Лекция 3

ИНЖЕНЕРНо-геологические процессы, связанные с горнодобывающей деятельностью

Способы добычи полезных ископаемых - открытые (карьеры, дражные полигоны) - подземные (шахты) - извлечение газообразных и жидких полезных ископаемых через скважины

Извлечение твердых полезных ископаемых - изменение геолого-геоморфологических условий (выемка и аккумуляция горных масс) - изменение гидрогеологических условий (защита горнодобывающих предприятий от затопления) - развитие инженерно-геологических процессов-следствий

Изменение геоморфологических (ландшафтных) условий При добыче полезных ископаемых открытым способом формируется карьерно-отвальный тип ландшафта При дражной разработке месторождений образуются отвалы гравийно-галечных, песчаных и суглинистых отложений, дражные выемки, заполненные водой В районах подземной добычи образуется провально-терриконовый тип ландшафта

Изменение гидрогеологических условий Подавляющее большинство карьеров и все шахты защищаются от притока подземных вод путем их откачки Откачки подземных вод приводят к изменению гидрогеологических условий на площадях, превышающих размеры карьеров или подземных горных выработок Развитие инженерно-геологических процессов При открытой отработке 1) Процессы перемещения горных пород Осыпи характерны для всех видов горных пород, затрагивают, как правило, приповерхностную часть крутых откосов и формируются в течение значительного периода времени (несколько лет)

Обрушения захватывают значительные части массивов горных пород и возникают при углах откосов, превышающих 25 - 35°; активная стадия обрушений протекает практически мгновенно Оползни – наиболее распространенный вид нарушения устойчивости откосов, связанный с наличием в толще пород пластичных прослойков, слоев и слабых контактов; они происходят при углах наклона бортов и откосов уступов положе 25 - 35°; активная стадия оползней протекает от нескольких часов до месяцев

Уплотнение пород бортовых массивов происходит за счет снятия эффекта гидростатического взвешивания при осушении обводненных месторождений полезных ископаемых Просадки выражаются в виде вертикального опускания прибортовых участков высокопористых рыхлых горных масс без образования сплошной поверхности скольжения Оплывины характеризуются перемещением в виде потока насыщенных водой до текучего состояния некоторых разновидностей песчано-глинистых пород нарушенной структуры

2) Фильтрационные деформации Фильтрационный выпор - нарушение устойчивости частично подтопленных песчаных откосов, при котором приходит в движение некоторый его объем; выпор происходит под влиянием сил тяжести и гидродинамического давления Механическая суффозия - вынос мелких частиц из массива горных пород под влиянием гидродинамических сил Фильтрационный вынос вдоль трещин может развиваться в слабосцементированных породах с характерной естественной трещиноватостью

3) Другие виды деформаций Выветривание. Породы, обнаженные при образовании выработок (борта карьеров) и сгруженные в отвалы, в поверхностном слое подвергаются интенсивному выветриванию Эоловый перенос и аккумуляция. В районах действия горнодобывающих предприятий активно происходит разнос вещества по воздуху и его аккумуляция вблизи источников выноса Поверхностной эрозии подвержены песчано-глинистые рыхлые породы, слагающие борта карьеров или отвалы Выщелачиванию подземными водами чаще всего подвергаются карбонатные трещиноватые породы

Условиями, способствующими развитию деформаций откосов на карьерах а) наличие поверхностей ослабления - тектонических нарушений, поверхностей скольжения древних оползней, слабых контактов между слоями; б) обводненность пород и слабая их дренируемость; в) интенсивная трещиноватость отдельных участков; г) наличие прослоев слабых глинистых пород

Причины развития деформаций а) несоответствие углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов или несоответствие их высот геологическим условиям; б) отсутствие дренажа или недостаточная его эффективность; в) неправильное ведение горных работ (буровзрывных, экскаваторных и др.) и очередности отработки участков; г) неправильная оценка устойчивости откоса или принятие углов откосов без достаточного обоснования

Для обеспечения устойчивости откосов на карьерах предусматривается комплекс работ, который состоит из: - наблюдений за деформациями откосов, - расчетов устойчивости, на основе которых устанавливаются их оптимальные параметры, - разработки и осуществления мероприятий по предотвращению нарушений устойчивости откосов Этот комплекс работ осуществляется в соответствии с Инструкцией по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости

Развитие инженерно-геологических процессов При подземной отработке Участок земной поверхности, на котором под влиянием отработки полезного ископаемого подземным способом возникли сдвижения (горизонтальные и вертикальные) и деформации (наклон, кривизна, растяжение, сжатие), называется мульдой сдвижения Деформированная земная поверхность, образованная вследствие сдвижения горных пород после разработки полезных ископаемых, представляет собой мульду оседания

Факторы, влияющие на развитие процесса сдвижения горных пород - физико-механические свойства горных пород, - геологическое строение толщи, - гидрогеологические условия, - тектонические нарушения (сбросы, трещины, складчатость), - мощность залежи, глубина разработки, система разработки (размеры выработок, полнота выемки, управление кровлей), - нарушенность толщи ранее проведенными горными выработками

Деформации пород, залегающих над выработками, носят различный характер – от плавных, без нарушения сплошности пород, до их полной дезинтеграции Применение полной закладки является наиболее радикальным средством снижения величин оседаний и деформаций

Горные удары. Мгновенная разгрузка энергии упругой деформации высокопрочных скальных пород в местах максимальных концентраций напряжений и их перераспределение в связи с проходкой. Возникают в скальных породах высокой прочности и жесткости, обладающих большими внутренними напряжениями. Наблюдаются на больших глубинах, обычно более 200 м Внезапные выбросы пород и газов. Выбросы угля и газа в выработки характерны для глубин более 100-250 м. Приурочены к тектоническим разрывам и нарушениям угольного пласта

Прорывы поверхностных, подземных вод и плывуны возникают внезапно при вскрытии напорных водоносных горизонтов, плывунных пород, при малой мощности водоупоров, наличии разломов, трещин, пустот и больших гидравлических градиентов Суффозионное разрушение пород. Размыву и растворению пород, выносу мелкодисперсных частиц и солей способствует изменение гидродинамических условий в результате водоотлива и образования депрессионной воронки, увеличения градиентов напора и скоростей течения подземных вод

Последствия откачки подземных вод Нарушение состояния поверхностных вод. Водоотбор и связанное с ним понижение уровня подземных вод приводит к уменьшению подземного стока в реки и водоемы. Сброс откачиваемых вод приводит к значительному увеличению водности ручьев и речек. Искусственное увеличение расходов воды в некоторых реках приводит к повышению на отдельных участках уровней подземных вод, затоплению и подтоплению земель.

Добыча нефти и газа через скважины - Падение внутрипластовых напоров, изменение напряженного состояния пород в массиве - Трансформация гидрогеологических условий (замещение выкачиваемой нефти водой, усиление водообмена, образование новых водоносных горизонтов), изменение уровней, уклона, скорости движения, химического, газового состава и температуры подземных вод - Механическая суффозия и связанные с ней просадки и провалы пород, формирование суффозионных воронок диаметром 10-400 м

Добыча нефти и газа через скважины Оседание земной поверхности в районах нефте- и газодобычи охватывают площади в десятки и даже сотни тысяч гектаров, а по вертикали достигают 10 метров. Масштабы опусканий несколько уменьшаются благодаря закачкам в пласты огромных количеств воды В условиях неглубокого залегания уровня грунтовых вод (0,5-2 м) локальное понижение земной поверхности вызывает повышение зеркала грунтовых вод и развитие процессов подтопления, заболачивания

При изучении степени и характера влияния горнодобывающей деятельности на состояние геологической среды следует учитывать инфраструктуру горнодобывающих предприятий, поскольку разные их элементы (шахты, карьеры, обогатительные фабрики, хвостохранилища и др.) оказывают различное влияние на окружающую среду

4 лекция заболачивание территории Заболоченные участки – участки земной поверхности, на которых в течение большей части года наблюдается избыток влаги, скапливающейся на поверхности земли или насыщающей почву и подпочвенные горизонты горных пород, и покрытые влаголюбивой болотной растительностью

Низинные болота приурочены к пониженным участкам рельефа. Низинное болото подпитывается грунтовыми водами Верховые болота приурочены к понижениям на водоразделах. Изолированы от грунтовых вод подстилающими водонепроницаемыми толщами и питаются только атмосферными осадками

Факторы заболачивания Основной внешней причиной заболачивания является избыточное увлажнение – превышение количества выпадающих осадков над испарением По соотношению тепла и влаги выделяются: - зона постоянного избыточного увлажнения - зона неустойчивого увлажнения - зона недостаточного увлажнения

Факторы заболачивания Внутренней причиной процесса заболачивания является деятельность подземных вод Подземные воды, либо служат основным источником питания болот, либо действуют совместно с водами атмосферных осадков и поверхностными Условия заболачивания - геоморфологический облик территории – степень дренированности территории - петрографический состав пород – породы с низким коэффициентом фильтрации - неотектонические особенности – опускание территории - наличие кровли многолетнемерзлых пород в приповерхностной зоне

Осушение переувлаженных территорий - промышленные и гражданские сооружения – глубина осушения 1-4 м и более - земли сельскохозяйственного назначения – глубина осушения 0,5-1 м - добыча торфа – глубина осушения 0,4-0,6 м

Осушение переувлаженных территорий Виды осушительных систем определяются основной причиной заболачивания Защита от поверхностных вод – нагорные канавы, ливневая канализация Локализация влияния грунтовых вод –перехват подземного стока открытыми каналами, закрытыми дренажными системами

Строительство автомобильных и железных дорог на заболоченных территориях Оценивается устойчивость основания и определяется его тип I тип – основание является достаточно устойчивым, преобладающие деформации – сжатие, возможно использование слабой толщи в качестве основания IIА тип – при медленной отсыпке обеспечивается устойчивость основания, преобладающие деформации – сдвиг, выдавливание (при быстрой отсыпке), сжатие – при медленной отсыпке III тип – невозможно использование в качестве основания, т.к. не обеспечивает его устойчивость, необходимо удалять слабую толщу, преобладающие деформации – сдвиг, выдавливание, выпор

подтопление территории процесс подъема уровня грунтовых вод выше некоторого критического положения, а также формирование верховодки и (или) техногенного водоносного горизонта, приводящее к ухудшению инженерно-геологических условий территории строительства, агромелиоративной и экологической обстановки

Критические глубины залегания подземных вод - для урбанизированных территорий – 3-4 м - для мелких населенных пунктов – 1,5-2 м - для промышленных и коммунально-складских зон – 5 м; - для территорий сельскохозяйственного использования – в зависимости от глубины распространения корнеобитаемого слоя (для лугов 0,6-0,9 м, пашни – 0,8-1,4 м, садов – 1,2-1,8 м)

Условия и факторы развития процесса подтопления - наличие слабоводопроницаемых пород в зоне аэрации, - близкое расположение регионального или локального водоупоров, - слабая дренированность территории, - неглубокое залегание УГВ и др. Подтопление чаще всего развивается в слабопроницаемых, глинистых грунтах Основная причина – подъем динамического уровня подземных вод

Хозяйственная деятельность человека как фактор развития процесса подтопления - техногенные утечки из водонесущих коммуникаций, прудов, отстойников, водохранилищ, шламохранилищ, недостаточная организация поверхностного стока на застроенных территориях, неэффективность ливневой канализации, нарушение естественного стока при проведении строительных работ, - барражный эффект при строительстве заглубленных подземных сооружений, засыпке оврагов нефильтрующим материалом, устройством стен в грунте и свайных полей,

Хозяйственная деятельность человека как фактор развития процесса подтопления - конденсация влаги под основаниями зданий, элеваторами и другими сооружениями, асфальтовыми покрытиями на застроенных городских территориях, - гидромелиоративная деятельность (орошение), - инженерно-планировочные работы (ликвидация естественных дренажных сетей (оврагов, логов), глухое бетонирование стенок каналов или русел рек, служащих естественными дренами)

Хозяйственная деятельность человека как фактор развития процесса подтопления Гидротехническое и энергетическое строительства – мощные источники подтопления и стимуляторы карстовых процессов Сооружение плотин вызывает подпор уровней подземных вод на 10-50 м (равнинные условия) и 50-300 м (горные условия). Подпор распространяется в глубину междуречных пространств на десятки километров

Особенности процесса подтопления на территории г. Перми Условия: широкое распространение глинистых грунтов, значительные площади распространения низких Камских террас Факторы: влияние водохранилищ – подпор грунтовых вод, нарушение поверхностного стока при планировании территории, засыпка естественных дрен, уменьшение испарения влаги под сооружениями и асфальтовым покрытием, дополнительная инфильтрация утечек сточных вод

Виды подтопления - явное, возникает при повышении УГВ выше отметок заложения оснований подземных сооружений; - скрытое (повышение влажности в подземных помещениях, а также в грунтах оснований), возникающее при увлажнении грунтов и заглубленных конструкций капиллярными водами

Последствия развития подтопления - деформации фундаментов и наземных конструкций зданий, сооружений, вызванные изменением прочностных и деформационных свойств грунтов, в особенности обладающих специфическими свойствами (просадочность, набухаемость, выщелачивание, размокание); - затопление подземных частей зданий, сооружений, коммуникаций, ухудшение условий их эксплуатации; - возникновение и активизация опасных геологических процессов (оползни, карст, суффозия, просадки, набухание грунтов);

Последствия развития подтопления - изменение химического состава, агрессивности и коррозионной активности грунтов и подземных вод; - загрязнение поверхностных и подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевых целей; - ухудшение экологической и санитарно-эпидемиологической обстановки вследствие подтопления территорий промышленных предприятий, полигонов бытовых и промышленных отходов, нефтехранилищ, скотомогильников и других источников химического и органического загрязнения

Изменение физико-механических свойств грунтов - слабопроницаемые грунты: Повышаются объемная масса и показатель консистенции. Под воздействием воды размягчаются кристаллизационные и ослабевают водноколлоидные связи первичных частиц и микроагрегатов, растворяется их цементная пленка. Это является причиной того, что уменьшаются модуль общей деформации и сопротивление грунтов сдвигу - просадочные лессовидные грунты: Осадка от собственного веса и веса зданий и сооружений. В этих случаях уменьшаются пористость и коэффициент пористости

Изменение физико-механических свойств грунтов - рыхлые грунты: При повышении уровня грунтовых вод происходит разуплотнение грунтов, в результате чего пористость и коэффициент пористости увеличиваются. Вместе с этим возрастает и коэффициент фильтрации Снижение уровня грунтовых вод при применении различных методов борьбы с подтоплением приводит к уплотнению рыхлых грунтов, а, следовательно, к уменьшению пористости и коэффициента фильтрации Деформации зданий и сооружений – в результате просадки грунтов, либо их набухания

Защита территорий от подтопления - мероприятия по предупреждению подтопления - меры борьбы с подтоплением застроенных территорий

Мероприятия по предупреждению подтопления 1.Организация и ускорение стока поверхностных вод – сокращение инфильтрации поверхностных вод в грунт 2. Искусственное повышение планировочных отметок территорий – подсыпка или намыв грунта на необходимую высоту. Условия естественного дренирования подземных вод не должны быть нарушены и не созданы предпосылки для их подпора. Поэтому искусственное повышение площадки должно осуществляться при обязательном дренировании подсыпки

Мероприятия по предупреждению подтопления 3. Защитная гидроизоляция подземных сооружений – водонепроницаемые устройства применяют для защиты подземных сооружений от подтопления грунтовыми водами и проникновения сырости 4. Тщательное устройство водопроводно-канализационных сооружений - предупреждение утечек из водопроводно-канализационной сети и других систем коммуникаций и технологических циклов промышленных предприятий

Мероприятия по предупреждению подтопления 5. Устройство дамб обвалования и защитных береговых дренажей - препятствуют поступлению воды на защищаемую территорию из водохранилищ и подпертых бьефов плотин 6. Сооружение противофильтрационных экранов и завес (барражей) - противофильтрационные экраны устраиваются в основании шламохранилищ, накопителей, резервуаров и т.д. с целью предотвращения утечек воды в грунт

Мероприятия по предупреждению подтопления 7. Перехватные дренажные сооружения - при перехвате (полном или частичном) грунтовых вод, поступающих на защищаемую территорию со стороны водоразделов, водохранилищ, массивов орошения и т.п., применяются различные перехватывающие устройства и сооружения

Меры борьбы с подтоплением застроенных территорий - устранение утечек из водопроводно-канализационных сооружений и неисправностей в работе дренажной сети; - поднятие полов в существующих подвальных помещениях; - интенсификация дренирующего действия естественных водотоков или водоемов; - сооружение защитных дренажей различного типа