книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

сточных вод они могут затоплять подвальные этажи зданий. Горизонтальные деформации трубопроводов, уложенных по возможности на твердом основании, должны выравниваться при помощи подвижки концов труб в специально пре­ дусмотренных местах, где трубы соединяются между собой пластиковыми по­ датливыми переходниками, доступ к которым возможен через смотровые ко­ лодцы. При значительных оседаниях на участках большой протяженности может потребоваться устройство станций перекачки, с помощью которых вода перекачивается в новый отводной канал. Уменьшение уклона представляет значительную опасность также для траншей и канав для стока воды, поскольку в результате отложения приносимых с водой твердых частиц происходит под­ нятие постели, и поднявшаяся вследствие этого вода затопляет поля, луга и под­ вальные помещения.

Если уклон в результате оседания не уменьшается, а увеличивается, может происходить размыв постели и ее углубление (эрозия), что приводит к приближению уровня воды к земной поверхности, т. е. к кажущемуся ее подъему.

12.4.3.

Воздействие подработки на судоходные каналы

В с у д о х о д н ы х к а н а л а х , проходящих по подрабатываемой террито­ рии, уровень воды при оседании земной поверхности остается неизменным, так как перепады подпора воды перед плотинами, расположенными за преде­ лами района горных разработок, должны поддерживаться постоянными. Однако вместе с земной поверхностью происходит опускание всех относящихся к ка­ налу сооружений — шлюзов, дамб и мостов; с течением времени высота их относительно неизменного уровня воды в канале уменьшается. Следствием этого является увеличение ширины зеркала воды в канале, увеличение глубины канала (первоначально составлявшей 2,5 или 3,5 м), уменьшение высоты про­ хода в свету под мостами (наименьшая допустимая высота 4,5 м), затопление буксировочной дорожки (обычно она находится на 3 м выше уровня воды в ка­ нале), а также уменьшение минимальной высоты в 1 м над верхним горизонтом воды шлюзовых площадок, несущих балок ворот шлюза, волнорезов и бетонных причальных труб (рис. 217). Глубина порога шлюза относительно верхней и нижней камер вследствие оседания может увеличиться, превысив нормаль­ ную глубину, равную 3 м. В шлюзах с подъемными воротами (у нижней камеры шлюза) высота свободного габарита под горизонтом воды может уменьшиться до 4 м, а у верхней камеры может быть затоплен верхний бьеф над клапанными закрытыми воротами. Стены камеры шлюза, выполняемые, как правило, в виде тяжелых гравитационных дамб, могут получить наклон в направлении про­ дольной оси шлюза, что при изменении уровня воды при заполнении или опо­ рожнении камеры шлюза (это изменение может быть в пределах 5—9 м) может привести к авариям крупных судов водоизмещением от 1500 до 2000 т, закре­ пленных тросами к причальному рыму.

Даже незначительное оседание земной поверхности, примерно 0,5 м, создает-затруднения при шлюзовании, а большие оседания приводят к необхо-

1

и-4?-

3 11

Рис. 218.

Возможные способы защиты, применяемые на шлюзах и укрепленных откосах берегов кана­ лов при вызванных подработкой оседаниях до 6,5 м (искусственное понижение уровня воды, увеличение высоты надстроек шлюзов, увеличение высоты гребня дамбы и дорожки для буксировочных тракторов и местная углубка дна канала):

1 — шлюз № 1; 2 — шлюз № 2; з — буксировочная дорожка; 4 — горизонт уровня воды; 5 — грунтовое основание; 6 — оседание; 7 — поднятие шлюза на 0/* м; 8 — гребень насыпной дамбы; 9 — насыпка грун­ та; ю — рельеф местности; и — выемка грунта

12.5.

Нарушения режима грунтовых вод, обусловленные воздействием подземных горных работ

Сельское хозяйство и расположенные в низинах населенные пункты страдают от оседания земной поверхности главным образом в результате связанного с ним относительного изменения уровня грунтовых вод. Причиняемый этим материальный ущерб может быть при известных обстоятельствах весьма зна­ чительным. При этом причиной ущерба является только вертикальная соста­ вляющая сдвижения земной поверхности, хотя в полях, лугах и лесах в ре­ зультате разрыхления (в зоне растяжений) или уплотнения грунта (в зоне сжатий земной поверхности) могут возникнуть также повреждения, обусловлен­ ные горизонтальными деформациями и выражающиеся в отрыве тонких всасы­ вающих отростков корней растений от основного корня. Однако особенно зна­ чительный ущерб наносится полям и нивам вследствие вызванного оседанием земной поверхности неблагоприятного для роста растений изменения водного режима, не говоря уже о возможном химическом загрязнении грунтовых вод, например в результате вызванного подработкой повреждения водосборных

от границ мульды сдвижения и устанавливаться в пределах опустившейся области на своем прежнем уровне (рис. 219). Поэтому наблюдающийся при оседании земной поверхности подъем уровня грунтовых вод является лишь кажущимся, обусловленным тем, что расстояние по вертикали от земной по­ верхности до горизонта грунтовых вод уменьшается. В отличие от этого*

Тис. 219.

Изменение уровня грунтовых вод относительно земной поверхности, обусловленное оседа­ нием вследствие подработки, и последствия этого явления — заболачивание (/) или зато­ пление (II) местности и способ его регулирования — местное понижение путем устройства заглубленного стока или путем перекачки воды в имевшийся до этого сток (III) или путем засыпки образовавшейся мульды, если она возникла на незастроенной территории (Л);

1 — приток; 2 — расстояние до горизонта грунтовых вод; 3 — опускание уровня грунтовых вод; 4 — за- -сыпка; 5 — старый сток; 6 — новый сток; 7 — водоотводная труба; 8 — горизонт грунтовых вод; 9 — пере­ качка

напорные подземные водыили находящиеся в глубинных горных породах замкну­ тые водоносные слои при сдвижении горных пород смещаются, следуя за оседа­ нием земной поверхности. Чтобы уменьшить степень ущерба, причиняемого насаждениям, необходимо в период их роста сохранять неизменным некоторое определенное среднее расстояние от земной поверхности до уровня грунтовых вод, зависящее от глубины внедрения в грунт их корней — до 25 см для травя­ ных культур и до 1 м для пахотных культур, а также от высоты капиллярного всасывания, составляющей около 50 см (в зависимости от размера частиц пес­ чаного грунта). Таким образом, общее расстояние составит для пахотных куль­ тур около 1,5 м, а для овощных — около 0,75 м. При этом следует иметь в виду, что в весенне-летний период уровень грунтовых вод может изменяться в широ­ ких пределах — до нескольких метров и что урожай зависит не только ог уровня грунтовых вод, но и от влажности почвы, а также от распределения во времени атмосферных осадков и испарения, т. е. от так называемого показа­ теля дождливости Л, численно равного отношению количества выпадающих за год осадков О к среднегодовой температуре Т:

Если земная поверхность оседает ниже уровня грунтовых вод, то послед­ ние затопляют образовавшуюся впадину, уничтожая урожай.

Заболоченный или затопленный участок земли может быть вновь исполь­ зован и заселен, если к нему подключить новый, более низкий сток для отвода воды или если его засыпать или обваловать. Подобная рекультивация имеет смысл, естественно, лишь в том случае, если экономический эффект от ее про­ ведения превысит затраты на устройство отвода воды, ее откачки или на за­

водного хозяйства, которым, например, в 1972 г. акционерное общество «Рур-

коле» перечислило около 1,13 марки на каждую тонну добытого угля. При по­ мощи траншей и трубопроводов, для которых пришлось построить мосты, путе­ проводы и дюкеры, был обеспечен спуск грунтовых, дождевых и сточных вод по новым путям стока в нижележащие поймы рек (Рура, Эмшера и Рейна), а для преодоления больших возвышенностей были построены специальные станции перекачки. При устройстве водоотлива следует учесть, что для того, чтобы за 1 мин поднять 1 м3 воды на высоту 1 м при помощи центробежного насоса, требуется мощность 0,25 кВт. На капитальные затраты и на обслужи­ вание установок требуются такие же расходы. При значительных притоках воды, например 50 м3/мин, предпочтительны не вертикальные, а горизонталь­ ные колодцы, как более эффективные. Производительность насосов, устанавли­ ваемых в колодцах или приямках на значительной глубине и поэтому оборудо­ ванных вертикальным приводным валом, определяется по нормальной вели­ чине притоков для соответствующего бассейна водосбора с учетом приливной кривой осадков. Так, например, в районе Гамборна (Рейнская область ФРГ) на участке площадью около 500 га постоянный приток составляет 12 м3/мин, а максимальный — 360 м3/мин, и для его перекачки потребовалась установка десяти насосов общей подачей 220 м3/мин. Стоимость сооружения небольшой насосной установки для осушения подвергшегося оседанию жилого поселка, включая прокладку напорного трубопровода и устройство соединенных с насо­ сами резервуаров-отстойников, в 1965 г. составляла около 1 млн. марок. Ра­ боты по осушению больших участков с предварительным обвалованием и устройством для искусственного водопонижения обходятся во много миллио­ нов марок.

Для засыпки затопленной зоны в середине мульды оседания (что, конечно, возможно только на незастроенных участках) можно воспользоваться пустой породой, применяемой для закладки выработанного пространства, если содер­ жащиеся в ней примеси (например, каменная соль или серный колчедан) не слишком повлияют на качество грунтовых и сточных вод и не повредят устрой­ ствам для стоков воды. Поверх засыпки пустой породой, задерживающей воду, должен быть уложен водопроницаемый слой песка толщиной не менее 60 см, обеспечивающий отвод воды из почвенного слоя толщиной около 40 см в случае сильных дождей. Если принять, что объем засыпанной мульды оседания соста­ вляет при выемке с обрушением кровли 9/10 объема выработанного простран­ ства (принимая, что масса 1 м3 угля равна 1 т), то дополнительная стоимость угля составит, учитывая затраты на доставку (3,6 марки за 1 м3) и отсыпку пу­ стой породы (0,7 марки за 1 м3), 0,9-4,30 = 3,87 марки на 1 т угля [388]. К этому добавляются еще затраты на почвенный слой, песчаную постель и ре­ культивацию, составляющие 2,5 марки на 1 м2 (в ценах 1967 г.).

При ведении подземных горных разработок значительное количество воды просачивается в горные выработки по трещинам и водопроницаемым пород­ ным слоям, особенно если в нижних слоях покрывающей толщиотсутствуют задерживающие воду слои глинистых пород септариенского, сеноманского или туронского ярусов, а 20-метровые предохранительные целики мергеля недо­ статочно плотны — в Рурской области эти потери воды составляют около 1 м3 на каждую тонну добытого угля. Такие потери воды приводят к иссяканию

как природных ручьев и источников, так и скважин промышленного водо­ снабжения. При этом происходит воронкообразное понижение горизонта грун­ товых водчпо направлению к месту стока (рис. 220). Радиус й д е п р е с с и о н н о й ]’|в о р о н к и зависит (по Зихарду) от наибольшего понижения горизонта грунтовых вод над местом стока и от полученного эмпирически коэффициента водопроницаемости к и может быть вычислен по формуле

резе профиль кривой депрессионной воронки имеет форму гиперболы, которая во внешней части воронки идет очень полого, так что на расстоянии 500 м от места стока уровень подземных вод в песчаном грунте понижается только на 1 м. Наблюдения показывают, что вследствие оттока грунтовых вод связные, сжимаемые слои пород оседают от нескольких сантиметров до нескольких дециметров, даже если этот отток и не сопровождается вымыванием твердых

[188]. Из профиля этих мульд сдвижения могут быть получены также горизон­ тальные деформации растяжения или сжатия земной поверхности [343]; вблизи места стока деформации сжатия могут достигать 4 мм/м, т. е. в несколько раз превышать деформации растяжения, равные 0,7 мм/м, и, следовательно, могут представлять опасность для строительных сооружений (см. рис. 220). Колеба­ ния уровня воды в р. Рейн, достигающие 5 м, могут сказываться на изменениях уровня воды в колодцах на расстоянии многих километров от реки.

12.6.

вблизи карьеров

Врезультате искусственного понижения уровня грунтовых вод на 250—300 м

вНижне-Рейнском буроугольном бассейне \ необходимого для осушения карьеров и разрабатываемого угольного пласта, произошло оседание поверх­ ности примыкающей к карьерам территории на 30—60 см. Это оседание зем­ ной поверхности связано с увеличением веса осушенного песка, который вслед­ ствие этого в большей степени внедряется в подстилающий его слой глинистой породы. Так, например, если представить себе слой грунта мощностью 100 м

состоящим из не связанных между собой равновеликих шаровидных песчинок с ромбической упаковкой и лежащим на водонепроницаемом слое глинистой породы, то при используемой пористости, равной приблизительно 26%, этот слой песка после осушения будет оказывать на нижележащий породный слой давление, равное 2,5 гс/см3-74% *10 000 см = 18,5 кгс/см2. В водонасыщенном состоянии давление этого слоя песка на подстилающую его глинистую породу будет мень­ ше на величину выталкивающей силы, равной весу вытесненной песком воды, т. е. на 1 гс/см3-74% *10 000 см = 7,4 кгс/см2, и, следовательно, это давление составит 11,1 кгс/см2 (рис. 221). Это повышение нагрузки с 11,1 до 18,5 кгс/см* передается на грунтовый скелет глинистой породы, которая при поступатель­ ном движении уплотняется, а содержащаяся в порах глинистой породы вода выдавливается в вышележащий слой песка. Этот процесс консолидации, свя­ занный с оседанием, на некоторой определенной глубине в слое глинистой породы сменяется сравнительно незначительным поднятием, так как суммар­ ная нагрузка на почву слоя глинистой породы, слагающаяся из давления ске­ лета и норового давления, уменьшится на вес выдавленной из пор воды, рав­ ный 1 гс/см3-26% -10 000 = 2,6 кгс/см2. С другой стороны, упругое сжатие песчинок в кристаллическом скелете кварцевого песка (Е = 3-106 Н/см2} составляет всего около 1 мм; в слое песка чаще всего не происходит перегруп­ пировки частиц, сопровождающейся уплотнением, а поэтому смятие водяной пленки на контактах между песчинками, толщина которой не превышает 40-10”7 мм, сопровождается лишь незначительным оседанием.

Таким образом, при понижении уровня грунтовых вод можно ожидать возникновение оседания лишь в том случае, если в массиве имеются слои связ­ ных пород. При этом сооружения на земной поверхности также оседают, од­ нако, поскольку образующаяся мульда оседания имеет большую ширину и очень пологие склоны, эти сооружения обычно не получают повреждений, вызванных деформациями растяжения или сжатия земной поверхности, а также не претерпевают сколько-нибудь заметного наклона. Поэтому в буроугольных бассейнах затраты на компенсацию причиненного горными разработками

1 В 1968 г. количество откачанной из карьеров воды (м3), объем вскрыши (м3) и коли­ чество добытого угля (т) относились друг к другу, как 14,3 : 2,1 1,0 [367]. Однако это не оказало отрицательного влияния на произрастание растений, так как для них, очевидно, оказалось достаточно воды атмосферных осадков.

Рис. 221.

Консолидация грунтов, слагающих борты карьеров, вызванная понижением уровня грунто­ вых вод, связанным с работой водоотлива:

а — уступы у выхода водонепроницаемого тектонического нарушения; б— скелет иесчанохо грунта на глини­ стой породе; в — изменение веса и давления слоя песка на подстилающий его слой глинистой породы; 7 уступ на земной поверхности; 2 — опускание уровня грунтовых вод; з — поровая вода; 4 — песчаная час­ тица; 5 — слой глины; в — горизонт грунтовых вод; 7 — разгрузка при взвешивании; 8— вес поровой воды: 9 и ю — нагрузка от веса грунта соответственно до откачки и после откачки; h — глубина; а — вертикально: давление

ущерба бывают обычно невелики, составляя примерно 0,1 марки на 1 т добы­ того угля (в ценах 1970 г.). Существенные повреждения могут иметь место только там, где выемка угля производится над слоями пород с гнездами торфа и оседания достигают 1 м, а также в местах геологических нарушений, где про­ исходит резкое опускание уровня грунтовых вод на небольшом по площади участке, вызывающее образование на земной поверхности уступа (см. рис. 221).

Вертикальной штриховкой показано эффективное давление, равное 11,1 и 18,5 кгс/см2, а горизонтальной — нейтральная составляющая давления, рав­

ках, а по некоторым площадкам конечной величины, что способствует умень­ шению выталкивающей силы, так как гидростатическое давление воздействует не на всю поверхность частиц (это давление на нижнюю поверхность частицы больше, чем на верхнюю, так как нижняя поверхность расположена глубже верхней на величину, равную диаметру частицы). В уплотненном пористом песчаном слое, например в так называемых поровых резервуарах, используе­ мых в качестве природных газоили нефтехранилищ, возникновение выталки­ вающей силы за счет нагрузки от поровой воды полностью исключается [2121. По результатам многочисленных наблюдений для условий Нижне-Рейнского буроугольного бассейна получена формула, выражающая зависимость оседа­ ния земной поверхности у от понижения уровня грунтовых вод х :

у = 2,28• а"в»89•ха, мм, (fi'M)

Рис. 222.

Разрез борта карьера высотой 100 м и схема развития поверхностей скольжения и разрыва после понижения горизонта грунтовых вод:

1 — трещины отрыва; 2 — опускание горизонта грун­ товых вод; 3 — поверхность скольжения; 4 — уголь­ ный целик; 5 — слой глинистой породы

где а — зависящий от местных условий параметр, изменяющийся от 0,15 до 1,5 [448].

В районах разработки каменного угля при подъеме уровня воды в закрытых шахтах происходит поднятие земной поверхности на несколько сантиметров г обусловленное разгрузкой под действием выталкивающей силы. Отвалы вскрышной породы на буроугольных карьерах на протяжении И лет опускаются на величину, составляющую 1,0—3,8% их высоты [277]. В Аахенском каменно­ угольном бассейне производившееся в течение нескольких десятков лет искус­ ственное водопонижение привело к оседанию земной поверхности в отношении 4 : 1 , т. е. каждые 4 м3 откачанной воды вызвали увеличение объема образо­ вавшейся вследствие этого мульды оседания на 1 м3 [76, 409].

Значительные повреждения расположенных у борта карьера сооружений могут произойти, если образующиеся в откосе поверхности скольжения и раз­ рыва достигают оснований сооружений и вызывают в основании уступообраз­ ные деформации. Такие о п о л з н и б о р т о в карьера могут быть вызваны колебаниями уровня грунтовых вод, скольжением слагающих борт пород па подстилающему слою глинистых пород в сторону выработанного пространства или же недостаточной устойчивостью (неправильно выбранными размерами) оставленного опорного угольного целика (рис. 222). При искусственном осуше­ нии борта карьера исчезает разгружающее действие выталкивающей силы и изменяется вес пород, а вместе с ним и величины сцепления и трения по по­ верхности скольжения. Эти внешние и реологические факторы могут нарушить равновесие между результирующей F нормальных сил Fn и сил трения FR на поверхности скольжения, результирующей сцепления с (моментов удержи­ вающих сил), а также результирующей давления, обусловленного течением воды, и веса G сползающих породных масс (момента сдвигающих сил), так что имеющийся угольный упорный целик будет смещаться по примерно горизон­ тальной плоскости скольжения к выработанному пространству карьера, и давя­ щие на него сбоку породные массы также будут сползать в карьер по поверх­ ности отрыва, имеющей наклон примерно 50°. В пределах непосредственна прилегающей к карьеру территории при известных условиях могут образо­ вываться дополнительные небольшие трещины отрыва, приводящие к образо­ ванию отдельных породных блоков, оседающих независимо один от другого, следуя за смещающимся угольным упорным целиком или лежащим впереди породным блоком [58]. Статические расчеты устойчивости откоса производятся различными методами, исходя из предположения о той или иной форме кривой

скольжения — прямолинейной, круговой или комбинированной из отрезков прямых и дуг окружности. Для сооружений более опасными, чем трещины в грунте, являются образующиеся у этих трещин уступы высотой до нескольких дециметров. Земная поверхность в направлении к карьеру сначала испытывает горизонтальные деформации растяжения (1—2 мм/м), а затем, после образова­ ния последовательного ряда небольших трещин отрыва, в отдельных местах возникают деформации сжатия. Наряду с оседаниями порядка нескольких сантиметров могут наблюдаться также отдельные поднятия, измеряющиеся миллиметрами, обусловленные обжатием идущих следом породных глыб. Все эти сложные процессы сдвижения породных блоков при оползнях высоких от­ косов на карьерах не подчиняются закономерностям сдвижения горных пород, вызванного воздействием подземных горных работ.

12.7.

Обрушения земной поверхности над заброшенными подземными горными выработками

В результате роста старых горнопромышленных районов в последние годы выявилась новая проблема, связанная со сдвижением горных пород — стали наблюдаться провалы земной поверхности и беспорядочные оседания в виде воронкообразных впадин, происходящие над многочисленными недостаточно надежно засыпанными шахтами и штольнями, над пройденными на малых глубинах заброшенными горными выработками и даже над более глубокими выработками, имеющими достаточно большие размеры. Под действием выветри­ вания, размывания и выщелачивания такие выработки с течением времени теряют свою устойчивость и внезапно или медленно обрушаются.

Обрушение внесенного в шахтный ствол закладочного материала приводит к образованию вывалов в устье ствола, в результате чего размеры устья ствола увеличиваются. Поэтому при засыпке погашенного шахтного ствола необхо­ димо следить за тем, чтобы закладочный материал впоследствии не мог обрушаться или проваливаться в околоствольный двор, а в стволах соляных шахт должны сооружаться водонепроницаемые перемычки из глины, исключающие возможность поступления воды в шахту. Потолочины горных выработок, пройденных вблизи земной поверхности, в результате выветривания и вымыва­ ния растворимых компонентов постепенно ослабевают и в конце концов обру­ шаются (провал на земной поверхности). Кроме того, бездействующие горные выработки, как правило, оказываются затопленными, и в соляных шахтах это приводит к растворению материала опорных целиков и их разрушению. Обрушение отдельных горных выработок вызывает сотрясения земной поверх­ ности, а при больших размерах обрушающихся выработок происходит плавное (без разрывов) деформирование пород над зоной обрушения, сопровожда­ ющееся образованием широкой мульды оседания.

Исследования показывают, что возможность и опасность проявления воздействия подземных горных работ на земную поверхность, связанного с влия­ нием выветривания и выщелачивания горных пород, может иметь место без