Исследование осадки толщ горных пород в натуральных условиях
|
При изучении явления оседания толщ горных пород под влиянием глубокого водопонижения проводится комплекс полевых наблюдений, позволяющих исследовать процесс деформирования горного массива и земной поверхности. Состав наблюдений зависит от конкретных задач, однако обязательными являются наблюдения за осадкой отдельных слоев пород и за оседанием земной поверхности. Впервые в отечественной горной практике такие наблюдения были проведены ВНИМИ на Яковлевском железорудном месторождении КМА, где в 1960—1961 гг. осуществлялось опытное снижение напоров подземных вод в известняках карбона, залегающих в кровле рудно-кристаллического массива, на глубине 450 м от поверхности. Наблюдения показали, что при понижении уровня воды в известняках на 200 м оседание земной поверхности в центре депрессионной воронки составило 50 мм; осадка произошла за счет упругого сжатия известняков и уплотнения контактирующих с ним глин бат-байосса. Восстановление напора подземных вод после прекращения откачки вызвало поднятие земной поверхности примерно на 26 мм. В более широком масштабе были проведены исследования процесса деформирования пород и земной поверхности на Южно-Белозерском месторождении, где производство глубокого водопонижения было совмещено во времени со строительством шахтного комплекса. Наблюдения, выполненные ВНИМИ совместно с маркшейдерской службой ЗЖРК (впоследствии — лабораторией сдвижения при ЗЖРК) в 1963—1968 гг., дали возможность получить: - величины деформации земной поверхности; - осадку и деформации пород в массиве; - величины деформаций крепи и искривления стволов; - представления о характере деформирования горного массива и земной поверхности. Для наблюдения за деформацией земной поверхности была использована наблюдательная станция, состоящая из 7 профильных линий общей протяженностью порядка 17 км и включающая более 250 грунтовых реперов, по которым периодически производилось нивелирование III класса. В начальный период наблюдений в качестве опорных использовались реперы государственной геодезической сети III класса, удаленные от наблюдательной станции на 4,3 и 7,3 км. В дальнейшем в качестве опорных использовались реперы, заложенные в рудничных дворах в крепких кристаллических породах; при этом передача отметок на грунтовые реперы осуществлялась с помощью длиномера ДА-2.  Результаты наблюдений за оседанием земной поверхности характеризуются табл. 31 и рис. 93. Анализ результатов этих наблюдений позволил сделать следующие выводы: - мульда сдвижения земной поверхности, вызванного водопонижением, имеет площадь, значительно превышающую размеры шахтного поля; - характер деформирования: земной поверхности на месторождении определяется сочетанием условий залегания мергельномеловых пород и распределения понижений уровня подземных вод по площади месторождения: максимальное оседание отмечалось на участках с большой мощностью мергельно-меловых пород. Наибольший наклон земной поверхности (4,5х10в-3) наблюдался на участке, приуроченном к лежачему боку рудной залежи, где мергельно-меловые породы резко выклиниваются; - имевшие место горизонтальные деформации не опасны для гражданских и промышленных зданий, однако деформации земной поверхности могут оказывать вредное влияние на безнапорные канализационные сети (если их уклон противоположен наклону земной поверхности); - шахтные стволы, оказавшиеся в краевой части мульды сдвижения (центральная группа стволов и северный вентиляционный ствол), помимо деформации сжатия претерпевают наклон (искривление) к центру мульды; максимальное смещение устьев стволов в 1967 г. составило 200—250 мм; - заметные оседания земной поверхности появились не синхронно с началом водопонижения, а лишь после того, как понижения уровня превысили 50—60 м. Для наблюдений за деформацией пород в толще использовался метод радиоактивных изотопов. В скважину глубиной 280 м были заложены радиоактивные реперы с таким расчетом, чтобы по их перемещениям можно было судить об осадке отдельных слоев пород, в слоях глин, для определения размеров сжимающейся части слоя (активной зоны), вблизи контактов с водоносными горизонтами закладывались по 2—4 репера на расстоянии 2—3 м друг от друга. Радиоактивные реперы представляют собой стальные пульки, начиненные радиоактивным веществом — кобальт-60. Путем застрелки специальным снарядом пульки-реперы были закреплены в стенках скважины на глубине 10—15 см. Перемещение пулек-реперов в массиве устанавливалось с помощью точечного гамма-каротажа, при этом расстояния до реперов измерялись длинномером ДА-2.  Анализ результатов наблюдений показал, что относительные перемещения реперов отмечены лишь с глубины 234 м, что отвечает отметке +5 м относительно кровли бучакских песков. Одновременно с этим проводились наблюдения за деформацией крепи в шахтных стволах. Многолетние наблюдения показывают, что основные деформации сжатия происходят в меловых отложениях и в меньшей степени — в породах бучакского яруса. Результаты натурных наблюдений за деформациями земной поверхности и толщи горных пород использовались для определения коэффициентов сжимаемости пород (табл. 32).  Кроме того, установленная по результатам наблюдений мощность сжимающейся части киевских глин (не более 5—6 м) позволяет оценить начальный градиент фильтрации для этих пород; при понижении уровня в бучакском горизонте на 170 м начальный градиент для киевских глин характеризуется величиной не менее 30. В последней строке табл. 31 приведены прогнозные конечные осадки земной поверхности для различных участков Южно-Белозерского месторождения, рассчитанные в 1968 г. на основе коэффициентов сжимаемости, приведенных в табл. 32. Сравнение расчетных величии осадки с фактическими данными по состоянию на октябрь 1973 г. подтверждает высокую надежность прогноза в данном конкретном примере. Для натурного изучения консолидации глинистых толщ в связи с глубоким водопонижением, а также в процессе сдвижения горных пород при подземной отработке месторождений представляется также перспективным использование датчиков порового давления, закладываемых в скважины. С помощью таких датчиков можно получить сведения об изменении порового давления в глинистых слоях, подстилающих и перекрывающих опробуемый откачкой водоносный горизонт. Эти сведения могут быть использованы для определения коэффициента сжимаемости пород и начального градиента фильтрации. |
