Оценка возможности прорывов подземных и поверхностных вод горизонтальные и наклонные горные выработки

П

орыв воды является одним из важнейших видов фильтрационных деформаций, которые происходят наиболее часто при строительстве подземных сооружений в относительно водоупорных породах при не-сниженных напорах в соседних горизонтах. В результате подчас оказываются затопленными или заполненными суспензиями километры подземных выработок. Прорывы воды - явление катастрофическое, приводящее к затоплению, запесочиванию подземных выработок, потере горной техники и выходу из строя на продолжительный срок участков подземного объекта.

Основными причинами возникновения прорывов являются:

• недостаточный объем работ по дренажу водосодержащих пород в пределах выемки;

• нарушение технологических режимов производства строительных работ (обрушение пород в незакрепленной зоне подземной выработки, несвоевременное сооружение дренажных скважин, ввод сооружения в эксплуатацию при недостаточной осушенности участков разработки);

• неблагоприятный геологический разрез и литологический состав пород, слагающих участок ведения горно-строительных работ (преобладание мощных слоев песчаников, известняков, отсутствие мощных слоев глинистых пород и др.);

• внезапное вскрытие выработками различных геологических нарушений, участков, на которых отсутст-

Рис. 1. Схема нагружения пористых пород в зоне опорного давления 1 - график изменения порового давления в линзе пористых пород; 2 - зависимость опорного давления р от расстояния до забоя L на глубине Н; 3 - зона пород, временно находящихся в состоянии упругого сжатия; 4 - зона пород с нарушенной структурой; 5 - участок возможного прорыва разжиженной породы в зонах ослабления кровли выработки; 6 - участок возможного прорыва воды с частичным выносом материала из слабосцементированных пород в зонах ослабления кровли выработки; 7 - подготовительная выработка; 8 - очистной забой; 9 - граница зоны трещин в кровле выработанного пространства; 10 - кровля пласта

вует сплошность водоупорных слоев;

• недостаточная устойчивость горных пород в подземном сооружении на горизонте подработки водного объекта при его небольшой глубине, значительные обрушения горных пород в выработках;

• недостаточная кратность подработки (отношение глубины подработки к выемочной мощности пласта);

• недостаточная мощность покровных отложений, перекрывающих водопроводящие породы;

• обнаженность в пределах чаши водохранилища коренных водопроводящих пород (песчаники, песчанистые сланцы, известняки);

наличие в чаше водохранилища разведочных скважин, старых шурфов, сбоек, провалов поверхности и других точек, имеющих связь с подземным сооружением.

Оценка возможности, прорывов воды или водопроводной смеси в подземные сооружения предполагает только учет прямой связи выработок подземного объекта с существующими аккумуляторами воды или стимулирования такой связи фильтрационными деформациями и нарушениями сплошности экранирующих пород при естественных гидростатическом и горном давлениях. Однако, при горно-строительных работах в толще песчано-глинистых пород с полным или частичным обрушением кровли выработок, прорывы могут быть связанны со сложными гидрогеомеханическими процессами непосредственно в подработанном массиве, так называемыми «наведенными сдвижениями», которые можно выделить в три основных группы:

- прорывы воды и породы из водопроницаемых слоев, в которых под влиянием опорного давления развиваются повышенные напоры, приводящие к нарушению равновесия водоупорных экранирующих пород или к гидроразрыву.

Прорывы этого типа связаны с разрушением водоупорных пород между выработкой и водоносным слоем с повышенным давлением воды, которое возникает при ее отжатии из пористых пород, уплотняющихся в зонах опорного давления. Интенсивность роста давления воды тем больше, чем меньше проницаемость окружающих пород и протяженность водоносного слоя в плане. Оно может возрастать до величины опорного давления и даже превышать ее, что создает угрозу

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

I

нарушения устойчивости или гидроразрыва разделяющего упора поперек слоистости (рис. 1). В результате пески или слабые песчаники прорываются подобно вязкой жидкости в кровле или почве выработок на участках с недостаточной прочностью экранирующих слоев. Наиболее вероятны такие прорывы из линз пористых песков, окруженных слабопроницаемыми глинистыми породами, при естественном или техногенном ухудшении экранирующих свойств последних;

- прорывы из различных аккумуляторов воды по водопроводящим трещинам, осложненные размывом пород и выносом рыхлого материала вдоль трещин.

Прорыв этого типа начинается при поступлении воды из любых аккумуляторов ее в массиве горных пород или на поверхности, вскрытых техногенной зоной водопроводящих трещин. На последующих фазах вода может интенсивно размывать слабые песчаноглинистые породы по стенкам трещин и выносить их в выработки подземного объекта. Такой вынос породы из зоны обрушения равносилен увеличению вынимаемой мощности пласта и вызывает рост зоны водопроводящих трещин и водопритока из уже дренируемых или новых аккумуляторов воды. Попадающие в зону влияния опорного давления «разжиженные» песчаноглинистые породы, могут также прорываться по водопроводящим трещинам в зону обрушения, а затем к выработкам подземного сооружения;

- прорывы воды из полостей расслоения над выработанным пространством.

Такие прорывы возникают при управлении обрушением, когда оседание подработанного массива происходит с разделением на группы слоев, деформирующихся самостоятельно [1]. При этом между быстро оседающей непосредственной кровлей и основной кровлей образуются полости расслоения. Вода, отжимаемая из зоны опорного давления и фильтрующаяся из этих слоев, поступает в полости расслоения и смачивает трещины сдвижения, возникающие в непосредственной кровле. Если непосредственная кровля содержит слои глинистых пород, способных набухать, то трещины в них могут закрываться и создавать условия для накопления в полостях расслоения воды, угрожающей прорывом.

Если технология горно-строительных работ предусматривает зависание основной кровли на весь период работ, то прорывоопасные условия возникают при напорах в полости расслоения, соответствующих среднему градиенту в зоне водопроводящих трещин порядка 1,5. Если основная кровля зависает временно, то прорывы могут возникать в периоды ее оседания, при этом напор в полости расслоения резко возрастает до величин, соответствующих весу пород основной кровли. Возникновение высоких градиентов напора может привести к гидроразрыву и размыву закрытых набуханием трещин с последующим прорывом воды в подземное сооружение, что характерно для краевых зон, где изгиб подработанных слоев максимален. После выхода воды из полости расслоения и снижения в ней напора, повторное набухание может сопровождаться новым накоплением воды и повтор-

ным прорывом. При этом возможен размыв песчаноглинистых пород в зоне обрушения.

Факторы, определяющие возможность прорывов подразделяются на:

природные, т.е. наличие в толще горных пород и распространение в плане песков или слабосцементи-рованных песчаников, мощность и прочностные характеристики экранирующих глинистых пород, величины напоров в водоносных горизонтах и породах;

техногенные, которые определяются принятой системой разработки, способом управления кровлей, скоростью продвижения горно-строительных работ, типом обделки выработок подземного сооружения.

Эти факторы предопределяют такие параметры, как высота зоны водопроводящих трещин; степень, концентрация и распределение опорного давления вокруг подземного объекта; режим давления воды в зонах опорного давления вокруг выработок и на прилегающих участках.

Сопоставление количественных характеристик этих параметров позволяет выделить на плане горностроительных работ прорывоопасные участки и наметить комплекс мероприятий инженерной защиты.

Аварийные прорывы воды или горной массы (рыхлых водонасыщенных грунтов, обладающих плывунными свойствами) - это внезапное и усиленное поступление их в выработку, которое происходит в результате самопроизвольного либо принудительного разрушения водоупорных пород, перемычек, обвалов-ки и коммуникаций [2].

Подавляющее большинство аварийных прорывов приходится на строительство метрополитенов (84 %), что соответствует объему работ, выполняемых на этих объектах.

Характерным примером аварийного прорыва является прорыв воды в перегонный тоннель на участке от станции “Проспект Просвещения” метрополитена Санкт-Петербурга в 1988г. Вмещающими породами для этого 6-метрового (в диаметре) перегонного тоннеля служили протерозойские глины мощностью 2,5 м; перемятые глины (2 м); моренные отложения (0,3 м); обводненные пески, мощностью 3,5 м и залегающие в виде линз. Снятие гидростатического напора из линз песков и перемятых глин осуществляли водопонижением. Забой правого тоннеля находился в 4,5м от ледогрунтового массива, левого - с отставанием 60 м, его разработку не проводили [1].

В соответствии с проектом в целях безопасности строительства до начала проходки была возведена защитная перемычка с затвором (рис. 2-а), а впоследствии сооружен временный затвор. Аварийная ситуация в правом перегонном тоннеле проявилась в виде нарастания горного давления, вывала грунта в сводовой части забоя высотой 1,5 м, поступления воды в тоннель по образовавшимся в протерозойских глинах трещинам.

Последние четыре кольца обделки, смонтированные перед забоем получили деформации в сводовой части и были частично разрушены. Прорыв в тоннель водопесчаной смеси привел к заводнению ею пространства вплоть до временного затвора с железобетонным упором, предусмотренным проектом (рис. 2-б). Временный затвор был закрыт и в изолированную зону длиной 114,6 м начали подавать воду и сжатый воздух. При давлении 0,28 МПа через нижнюю часть железобетонной перемычки затвора в изолированной зоне произошел прорыв воды и сжатого воздуха. Осмотр, проведенный после снятия давления и спуска около 750 м воды показал, что высота вынесенного песка у забоя достигла 1,2м, а протяженность выноса

- 99 м. Со стороны изолированной зоны у затвора была сооружена временная перемычка высотой 0,6 м из мешков с цементом, смешанным с паклей и бентонитовой глиной. После этого затвор был вновь закрыт, а с наружной стороны изолированной зоны возведен бетонный упор (рис. 2-в).

Одновременно с окончанием подготовки к закрытию постоянного затвора правого перегонного тоннеля производили усиление перемычек, отделяющих выра-

Рис. 2. Схемы участка метрополитена ст. «Просвещение»

а) схема выработок шахты

1 - место прорыва; 2 - лоб забоя; 3 - временный затвор; 4 -правый перегонный тоннель; 5 - постоянный затвор; 6 - перемычка; 7 - действующий участок метрополитена; 8 - ствол шахты; 9 - левый перегонный тоннель; 10 - временный затвор

б) схема упора на временном затворе в правом перегонном тоннеле

1 - затвор; 2 - бетонный упор

в) схема установки временного подкрепления железобетонной перемычки в тоннеле со стороны действующего участка

1 - действующий участок; 2 - перемычка; 3 - брус 200х200; 5 -щебень упора

ботки строящегося тоннеля от действующего метрополитена. В изолированной зоне был установлен манометрический контроль за давлением воды. Через двое суток в асфальтовом покрытии улицы появились трещины, из дренажной трубы в своде потекла вода, давление которой достигало 0,1 МПа. На поверхности образовалась воронка диаметром 15 и глубиной 12-14 м. Давление в изолированной зоне на этот момент составляло 0,58 МПа. В течение трех дней воронка на поверхности была засыпана, давление в изолированной зоне в течение четырех суток снизилось до

0,4МПа и стабилизировалось.

Причиной данного катастрофического прорыва воды и водопесчаной смеси явилась повышенная трещиноватость коренных глин, которая привела к непрогнозируемому вывалу при разработке сводовой части, резкому ослаблению защитной кровли грунтов и быстрому развитию горного давления с последующим увеличением вторичной трещиноватости оставшейся толщи породы до водоносной линзы. Вода проникла в глинистые грунты и в забой, что вызвало вначале обрушение коренных глин, а затем и вынос воды с песком.

Причиной затопления строящихся тоннелей могут быть не только подземные, но поверхностные воды, а также интенсивные атмосферные осадки. Это особенно характерно для тоннелей, сооружаемых открытым способом.

Так, на два месяца были остановлены работы по строительству ускорителя элементарных частиц в штате Техас (США.) в связи с затоплением технологической шахты ливневыми водами зимой 1992 г. [2]. Проходку главного тоннеля-ускорителя диаметром 5м возобновили только после сооружения дополнительной шахты глубиной 80 м эллиптического сечения размером 19,2х10,2 м.

Приведенные примеры наглядно демонстрируют взаимовлияние природных и техногенных факторов, определяющих возможность катастрофических прорывов и позволяют проследить закономерности в работе системы «подземное сооружение - породный массив - технология»

Нормальные горно-технологические и безопасные условия работы в горизонтальных и наклонных выработках подземного сооружения о точки зрения защиты от подземных вод достигается выполнением различных операций, которые можно выделить в 3 группы:

1. Вокруг объекта или его части создается заградительный контур, представляющий собой систему дренажных устройств, имеющих непосредственную гидравлическую связь с водоносными горизонтом, участвующем в обводнении. Притекающие к объекту подземные воды улавливаются дренажной системой и отводятся за ее пределы. Эта операция носит название дренажа.

2. Вокруг объекта или его части в зоне водоносного горизонта создается искусственная преграда, исключающая приток подземных вод. Такая преграда называется ограждением или противофильтрационной завесой (ПФЗ).

3. По контуру объекта или в его центре создается система специальных устройств, вскрывающих водоносный горизонт. По ним в водоносный горизонт, участвующий в обводнении, нагнетается сжатый воздух, который оттесняет воду из полости ведения строительных работ. Подобная мера называется оттеснением.

Эти три группы подразделяются на мелкие подгруппы, детализирующие способы защиты выработок

от прорывов подземных вод (табл. 1). Каждый из способов не является универсальным и обладает своими недостатками, достоинствами и областью применения.

Притоки воды из подрабатываемых водных объектов связаны с деформациями массива горных пород, нарушенного горно-строительными работами. Следовательно, уменьшить или исключить притоки водных масс в подземные сооружения можно путем уменьшения деформаций подрабатываемого породного массива, т.е. применением таких систем разработок и способов управления кровлей, при которых не происходит прогиба и обрушения пород кровли. Правильный подбор системы разработки также включается в мероприятия инженерной защиты подземного объекта от прорыва водных масс. В качестве примера приведены несколько систем разработки, их достоинства и недостатки с экологической точки зрения. Эти способы также не являются универсальными и находят свое применение для конкретных условий или в комплексе с другими показанными мероприятиями.

РЫ

1. Момчилов В.С. Защита шахт от подземных вод. - М.: Недра, 1989

2. Власов С.Н., Маковский Л.В., Меркин В.Е.. Аварийные ситуации при

строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов. -М.: ТИМР, 1997, 180с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУ-

3. Шиман М.И. Предотвращение затопления калийных рудников. М.: Недра, 1992

!||р;о;о;о;о;о;о;о;о;о;о;о;о;о:о:о:о;о:,. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..

Куликова Елена Юрьевна кандидат технических наук, доцент,

кафедра «Инженерная защита окружающей среды», Московский государственный

горный университет