4.3. Геодинамическая обстановка производства горных работ

В земной коре непрерывно происходят различные по своей природе геологические процессы, вызванные природными и техногенными факторами, определяющие геодинамическую обстановку осваиваемых территорий и в т.ч. месторождений полезных ископаемых [5]. Все эти процессы происходят в горных породах и подземных водах под влиянием силовых (энергетических) полей. Горные породы в условиях их природного залегания находятся под воздействием естественного напряженного состояния, с оценки которого следует начинать изучение различных геологических процессов, а также изменения его вокруг горных выработок в связи со строительством различных сооружений, при осушении или подтоплении территории, при проведении буро-взрывных работ и т.д. Свидетельством того, что горные породы в настоящее время находятся в напряженном состоянии, являются землетрясения, неотектонические движения, оползни и обвалы на естественных речных и морских склонах. Проявление напряженного состояния горных пород при их взаимодействии с различными поверхностными и подземными сооружениями наблюдается в разнообразных деформациях этих пород (уплотнение, разуплотнение, сдвиг и др ). Напряженное состояние пород в земной коре определяется действием двух независимых силовых полей—гравитационного и тектонического.

Рис.1. Схема к определению природного давления от веса вышележащих пород:

1, 2 — водоносные песок и супесь; 3 — водоносный слабый песчаник;

4 — глинистый водоупор: 5 — уровень подземных вод

Гравитационное поле обусловлено действием всемирного тяготения и напряжения, возникающих на некоторой глубине Н от поверхности земли, которые можно рассматривать как напряжения от веса вышележащих пород. Вертикальное давление толщи пород p_ на горизонтальную единичную площадку (рис.1) можно выразить следующим образом:

,

где rn_i — мощность i-го слоя в толще вышележащих пород с удельным весом _i; n—число слоев в толще пород залегающих над точкой М; h_в—высота столба воды над точкой М. с удельным весом _в.

Если учитывать изменения плотности пород в зависимости от литологического состава и гидрогеологических условий и выразить ее некоторым средневзвешенным по мощности значением _ср, то можно записать: р_ = _ср..Н, где Н—общая мощность вышезалегающих пород.

Задача распределения напряжений в точке упругой изотропной толщи отвеса вышележащих пород была решена швейцарским геологом А.Геймом (вторая половина XIX в) и академиком А.Н. Динником (1925 г.) в виде:

_z = _ср Н; _х = _у = __1__ _z ,

1- 

где _z – вертикальная составляющая гравитационного поля;

_х и _у - горизонтальные составляющие;

 - коэффициент Пуассона горных пород.

Анализ многих аварий сооружений и непосредственные замеры напряжений в горных породах показали наличие аномальных напряжений, гораздо больших гравитационных. И. А. Турчанинов [3] приводит данные, измерений напряжений (около 2000 опытов) на Кольском полуострове в недрах Хибинского щелочного массива на глубинах от 100 до 600 м в породах высокой прочности (R = 120— 220 МПа,  = 0,26). Горизонтальные напряжения на глубине 100 м оказались в 60 раз больше гравитационных, а на глубине 600 м—в 12 раз. Имеются данные о наличии аномальных напряжений в кристаллических породах Балтийского щита, метаморфических сланцах в районе Саяно-Шушенской ГЭС на р. Енисее, а также в шахтах Донбасса, КМА и др. При этом установлено, что максимальные напряжения приурочены к зонам тектонических нарушений. Природа отмеченных аномалий довольно сложная и слабо изучена. Предполагается, что дополнительные (к гравитационным) напряжения имеют тектоническую природу и обусловлены наличием тектонического градиента, за счет которого появляются горизонтальные тектонические силы. М. В. Гзовский в 1972 г. выделил четыре типа районов на территории СНГ по величине касательных напряжений тектонического происхождения:

1) наименее подвижные платформенные районы (максимальные _т изменяются от 5,0 до 15,0 МПа);

2) более подвижные и сильно деформируемые районы (с _т в пределах 20,0—60,0 МПа);

3) еще более подвижные районы (с _т от 35,0 до 95,0 МПа);

4) наиболее подвижные и интенсивные деформируемые районы (с кратковременно действующими касательными напряжениями от 50,0 до150,0 МПа).

Г. А. Марков (1977 г). показал, что при наличии тектонического силового поля величина контурных напряжений вокруг выработок зависит от их ориентировки, т.е. _к = 3Тн (₂ cos² + sin²) - ₁Тн + Н (3 - 1),

где ₁ и ₂ – параметры, зависящие от гравитационного напряженного состояния;

 - угол между направлениями продольной оси выработки и действия тектонических напряжений. Максимальных значений контурные напряжения достигают при  = 90⁰, а минимальных при  = 0.