1. Анализ деформаций и устойчивости пород при горных разработках

Из инженерной практики хорошо известно, что решение многих задач, традиционно относимых к категории инженерно-геологиче­ских, немыслимо без внимательного учета гидрогеологической об­становки. При этом возникает необходимость рассмотрения массива горных пород и фильтрующихся в нем подземных вод как единой механической системы, что возможно лишь при комплексном гидро- геомеханическом подходе, базирующемся на принципах и методах как механики горных пород (механики грунтов), так и динамики подземных вод [22 ]. Необходимость такого подхода к исследованию задач фильтрации уже неоднократно иллюстрировалась нами в пред­шествующих главах (приведитепримеры).

Особенно яркое подтверждение важности гидрогеомеханиче- ских построений дают инженерные задачи, связанные с анализом деформаций и устойчивости пород при горных разработках. При этом подземные воды проявляют себя в трех различных аспектах:

а) как сидовой фактор, меняющий напряженное состояние по­род;

б) как фактор, вызывающий деформации горных пород вследст­вие процессов механического выноса и растворения;

в) как фактор, непосредственно изменяющий прочность горных пород.

В данной книге уместно уделить основное внимание первому и, в какой-то мере, второму аспектам. Кроме того, интересно попутно рассмотреть возможности использования подземных вод как индика­тора напряженного Состояния и деформаций горных пород. Перейдем к конкретным инженерно-геологическим задачам, играющим важ­ную роль в практике освоения месторождений твердых полезных ископаемых.

1. Осадка толщ горных пород при глубоком водопонижении

Эксплуатация глубокйх шахтных стволов, пройденных через водоносные толщи с установкой сплошной водонепроницаемой кре­пи, нередко сопровождается деформациями крепи с последующими прорывами шахтных вод в ствол. И, как это не покажется парадок­сальным на первый взгляд, такие деформации нередко возникают по мере того, как нД шахтном поле проводится снижение напоров в водоносных слбях, призванное обеспечить нормальные условия фун­кционирования горных выработок. Между тем причина этих дефор­маций становится вполне очевидной, если мы вспомним основной принцип подземной гидростатики (см. раздел 1.3). Согласно ему, снижение напоров подземных вод приводит к росту эффективных напряжений и к сжатию толщи горных пород, которое, кстати, хоро­шо фиксируется по оседанию земной поверхности в зоне влияния водопонижения. Жесткая же крепь ствола оказывается неспособной выдержать большие деформации продольного сжатия без разруше­ния.

Для прогноза деформаций оседания и для разработки специаль­ных видов (неразрушающейся) крепи необходимо, согласно изло­женному в разделе 1.3, знать коэффициенты сжимаемости горных пород и приращения эффективных напряжений. Последние эквива­ленты изменениям напора в тех или иных точках области влияния водопонижения. При этом необходимо учитывать, что снижение на­поров распространяется не только по тому водоносному комплексу, из которого ведется откачка во^ы, но и по смежным с ним относитель­но слабопроницаемым пластам ; повышенная же сжимаемость пород этих пластов может приводить к тому, что именно они будут давать основную долю осадки. По этой же причине существенная часть откачиваемой воды может поступать не из самого водоносного пла­ста, а из относительных водоупоров.

Обратимся к примеру Южно-Белозерского железорудного мес­торождения [9 ] (см. рис. 1.20). Здесь снижение напоров в песчаном пласте (мощность т ¹ 15 м, коэффициент сжимаемости а_с = 0,0045 мПа"¹) составило около 200 м, что привело к осадке поверхности почти на 3 м. Основную долю в осадке дало сжатие относительно водоупорной толщи органогенных известняков (т * 30 м, а_с * 0,03 мПа ^_1), подстилающей пески. Соответственно, упругая водоотдача пласта известняков оказалась здесь на порядок выше, чем у песков; следовательно, из 2-3 тыс. м³ воды, ежечасно откачиваемой на мес­торождении, большая доля приходится на относительно водоупорные породы.

Таким образом, основным исходным элементом для прогноза процесса оседания должна являеться модель (аналоговая или числен­ная) водоносной системы с перетеканием, на которой определяются понижения как и водоносных слоях, так и в относительно водоупор­ных. При этом необходимо учитывать, что снижение напоров в по­следних идет только при градиентах, превышающих начальные 1_Н (см. раздел 1.5). Так, если снижение напоров в водоносном пласте равно S, то в водоупорном пласте оно отмечается лишь в прилежащей зоне мощностью m_e-S/I_H. Например, на Южно-Белозерском место­рождении водоносные пески перекрыты мощной пачкой глин (около 30-40 м); однако деформации сжатия в глинах отмечаются лишь в зоне мощностью в несколько метров, что объясняется высоким зна­чением начального градиента — примерно 70 (т_в * 200: 70 ~3 м).

Полезно еще отметить, что рассмотренная задача об оседании толщи горных пород открывает интересные возможности для опреде­ления параметров сжимаемости пород с помощью специального опытного водопонижения: наблюдая за деформациями сжатия от­дельных слоев по глубинным реперам и зная понижения напоров, т.е. дополнительные нагрузки на породы этих слоев, легко найти их коэффициенты сжимаемости. Точность такого определения оказы­вается несравненно выше, чем при лабораторных опытах, в частно­сти, вследствие устранения масштабных эффектов.