Исследование процесса активизации сдвижения горных пород и земной поверхности вследствие затопления горных выработок

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

A study of the revitalization process of displacement of rocks and earth's surface

due to flooding of mine workings Shubin A.1, Demenkov P.2 Исследование процесса активизации сдвижения горных пород и земной поверхности вследствие затопления горных выработок Шубин А. А.1, Деменков П. А.2

'Шубин Андрей Анатольевич /Shubin Andrey — кандидат технических наук, доцент; 2Деменков Петр Алексеевич /Demenkov Petr — кандидат технических наук, доцент, кафедра строительства горных предприятий и подземных сооружений, строительный факультет, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург

Аннотация: в статье представлены основные фазы изменения свойств грунта от действия воды. Показаны пути решения проблем проникновения подземных вод в выработки горнорудных предприятий.

Abstract: the main phases of change of properties of soil from effect of water are presented in article. Solutions of problems of penetration of underground waters into developments of the mining enterprises are shown.

Ключевые слова: критерий, деформирование, консолидация, породный массив. Keywords: criteria, deformation, consolidation, rock mass.

Успех проведения противокарстовых мероприятий во многом определяется изучением горногеологических условий, но в большей степени научно-обоснованным выбором технологических параметров процесса закладки и тампонажа пустот. При ликвидации карстов различных видов весьма важно достичь высокой степени заполнения пустот закладочным материалом, прекращения фильтрационных перетоков рассолов, упрочнения горного массива.

В результате инфильтрации поверхностных вод через толщи пород и предохранительный целик разрабатываемого рудного месторождения (характерная ситуация для соляных месторождений) в них образовываются зоны разуплотнения. Зоны разуплотнения характеризуются выносом водным потоком определенной фракции грунта в камеры. Поэтому в этих зонах наблюдается дефицит прочности или, по-другому, дефицит массы в определенном объеме. Такое явление, естественно, приводит к аномальным свойствам грунта; изменяется текстура, ухудшаются прочностные характеристики, увеличивается коэффициент фильтрации.

Обозначим некоторый объем грунта, в котором произошло разуплотнение через V0 Тогда в результате разуплотнения получаем дефицит массы:

km = (у0 -YiWo

0 I \ Г 0

где у0; У1 - плотность грунта до и после разуплотнения.

Явление разуплотнения грунта может считаться деконсолидацией. Причем разуплотнение может протекать в двух видах:

- с изменением только пористой структуры грунта;

- с образованием искусственной трещиноватости.

Вид разуплотнения определяется в основном структурно-механическими свойствами грунта, а также скоростью процесса разуплотнения.

Для первого вида разуплотнения введем параметр - коэффициент деконсолидации:

Кд -

У\

Наряду с дефицитом плотности он характеризует степень разуплотнения грунта и всегда больше единицы. Отметим, что коэффициент деконсолидации имеет предельное значение, когда внутренние связи грунта разрушаются, и он переходит в текучее состояние.

В зависимости от степени разуплотнения изменяются свойства грунта: пористость, прочность, проницаемость. Так, изменение пористости грунта можно получить, если записать:

Уу1 -Ус У у2 -Ус

« =-; «2 =—-

Ру Ру

Ап =Уу1 -Уу 2 Ру

где уу и ус - плотность грунта и плотность скелета грунта соответственно.

Деформация горных пород при действии растягивающих напряжений характеризуется пределом прочности на растяжение ср. Оценка сопротивления горной породы растяжению является довольно трудной задачей [1], поэтому необходимо пользоваться зависимостью между напряжениями сжатия и растяжения

/

= &сс%2

ж р

V 4 - 2

где ас - сопротивление одноосному сжатию; ф - угол внутреннего трения.

Воздействиям растягивающих напряжений порода противостоит своей связностью (сцеплением), которая зависит от степени взаимодействия частиц. В зависимости от прочности горные породы подразделяются на классы по степени сопротивляемости пород растяжению (таблица 1).

В зоне разуплотнения грунта коэффициент проницаемости увеличивается, грунт существенно обводняется, и за счет этого активизируется процесс суффозии.

Второй тип разуплотнения характеризуется образованием и развитием трещиноватости. Основной его характеристикой является коэффициент вторичной трещиноватости:

Таблица 1. Классификация пород по степени сопротивляемости растяжению

Свойства пород Степень сопротивления растяжению Характеристика пород

1) не сопротивляются растяжению 0 абсолютно сыпучая

2) сопротивление очень малое 1 сыпучая с кажущимся сопротивлением

3) сопротивление мало 2 частично связанная

4) средней сопротивляемости 3-4 связанная

5)сопротивляется 5-6 прочная

6) хорошей сопротивляемости 7-8 твердая

7) очень хорошей сопротивляемости 9-10 очень твердая а>100МПа

к = т

т

где т0 и т2 - скважность грунта до и после разуплотнения.

Отметим, что затопление выработанного пространства водами или рассолами неизбежно приведет к обводнению всего горного массива. При этом произойдет уменьшение его прочности - процессы деформирования и обрушения горных пород активизируются, что вызовет деформации земной поверхности.

Процесс активизации сдвижения горных пород и земной поверхности вследствие затопления горных выработок можно разделить на два этапа. На первом этапе идет затопление выработок на нижних горизонтах. Вследствие процесса сдвижения горных пород геомеханические процессы активизируются на других горизонтах, в карстовых зонах, и возможны провалы в зонах разуплотнения.

На втором этапе, если развитие обрушения горных пород из-за уменьшения прочности не достигло поверхности, при полном затоплении выработок уровень подземных вод будет расположен в толще массива. Это явление вызовет активизацию сдвижения грунтов в зонах разуплотнения и провалов на земной поверхности. Важным фактором, провоцирующим процесс активизации сдвижения, является увлажнение целика как подземными, так и поверхностными водами, в результате чего прочность горных пород уменьшается в 5-10 раз [2].

Анализ фактических экспериментальных данных, геомеханических процессов при затоплении угольных шахт подтверждает этапы деформации пород и поверхности [2]. Поэтому минимально допустимая глубина поднятия уровня подземных вод при затоплении рудника не должна превышать

100 м от минимальной отметки поверхности. При этом обязательным условием является тампонаж зон разуплотнения вязкопластичнымн глиноцементными растворами и закладка основных карстовых полостей гидросмесью на основе хвостов обогащения.

Подъем уровня затопления рудника вызовет выходы рассолов на поверхность и провалы по зонам разуплотнения. Причем зоны разуплотнения имеют взаимосвязь, поэтому возможно развитие последовательных провалов, которые вызывают проявление экологической катастрофы.

Для стабилизации зоны разуплотнения необходимо выполнить нагнетание в нее вязкопластичного раствора, при этом достигается увеличение прочностных и фильтрационных характеристик [3]. В разуплотненном пространстве в наиболее слабых местах происходит гидрорасчленение и заполнение определенного объема глиноцементным раствором, за счет этого происходит консолидация грунта. Причем глиноцементный раствор обладает высокими противофильтрационными свойствами, под действием давления Р происходит сжатие грунта, при этом меняется пористость от п1 до п2 и коэффициент пористости от е1 до е2. При небольших значениях уплотняющих давлений возможно пользоваться линейной зависимостью между коэффициентом пористости и изменением давления [4, 5]:

\йе = -аёР (е = -аР + А

где а, А - параметры линейной зависимости.

Литература

1. Технологические последствия закрытия угольных шахт Украины Монография / Под ред. Ю. Н. Гавриленко, В. Н. Ермакова. Донецк: Норд пресс. 2004. С. 631.

2. Рыжиков Ю. А., Волков А. Н., Гоголин В. А. Механика и технология формирования закладочных массивов. - М.: Недра. 1985. С. 191.

3. Мироненко В. А., Шестаков В. М. Основы гидрогеомеханики. - М.: Недра. 1974. - 296 с.

4. Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт / Э. Я. Кипко, П. Н. Должиков и др. - 2-е изд. - Днепропетровск: НГУ. 2004. С. 415.

5. Исследования параметров химического и электрохимического закрепления грунтов (Монография) / Шубин А. А., Должиков П. Н., Страданченко С. Г. Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009. С. 198.