженерно-геологические условия территорий. Геологические процессы характеризуют геодинамическую обстановку месторождений В них, как в фокусе, сходятся различные особен­ности природной обстановки: рельефа местности, геологического строения гидрогеологических условий, прочности и деформируемо­сти горных пород и т. д. Интерес представляют как глубинные, или эндогенные, геологические процессы (тектонические, сейсмические., так и поверхностные, или экзогенные (эрозия, абразия, карст, вы­ветривание, оползни, сели, плывуны, суффозия, мерзлотные, забо­лачивание). Особое значение имеют современные процессы и явления, которые оказывают непосредственное влияние на устойчи­вость сооружений.

Рассматривая условия взаимодействия сооружения с горными породами, можно выделить следующие случаи.

1. Область взаимодействия соизмерима с объемом однородной породы или меньше его. В этом случае можно вести изучение свойств пород на опытных образцах в лабораторных и полевых условиях и полученные показатели (после соответствующей об­работки, применять в качестве нормативных и расчетных.
2. Область взаимодействия гораздо больше, чем объем одно­родного монолитного блока пород, и ее можно рассматривать как квазиоднородную. Такая среда работает, как сыпучее тело с ко­эффициентом трения, близким к характерному для отдельных об­разцов, поэтому коэффициент трения можно определить в лабо­раторных условиях, а водопроницаемость — полевыми опытами.
   Установлено, что с увеличением данной области ее прочность и деформируемость стремятся к постоянным значениям, однако у исследователей пока нет единого мнения о величине масштаб­ного фактора.
3. Область взаимодействия больше объема однородного струк­турного блока, но среду нельзя считать квазиоднородной; сте­пень ее неоднородности зависит от соотношения размеров этой области и однородного блока. Установление масштабного эф­фекта требует специальных лабораторных, полевых и модельных исследований, наблюдений и обратных расчетов с целью опреде­ления переходного коэффициента от показателей, характеризую­щих отдельные образцы, к показателям свойств всей области с учетом ее особенностей (трещиноватости, слоистости и т. д.).
4. Устойчивость сооружения определяется наличием ослаблен­ных зон больших размеров, представленных трещинами, контак­тами между слоями, сланцеватостью, слабыми прослойками и т. д. Иногда эти зоны сами по себе могут быть неоднородными, и тогда рассматривается внутренняя ноднородность. Здесь ме­ханические свойства изучаются в полевых условиях.

Инженерно-геологическая типизация месторождений твердых полезных ископаемых

Любое разделение изучаемых объектов на группы (классы) преследует определенную цель. Для оценки условий разработки месторождении полезных ископаемых и прогноза изменения уcловий под влиянием горных работ необходима такая логическая операция, которая базировалась бы на учете основных призна­ков, определяющих эти условия. О важности типизации можно судить хотя бы по тому, что в последнее время она рассматри­вается как самостоятельный класс методов прогнозирования уcловий разработки месторождений. В. Д. Ломтадзе относит инженерно-геологическую типизацию месторождений твер­дых полезных ископаемых к наиболее важным и сложным вопро­сам инженерной геологии месторождений и считает ее итогом обобщения всего опыта их изучения и разработки, дающим воз­можность предварительно оценивать условия вскрытия и отработки месторождений подземным или открытым способом. Поскольку деление любого множества объектов может быть выполнено в зависимости от преследуемой цели по разным его признакам, к настоящему времени предложено довольно боль­шое число группировок (типизации, классификаций) месторож­дений. Многие из них сделаны по одному признаку (но устой­чивости кровли или почвы подземных выработок), другие — с учетом некоторых геологических, гидрогеологических или инже­нерно-геологических особенностей (Д. И. Щеголев, С. В Троянский). И только в последнее де­сятилетие были предложены более совершенные, учитывающие большой комплекс природных условий классификации, которые уже используются для решения конкретных задач горного про­изводства.

Для целей инженерно-геологического прогнозирования наибо­лее удачными являются причинно-следственные диагностические классификации, которые дают возможность не только оценивать статические системы, но и вскрывать закономерности изменения элементов этих систем под влиянием горных работ. Примером подобных построений могут служить классификации кровель для некоторых шахтных полей в Донбассе, выполненные Смирновым, типизация кровель подготовительных вы­работок на Ленинградском месторождении горючих сланцев. Здесь в качестве геологических признаков выступают процессы доломитизации и выветривания карбонатной толщи пород а в качестве непосредственных признаков — состояние и свойства горных пород, являющихся средой для выработок такая типизация позволяет провести районирование по инженерно-геологическим условиям и дать прогноз устойчивости пород кровли в различных зонах с учетом техногенных факторов.

При освоении месторождений полезных ископаемых большой интерес представляют такие природные процессы, как тектонические дви­жения (древние и современные), сейсмические явления, карст, суф­фозия, плывуны, оползни, обвалы, эрозия, абразия, сели, мерзлот­ные проявления, выветривание, которые в совокупности опреде­ляют геодинамическую обстановку территории месторождения и являются основными элементами его инженерно-геологических ус­ловий. Оценить влияние геологических процессов и явлений на ин­женерно-геологические условия геологической среды невозможно без знания двух других ее элементов — горных пород и содержа­щихся в них подземных вод.

При оценке процессов и явлений исследования на месторожде­ниях проводятся по четырем направлениям: а) изучение природных геологических процессов и явлений, б) исследование вызванных деятельностью человека искусственных процессов или активизации природных процессов, в) прогноз условий возникновения новых.

При изучении устойчивости откоса на открытых разработках применяется специальная классификация комплексов горных по­род; при прогнозе условий подземной разработки угольных месторождений строятся классификации кровли и почвы подзем­ных выработок по степени их устойчивости. Многие классификации выполняются по гидрогеологическим условиям. Все эти группи­ровки являются относительными следственно-причинными клас­сификациями, поскольку классы выделяются эмпирически по не­посредственному критерию (устойчивость, обводненность и т. д.), тем не менее они имеют большое практическое значение. Наряду с этим предложены и генетические классификации (Г. А. Голодоковская, В. Г. Зотеев, В. Н. Морозов, С. Г. Дубейковский и др.), которые используются при оценке и прогнозах инженерно-геологи­ческих условий рудных месторождений.

Одно из главных требований к типизации (классификации) состоит в том, что она должна давать максимум информации об условиях освоения месторождения, поэтому типизацию необхо­димо сделать на базе тех основных признаков, которые опреде­ляют инженерно-геологические условия месторождений. С другой стороны, каждая классификация должна проводиться с соблюде­нием определенного набора логических правил. Б. В. Смирнов от­мечает следующие требования к делению понятий: 1) каж­дое деление должно производиться только по одному признаку; 2) члены деления должны взаимно исключать друг друга, т. е. в разных классах не должно быть одинаковых элементов дели­мого множества; 3) суммарный объем членов деления должен равняться объему делимого множества; 4) члены деления дол­жны быть ближайшими видами делимого множества; 5) не дол­жно быть пустых подмножеств, т. е. таких классов, в которых не было бы элементов делимого множества.

Ознакомившись с основными элементами, определяющими ин­женерно-геологические условия месторождений полезных ископа­емых, можно сделать по крайней мере два основных вывода.

1. Геологическая обстановка, определяющая особенности раз­работки месторождений твердых полезных ископаемых, является весьма сложной многофакторной природной системой, взаимодей­ствие которой с различными горными сооружениями приводит к изменениям, представляющим большую трудность для своевре­менного и надежного прогнозирования. В этой связи можно по­нять обилие классификаций и типизации, разработанных раз­личными авторами с учетом только отдельных элементов инже­нерно-геологических условий (геологическое строение, подземные воды, прочность пород, устойчивость выработок и т. д.).

2 Основным (главным) элементом, определяющим условия разработка месторождений твердых полезных ископаемых, являются горные породы, вмещающие и перекрывающие полезное ис­копаемое. Эти породы являются средой для горных выработок (подземных и открытых) и определяют характер и интенсивность напряжений вокруг них, а также их устойчивость. Горные породы служат вместилищем для подземных вод и газов, в них проходят различные природные и искусственные геологические процессы а следовательно, они определяют характер изменений природной обстановки под влиянием горных работ. Поэтому главным кри­терием инженерно-геологической типизации месторождений должны являться горние породы. Это положение служит основным принципом группировки месторождений, хотя в существующих типизациях и классификациях ему уделяется не одинаковая роль. Наиболее удачно этот принцип использован для разработки общих типизации Г. Г. Скворцовым и В. Д Ломтадзе (табл. 3.11).

Для месторождений I типа, по мнению В. Д. Ломтадзе, с глубиной происходит постепенное изменение геологической об­становки, определяющее условия ведения горных работ. Так, для малых глубин (до 40—50 м) в результате разгрузки, разуплот­нения и выветривания растет раздробленность и трещенноватость пород, что приводит к деформациям, характерным для квазисыпучей среды, а также к повышению водообильности, имеющему временный характер. На больших глубинах условия определяются тектонической обстановкой. Примером месторождений первого типа является Криворожский железорудный бассейн, приурочен­ный к железистым кварцитам, переслаивающимся с хлоритовыми, серицитовыми и тальк-карбонатными сланцами.

Ко II типу относятся большинство месторождений в осадоч­ных юродах. В их геологическом строении принимают участие аргиллиты, алевролиты, песчаники, мергели, уплотненные глины, а также слабые и закарстованные карбонатные породы. Эти породы имеют различное залегание — от весьма простого горизонтального до сложного мульдообразного с четко выраженными зо­нами с контактами ослабления. Эти особенности обусловливают большую неоднородность и анизотропность свойств пород вокруг горных выработок, что создает неблагоприятные условия для их устойчивости; в свою очередь это затрудняет надежное прогно­зирование поведения пород при разработке месторождений.

В подземных выработках здесь характерны такие явления как вывалы из кровли, пучение почвы, отжимы пород и полез­ного ископаемого, а на больших глубинах, горные удары, выбросы. На бортах карьеров, сложенных осадочными по­родами, происходят оползневые деформации разного масштаба — от обрушений на отдельных уступах до оползней, захватывающих несколько уступов или весь борт. Здесь характерны оползни (их называют унаследованными), морфология которых определяется условиями залегания пород и наличием зон и поверхностей ослаб­ления. Обводненность месторождений II типа значительная, ко­эффициент водообильности свыше 25 м³/т. Примерами месторож­дений II типа являются Кузнецкий и Канксо-Ачинский угольные бассейны, Ленинградское сланцевое месторождение, бокситовые месторождения СУБР.

Месторождения III и IV типа, приуроченные к песчано-глинистым породам, представляют особый интерес. Обычно это ме­сторождения со сложными инженерно-геологическими условиями, расположенное на платформенных участках или в предгорных и межгорных впадинах. В их разрезе встречаются осадочные полу­скальные породы. Глинистые породы имеют малую степень литификации, поэтому для них характерны незначительная проч­ность и высокая сжимаемость. В связи с этим в подземных выра­ботках наблюдается значительное горное давление и большие деформации пластического к эр литера. Борта, сложенные целиком или в нижней своей части глинистыми породами, склонны к ополз­невым деформациям и имеют обычно незначительные углы отко­сов— в среднем 10—25°.

Обводненность месторождений этого типа определяется поло­жением, мощностью, распространением и составом песчаных слоев. Как правило, в разрезе этих месторождений имеется не­сколько водоносных горизонтов (грунтовых и напорных). Подзем­ные воды оказывают значительное влияние на устойчивость гор­ных выработок. Они создают гидростатическое и гидродинамиче­ское давление, приводят в движение водосодержащие пески при их вскрытии (плывуны, суффозия), ухудшают прочность глин при их разгрузке и дополнительном увлажнении. Поэтому разработка таких месторождений ведется после осушения или закрепления водоносных песков.

Условия залегания песчаных, глинистых и полускальных по­род вызывают неоднородность и анизотропность перекрывающей и вмещающей толщ, что создает большие трудности при построе­нии инженерно-геологических моделей месторождении и отель­ных участков дляпрогнозах ми выработками и с их крепью. Как правило, месторождения такого типа являются сложным объектом для изучения в период разведки.

К месторождениям III и IV типа можно отнести Подмосков­ный и Днепропетровский буроугольпые бассейны, железорудные месторождения КМА, Тургайского прогиба, Керченского района, марганцевые Никопольского бассейна, бокситовые Тихвинского и Северовонежского районов, а также месторождения песков и других обломочных строительных материалов, огнеупорных глин и др. Это, как правило, месторождения малых и средних глубин, однако в некоторых случаях к этому типу можно отнести и более глубоко залегающие месторождения, в разрезе которых значи­тельное место занимают полускальные породы, но именно песчано-глинистые отложения определяют условия устойчивости горных выработок и степень их обводненности.

К последнему V типу В. Д. Ломтадзеотносит месторождения, распространенные в районах многолетней мерзлоты и приурочен­ные к таким полускальным и песчано-глинистым породам, кото­рые при оттаивании резко изменяют свое физическое состояние, что вызывает большие осложнения при ведении горных работ. К таким месторождениям следует отнести калийные, галитовые, гипсовые залежи, условия эксплуатации которых во многом опре­деляются специфическими свойствами полезного ископаемого и вмещающих пород. И хотя по характеру перекрывающих пород эти месторождения могут быть отнесены ко II, III или IV типу, главным критерием их инженерно-геологических условий необ­ходимо считать соленосную толщу, которая определяет систему разработки, характер крепления, параметры выработок, осуши­тельные мероприятия.

Дальнейшее изучение инженерно-геологических условий место­рождений и проблем устойчивости горных пород в подземных и открытых выработках позволит детализировать рассмотренную ти­пизацию, однако главным критерием ее останется тип горных по­род, определяющий основные особенности месторождения с точки зрения его разведки и эксплуатации.

Разработанная во ВСЕГИНГЕО типизация утверждена Мингео СССР и применяется при разведке месторождений твердых по­лезных ископаемых с целью оценки инженерно-геологических условий, прогноза их изменений под влиянием горных работ и ус­тановления объемов и содержания специальных инженерно-геоло­гических исследований на разных стадиях разведки. Для отнесе­ния изучаемого месторождения (либо его части) к той или иной категории сложности оценивают целый комплекс природных фак­торов: инженерно-геологические группы горных пород, тектони­ческуюнарушенность, трещиноватость, выветрелость, закарстованность, гидрогеологические особенности, физико-механические свойства.. Недостатком данной типизации (как и других подоб­ных ей) является отсутствие учета технологических факторов.

В настоящее время в связи с решением задач по рациональ­ному использованию геологической среды и охране природы раз­рабатываются новые типизации месторождений, которые будут использоваться при прогнозе и оценке ущерба, наносимого гор­ным предприятием.

ВЗАИМОДЕЙСВИЕ ГОРНЫХ РАБОТ И СООРУЖЕНИЙ С ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДОЙ.
4.1. Специфика взаимодействия

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

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

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

4..3. небольшой срок службы преобладающего большинства горных выработок, что дает возможность рассматривать их как временные сооружения, устойчивость которых обеспечивается с незначительными запасами на основе геологических свойств горных пород.
Это требует большой тщательности изучения горных по­род и высокой точности определения расчетных показателей.

Существенным фактором является и разнообразие изменений, наступающих в разные периоды освоения месторождения. Наибо­лее значительные изменения разных видов происходят в период подготовки месторождения к вскрытию, строительства основных и очистных выработок и размещения отходов горного предприятия.

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

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

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

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

 

1. Оседание земной поверхности происходит в результате упру­гих деформаций и уплотнения горных пород в зоне уменьшения гидростатического давления при водопонижении (дренировании).
2. В глинистых породах уплотнение осуществляется при давлении выше структурной прочности и регулируется скоростью рас­сеивания порового давления и реологическими процессами, что определяет условия консолидации пород и передачи дополнитель­ного давления на крепь вертикальных выработок (вследствие трения на контакте крепь — порода).
3. Уплотнение трещиноватых пород и упругая деформация твердых их блоков происходят следом за водопонижением, по­ этому к моменту крепления пород влиянием дополнительного тре­ния о крепь можно пренебречь, если под этими породами нет гли­нистых уплотняющихся разновидностей.
4. Оседание пород в пределах воронки депрессии носит плав­ный характер, без разрывов и провалов, поэтому оседание само по себе не представляет дополнительной опасности, для устойчи­вости наземных и подземных сооружений, за исключением вертикальных шахтных стволов, на крепи которых будет формироваться
   дополнительное трение.

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

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

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

Горные породы

Горные породы, как отмечают многие авторы, являются опре­деляющим элементом инженерно-геологических условий, ибо они предопределяют рельеф местности, обводненность среды, напря­женное состояние, устойчивость выработок, закономерности воз­никновения и развития геологических явлений, залегание полез­ного ископаемого и т. д. Именно горные породы, по существу, ха­рактеризуют инженерно-геологические условия месторождения. В связи с этим горные породы являются важнейшим объектом на­ших исследований на всех стадиях разведки и разработки место­рождений. В специальной литературе применительно к толще вме­щающих пород (а в последние годы — и к любой толще горных пород ) используется термин «массив горных пород».

Понятие «массив горных пород» (или «горный массив») давно бытует в горном деле. Однако наиболее прочно оно вошло е гор­ное дело в связи с развитием механики горных пород, когда вопрос о масштабном эффекте при изучении прочности пород при­обрел вполне определенное значение. Началось изучение механи­ческих свойств в «натурных условиях» с целью определения пара­метров этих свойств в условиях естественного залегания пород с учетом их трещиноватости и слоистости, т. е. в «массиве». Стали различать прочность в монолитном образце, испытанном в лабо­ратории, п прочность в массиве, полученную с учетом коэффици­ента структурного ослабления. Для определения этого коэффици­ента проводят «натурные испытания» в горных выработках (подземных и открытых), ставят опыты на моделях, выполняют обратные расчеты по наблюдениям за оползневыми деформациями на карьерах.

Три особенности характеризуют инженерно-геологическое изучения горных пород: во-первых, оно ведется на геологической ос­нове и является продолжением геологических исследований дан­ной территории (месторождения); во-вторых, оно охватывает те особенности состава, строения и состояния пород, которыми с уче­том специфики их взаимодействия с различными сооружениями определяется прочность, деформируемость, водопроницаемость и устойчивость этих пород; в третьих, характеристики горных пород выражаются специальными количественными показателями. На­бор и количество показателей свойств горных пород и методы их определения зависят от трех факторов; типа изучаемых пород, стадии исследования и характера проектируемого сооружения (взаимодействия с ним горных пород). Специального обоснования этот вопрос здесь не требует, но в дальнейшем изложении будут даны соответствующие объяснения.

В качестве расчетных показателей в наиболее распространен­ных прогнозах используются плотность, прочность на одноосное сжатие, растяжение и изгиб, угол внутреннего трения, сцепление, модули упругости и общих деформаций, коэффициент поперечных деформаций, коэффициент консолидации, коэффициенты фильтрации, водоотдачи, уровне- и пьезопроводности. В. В. Ржевский и Г А Новик [1978] выделяют группу из базовых показателей свойств горных пород, к которым относят следующие: плотность, пористость, предел прочности при сжатии, предел прочности при растяжении, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, коэффициент теплопроводности, удельную теплоемкость, коэффициент линей­ного теплового расширения, удельное электрическое сопротивле­ние, относительную диэлектрическую проницаемость, относитель­ную магнитную проницаемость.

Из приведенного перечня показателей, необходимых при оценке условий проведения горных работ, видно, что изучение горных пород является процессом многогранным, требующим комплекс­ного подхода и учета большого количества природных и техниче­ских факторов. Отсюда и следует специфика инженерно-геологиче­ского подхода к изучению горных пород.

Общепризнанной инженерно-геологической классификации гор­ных пород в настоящее время нет, хотя предложено довольно много специальных (по устойчивости пород в откосах, по несущей способности пород, по коэффициенту крепости Протодьяконова и др.) и общих (Ф. П. Саваренского, Н. Н. Маслова, Е. М. Сер­геева, П. Н. Пашокова и др.) классификаций. Наиболее удобной для дальнейшего рассмотрения в наших целях является общая классификация Ф. П. Саваренского, предложенная в 1937 г. и получившая развитие в работах В. Д. Ломтадзе. Она построена на учете структурных связей пород, определяющих их прочность, де­формируемость, устойчивость и водопроницаемость.