книги / Основы механики горных пород

которая характеризуется непрекращающимся нарастанием ус­ корения сдвижения, увеличением размеров седловин, трещин и вспучивания. В нагорных отвалах Заполярья этот переход на­ блюдается при скоростях вертикальных смещений 25—70 см/сут, поэтому такие скорости в указанных условиях считаются кри­ тическими. Разрушение откоса или внезапное обрушение отвала обычно происходит при скоростях сдвижения, превышающих 150—250 см/сут.

Приведенное разделение процесса деформаций является ус­ ловным, так как не всегда из общего оползневого процесса уда­ ется выделить стадию разрушения и не каждый возникающий оползень на отвале завершается опасным разрушением. Так, благодаря пластичному характеру деформаций на стадии оползневого процесса откос иногда не разрушается, а только изменяет свою форму, образуя вспучивание в нижней ча­ сти [40].

Для надежного контроля устойчивости отвалов и определе­ ния критических скоростей оседаний организуют систематиче­ ские маркшейдерские наблюдения за смещением площадок от­ валов, дополняемые визуальными осмотрами их состояния. Та­ кие наблюдения на отвалах упомянутого выше карьера Цен­ трального, в частности, показали, что при скоростях оседания до 25 см/сут в рассматриваемых условиях происходит главным образом уплотнение пород отвала, в то время как оползание его по склону незначительно. При скоростях оседания более 25 см/сут оползневые смещения получают преобладающее раз­ витие. При скорости оседания более 50 см/сут оползневые сме­ щения весьма интенсивны, вследствие чего эксплуатацию отва­ лов прекращают.

§ 82. ПРОТИВООПОЛЗНЕВЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ НА КАРЬЕРАХ

Ведущую роль в борьбе с оползнями следует отвести профилактическим мероприятиям, так как предотвратить опол­ зень значительно легче, безопаснее и дешевле, чем бороться с ним, когда он возникнет. К числу профилактических меро­ приятий следует отнести:

а) тщательное изучение геологических и гидрологических условий залегания горных пород, их прочности, структурных и других особенностей участка месторождения;

б) максимально полный учет условий залегания, свойств по­ род и особенностей месторождения при расчете устойчивости бортов карьеров и составлении проекта горных работ;

в) четкое осуществление проекта в натуре, особенно в части запроектированных параметров карьера (углов откоса бортов и уступов и пр.) ;

г) качественное и своевременное выполнение дренажных ра­ бот, в том числе глубинного дренирования пород, слагающих откосы, дренирования земной поверхности в окрестностях карьера и поверхности его бортов;

д) организацию систематических маркшейдерских и гидро­ геологических наблюдений, регулярный отбор проб и их испы­ тания, уточнение местонахождения структурных поверхностей ослабления массива, анализ полученных данных и оперативную корректировку принятых в проекте параметров карьера, техно­ логии и порядка ведения горных работ.

При выполнении указанных мероприятий, как правило, уда­ ется предотвратить оползни или свести к минимуму их вредные последствия.

Для борьбы с оползнями предложены разнообразные меха­ нические и химические способы закрепления земляных масс, способы замораживания и цементации их. Но в практике гор­ ного дела они широкого применения пока не нашли в силу дороговизны и недостаточно высокой эффективности. Опыт по­ казывает, что эффективность борьбы с оползнями во многом зависит от того, насколько надежно установлены причины возникновения оползней и насколько своевременно начаты ра­ боты по их ликвидации.

Поскольку наиболее часто причинами нарушения устойчи­ вости откосов на карьерах, сложенных глинистыми и песчано­ глинистыми породами, являются обводнение этих пород и сни­ жение их прочностных характеристик, основные меры борьбы с оползнями в этих условиях состоят в эффективном дренаже, обеспечении стока поверхностных вод, пригрузке фильтрующих участков.

Для обеспечения устойчивости откосов на карьерах, сложен­ ных скальными и полускальными породами, применяют:

а) соответствующую технологию ведения буровзрывных ра­ бот в приконтурных зонах (микрозамедленное взрывание сква­ жин в блоке и др.) ;

б) специальную заоткоску уступов (предварительное щелеобразование, гладкое взрывание) ;

в) искусственное укрепление ослабленных участков. Основным источником обводнения разрабатываемых полез­

ных ископаемых и пород вскрыши во многих случаях являются атмосферные осадки. Для обеспечения стока воды с земной по­ верхности производят планировку поверхности, придавая ей уклон в сторону дренажных канав, защищающих карьер от лив­ невых вод. Для стока дождевых и талых вод с площадки усту­ пов проводят продольные и поперечные канавки, а площадке уступа придают соответствующий уклон (не менее 5%о) .

Глубинный дренаж предохраняет откосы от больших ополз­ ней, возникающих при пологом и наклонном залегании слабых

и средней прочности пород вследствие высоких напоров воды в лежачем боку залежи. Осуществляют глубинный дренаж во­ допонизительными скважинами, подземными выработками со сквозными и забивными фильтрами, наклонными или горизон­ тальными самоизливающимися скважинами и иногда погло­ щающими скважинами.

Открытый дренаж применяют: при вскрытии водообильных месторождений, сложенных слабыми породами, если толща во­ доносных пород представляет собой один водоносный горизонт или если водоносный горизонт залегает в подошве разрабаты­ ваемого слоя полезного ископаемого; при дренировании слабо­ обводненных горизонтально залегающих водоносных горизон­ тов и трещиноватых крепких пород.

При вскрытии водообильных месторождений (без глубин­ ного дренажа) вначале проходят передовой дренажный котло­ ван размерами в плане, установленными гидрогеологическими расчетами, а затем по мере понижения депрессионной воронки производят углубление этого котлована и одновременно на­ резку рабочего горизонта по сдренированным породам.

Дренирование водоносных горизонтов, залегающих в подо­ шве разрабатываемого слоя, и слабообводненных горизон­ тально залегающих водоносных горизонтов в толще вскрышных пород осуществляют с помощью траншей. Для дренирования крепких трещиноватых пород применяют передовые траншеи или понижающие колодцы, проходимые с подошвы карьера.

Фильтрующие участки откосов песчано-глинистых пород ук­ репляют посредством гравийно-щебеночной пригрузки этих участков.

Для обеспечения устойчивости скальных и полускальных пород часто требуется уменьшить сейсмическое влияние массо­ вых взрывов на дробление горных пород за предельным конту­ ром отработки уступов. Уменьшения этого влияния достигают применением микрозамедленного взрывания скважин начиная с расстояния 30—40 м от предельного контура каждого уступа.

Эффективной мерой, обеспечивающей длительную устойчи­ вость нерабочих бортов или участков в предельном положении, является их заоткоска под углами, соответствующими свой­ ствам пород и характеру их трещиноватости (см. табл. 26). Заоткоску уступов в скальных и полускальных породах осуще­ ствляют наклонными взрывными скважинами диаметром 80— 100 мм, которые бурят под углами откоса уступа на расстоя­ нии друг от друга не более 3 м.

При неблагоприятно ориентированной трещиноватости для заоткоски уступов применяют методы контурного взрывания, суть которых состоит в следующем. Скважины, пробуренные по проектному контуру на расстоянии 0,8—2,5 м друг от друга, заряжают ослабленными зарядами ВВ с таким расчетом, чтобы

между зарядом и стенкой скважины оставался значительный воздушный зазор (который иногда заполняют пористой забой­ кой). При взрыве таких зарядов радиальных трещин вокруг скважин не образуется, а создается только одна трещина, про­ ходящая через оси скважин. Заряды контурного ряда взрывают либо после основных зарядов дробления, либо раньше их (пред­ варительное щелеобразование).

Искусственное укрепление откосов уступов, сложенных скальными и полускальными породами, применяют обычно в тех случаях, когда надо удержать от сползания или обруше­ ния отдельные участки откосов уступа, ослабленные интенсив­ ной трещиноватостью, неблагоприятно расположенными трещи­ нами, дизъюнктивными нарушениями, слабыми контактами между слоями пород и пр. Укрепление осуществляют путем ме­ ханического удержания призмы обрушения с помощью штанго­ вой крепи, шпунтов, железобетонных свай и гибких тросовых тяжей, путем инъекций в массив укрепляющих растворов (пре­ имущественно цементного состава), путем изоляции пород, склонных к интенсивному выветриванию, выщелачиванию или дефляции, с помощью устойчивых покрытий (набрызгбетона, битума, эпоксидных и других смол). Иногда для укрепления призмы обрушения применяют подпорные, защитные и контр­ форсные стенки.

При укреплении откоса штанговой крепью для предохране­ ния от выпадения блоков трещиноватых пород и улучшения со­ вместной работы штанг под шайбы головок штанг подклады­ вают швеллеры или железобетонные диски, а штангам дают на­ тяжение, усиливающее трение по поверхностям ослабления.

Механические способы укрепления слабых участков откосов часто применяют в комплексе. На рис. 124 приведена схема укрепления бермы штангами и железобетонными сваями на участке слабого контакта, по которому возможно сползание.

Для борьбы с оползнями в карьерах применяют и такие спо­ собы, как снятие нагрузки с откоса, отгрузка очага оползня, оставление целиков и др.

Снятие нагрузки применяют в зоне действующих глубинных оползней, когда массив можно разделить на призму упора и призму активного давления. В этом случае вес призмы актив­ ного давления снижают путем срезки верхней части откоса, а все призмы упора наращивают путем отсыпки дамб в ниж­ ней части.

Отгрузку очага оползня производят на участках лежачего бока при падении слоев более 18—20° и при возможности под­ резки контактов или поверхностей ослабления, т. е. когда появ­ ляется угроза скольжения по ним горных пород. При отгрузке оползающих пород применяют меры по предотвращению опол­ зания и обрушения верхних уступов.

Рис. 124. Берма откоса, укреп­ ленная штангой и железобе­ тонной сваей.

1 — слабый контакт, по которому возможно сползание; 2 — железобе­ тонная свая; 3 — штанга.

Целики на карьерах оставляют в целях предотвращения и остановки оползания насыщенных водой рыхлых пород. Однако это весьма неэкономичный и недостаточно эффективный метод. Его следует применять только при соответствующем технико­ экономическом обосновании, преимущественно при борьбе с местными оползнями, не распространяющимися на другие уступы.

Для предотвращения опасных деформаций отвалов произ­ водят дренирование основания отвалов, планировку поверхно­ сти отвалов и другие работы, препятствующие дополнительному увлажнению пород в них.

Устойчивость отвалов рыхлых пород на прочном основании повышают путем первоочередной отсыпки предотвала и после­ дующего заполнения пазухи между предотвалом и основным, отвалом (в пониженных местах предотвал прерывают для про­ пуска дождевых и талых вод).

В случае угрозы оползания больших участков отвалов их высоту или общий угол разгона ярусов отвалов уменьшают до значений, при которых соотношение удерживающих и сдвигаю­ щих сил, действующих по поверхности скольжения, повысится на 10—15 % по сравнению с отношением, при котором начались, первые деформации.

При невозможности предотвратить развитие оползня отва­ лов оконтуривают призму возможного оползания (с помощью инструментальных наблюдений) и дальнейшие работы по отвалообразованию ведут с учетом оползания этой призмы.

Глава 16. МЕТОДЫ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ И СООРУЖЕНИЙ В ЗОНЕ влияния ГОРНЫХ

РАБОТ

§ 83. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА МЕР ОХРАНЫ

Для защиты объектов и сооружений от вредного влия­ ния подземных горных разработок и предотвращения прорывов воды в горные выработки применяют различные меры охраны, которые условно молено разделить на четыре группы: профи­ лактические, горнотехнические, конструктивные и комплексные.

П р о ф и л а к т и ч е с к и е м е р ы имеют основным назначе­ нием предотвращение или снижение вредных последствий гор­ ных разработок. Они должны выполняться как в период состав­ ления проектов освоения месторождений и генеральных планов застройки городов и поселков, так и в период выбора и при­ вязки площадок для строительства конкретных объектов. В первом случае их следует называть заблаговременными, во втором — текущими. Рациональная застройка горнопромыш­ ленных районов обеспечивает наиболее полную и эффективную отработку запасов полезных ископаемых с минимальными за­ тратами на мероприятия по борьбе с вредными последствиями подработок.

Г о р н о т е х н и ч е с к и е м е р ы охраны направлены на уменьшение деформаций земной поверхности и подрабатывае­ мых объектов. Они включают в себя специальные методы веде­ ния горных работ и оставление предохранительных целиков. Под последним понимают часть полезного ископаемого, остав­ ляемую под сооружением, чтобы избежать повреждения его, или под водоемом для предохранения выработок от проникнове­ ния в них воды.

К о н с т р у к т и в н ы е м е р ы защиты имеют целью приспо­ собить здания и сооружения к перенесению деформаций с ми­ нимальными последствиями. На послеосадочный ремонт таких зданий и сооружений требуется значительно меньше средств, чем для зданий и сооружений, не имеющих указанных мер за­ щиты. Эти меры наиболее эффективны, если их предусматри­ вают и осуществляют в период строительства здания (соору­ жения) .

К о м п л е к с н ы м и считаются любые сочетания перечислен­ ных выше мер. К ним относятся также оперативное устранение повреждений, возникающих в подрабатываемых объектах, и своевременное принятие других мер, необходимых для предот­ вращения аварийных ситуаций. Комплексные меры проводятся обычно в сочетании с постоянным инструментальным и визуаль­ ным контролем.

Выбор мер охраны сооружений и природных объектов регла­ ментируется действующими нормативными документами [108, 125]; меры выбирают в зависимости от категории охраны объ­ екта, ожидаемых деформаций земной поверхности, гидрогео­ логических условий участка месторождения, конструктивных особенностей, размеров, технического состояния и характера эксплуатации сооружения, установленного в нем оборудования и последствий подработки.

Полную защиту сооружений (т. е. полное предотвращение деформаций) применяют относительно редко, так как она свя­ зана с большими материальными затратами, трудно осуще­ ствима и не всегда является необходимой. Чаще применяют ча­

стичную защиту, при которой допустимо появление небольших деформаций в подрабатываемых объектах, не ведущих к их разрушению и не влекущих за собой прекращение эксплуатации объектов, опасность для работающих и живущих в охраняемых зданиях и сооружениях, а также прорыв воды и затопление горных выработок. Последствия подработки при таком спо­ собе защиты сооружений обычно (при необходимости) устра­ няют послеосадочным ремонтом. Поэтому при решении вопро­ сов отработки запасов под застроенными территориями и природными объектами различают допустимые и предельные деформации земной поверхности (основания сооружений). При допустимых деформациях возникают относительно небольшие повреждения, которые не создают существенных препятствий дальнейшей эксплуатации сооружений по их прямому назна­ чению.

При деформациях, превышающих предельные значения, по­ вреждения столь велики, что могут привести к аварийному со­ стоянию сооружений, повлечь угрозу опасности для жизни лю­ дей. Для предотвращения таких последствий отработка запасов в условиях, при которых расчетные деформации превышают предельные значения, должна производиться с применением горнотехнических мероприятий, уменьшающих деформации зем­ ной поверхности до допустимых значений. Если этими меро­ приятиями не представляется возможным снизить деформации до допустимых значений, то дополнительно применяются кон­ структивные меры защиты.

В тех случаях, когда значения расчетных деформаций полу­ чаются больше допустимых, но меньше предельных, выемка угля ведется с применением горнотехнических или конструк­ тивных мер охраны, обеспечивающих безопасную эксплуатацию сооружения. В определенных условиях эти меры охраны при­ меняются совместно (комплексно).

Расчет ожидаемых деформаций земной поверхности произ­ водится по формулам, приведенным в гл. 14. При решении во­ просов подработки объектов одиночным пластом или первым пластом свиты расчет деформаций обычно не производится, а условия отработки запасов под объектом определяются так называемой безопасной глубиной разработки, т. е. глубиной, ниже которой горные работы не вызывают в сооружениях де­ формаций, более допустимых.

Безопасная глубина #б вычисляется из выражений

Значения /Се и /Сс для условий Донецкого бассейна

Угол падения пласта а, градус

где т — вынимаемая мощность пласта, м; [eg] и [%] — допусти­ мые для подрабатываемого объекта горизонтальные деформа­ ции и наклоны, выбираемые из соответствующих таблиц дей­ ствующих нормативных документов; К г и Кг — коэффициенты, отражающие зависимость деформаций земной поверхности от углов падения пластов и физико-механических свойств массива горных пород (табл. 28).

Из двух значений Нб, полученных по формулам (346) и (347), принимается наибольшее значение. В тех случаях, когда для объекта является опасным только один из указанных видов деформаций е или t, расчет безопасной глубины производится по формуле, в которой фигурирует этот вид деформаций.

Правилами охраны сооружений [108] допускается определе­ ние безопасной глубины для отдельных пластов свиты, как для одиночного пласта по формулам (346) и (347) в условиях, при которых разрыв во времени между отработкой пластов превы­ шает общую продолжительность процесса сдвижения, деформа­ ции от разработки каждого пласта меньше допустимых, а по­ вреждения, вызванные предыдущими подработками, полностью ликвидированы, а также в тех случаях, когда принятая схема и порядок отработки пластов не дают однозначного накопления деформаций.

При выборе мер охраны подрабатываемых объектов прово­ дят, как правило, технико-экономический анализ возможных вариантов. За базовый обычно принимают вариант оставления предохранительного целика, при этом сравнение производят с учетом действия фактора времени, т. е. с приведением затрат более поздних лет к текущему моменту. Это обусловлено тем, что потери полезного ископаемого в предохранительном целике вызывают сложную цепь последствий, которые экономически проявляются в полной мере лишь через определенное время.

Коэффициент приведения затрат Кп определяют из выра­ жения

где t — период времени приведения в годах; £„.„ = 0,08 — нор­ матив для приведения разновременных затрат.

При сравнении рассматриваемых вариантов охраны объек­ тов сумму экономии или ущерба по каждому учтенному фак­ тору умножают на соответствующий данному году коэффициент приведения затрат Кп. Экономию принимают со знаком плюс, ущерб — со знаком минус.

Вариант извлечения полезного ископаемого из предохрани­ тельного целика считают выгодным, если полученная сумма по­ ложительна. Опыт показывает, что дополнительные затраты на разработку и осуществление проекта горных или конструктив­ ных мер защиты в большинстве случаев несоизмеримо меньше ущерба от потерь полезного ископаемого в предохранительном целике.

§ 84. ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ МЕРЫ ОХРАНЫ

Основой профилактических мероприятий служит карта прогноза ожидаемых деформаций земной поверхности. На ней выделяют площади, не подверженные влиянию горных работ, или такие, где процесс сдвижения полностью закончился, т. е. площади, на которых строительство можно вести без ограниче­ ния. Остальную территорию разбивают на следующие участки:

1)участки с относительно небольшими деформациями, на которых молено располагать второстепенные, менее чувстви­ тельные к подработке здания и сооружения;

2)участки с затухающими деформациями, на которых

молено в блилеайшее время (после окончания процесса сдвиже­ ния) начинать строительство;

3) участки с интенсивными деформациями, где возводить здания и соорулеения в ближайшее время нецелесообразно.

На эти карты наносятся таклее выходы на поверхность тек­ тонических нарушений, осевых плоскостей складок, контактов слоев разной прочности и других ослаблений массива, где про­ исходит концентрация деформаций горных пород, поскольку со­ орулеения, распололеенные на этих участках, получают повреж­ дения на несколько порядков выше, чем соорулеения, располо­ леенные рядом. Установленные по данным геологической разведки места концентрации деформации уточняются инстру­ ментальными наблюдениями (если площадка подлелеит много­ кратной подработке и частично попадает в зону влияния горных работ до начала строительства) или трассировкой уступов и трещин с подработанных участков на площадки, подлелеащие застройке и последующей подработке.