Горное давление и сдвижение горных пород

В рассмотренных склоновых процессах действие силы тяжести как основной причины вполне очевидно. Она также проявляется в провалах горных пород в полости и пустоты, образующиеся при карсте, суффозии, прорывах плывунов. Но имеются обширные области хозяйственно-строительной деятельности человека, когда в массивах горных пород целенаправленно создаются полости и пустоты значительных размеров. Это добыча полезных ископаемых в шахтах и рудниках со всем их подземным хозяйством; применительно к строительству это тоннели различного назначения (транспортного, гидротехнического и др.), подземные хранилища и другие сооружения. В частности, современное развитие городов связывается во многом с освоением подземного пространства. Условия для проявления действия силы тяжести возникают при создании в толще горных пород свободного пространства – проходке выработки. Что при этом происходит?

Пусть на глубине z от поверхности пройдена выработка АБВГ (рис.12.3); общепринятые в горном деле названия ее элементов: АГ – почва; БВ – кровля; АБ и ГВ – стенки. До проходки имеет место естественное напряженное состояние: на кровлю действует напряжение σ_z = γz, а на стенки σ_x = ξγz, где ξ – коэффициент бокового давления, меняющийся от 0 до 1 при отсутствии тектонических напряжений; при наличии их возможны значения ξ > 1. После проходки выработки нормальные напряжения в точках контура станут равны нулю, отчего они (точки контура) получат некоторое смещение внутрь выработки. Вследствие этого в прилегающей к выработке зоне произойдет разуплотнение горных пород. Далее, напротив, напряжения возрастают (это зона опорного давления) и только затем напряжения снижаются до природных, имевших место до проходки выработки.

Влияние описанного изменения НДС массива на выработку называют горным давлением. Рассмотрим его проявления для двух крайних случаев.

1. Массив горных пород однородный и сложен прочными слаботрещиноватыми породами. Смещения точек контура выработки, как и во всей зоне разуплотнения, происходят в виде упругих деформаций разгрузки и соответственно практически мгновенно (со скоростью звука); по величине они незначительны (первые мм). Проходка может вестись без крепления и в таком незакрепленном виде выработка может оставаться надолго.

Рис. 12.3. Изменение НДС массива горных пород при проходке выработки: 1 – зона разуплотнения и падения напряжений;

2 – зона повышенных напряжений

2. Массив г.п. сложен рыхлыми песчано-глинистыми породами. Смещения пород при проходке будут значительные и сопровождаться вывалами и обрушениями пород в кровле и стенах, а часто еще выпучиванием почвы.

В первом (благоприятном) случае говорят, что горное давление мало; во втором, наоборот, велико и условия неблагоприятные. Проходка выработки должна сопровождаться немедленным ее креплением. При несвоевременном креплении или недостаточной его жесткости процесс смещений в массиве, называемый сдвижением горных пород, будет распространяться вверх на всю мощность толщи пород над выработкой. В результате на поверхности образуется понижение – мульда сдвижения. Здания, оказавшиеся в ее пределах, испытывают неравномерные деформации и могут быть повреждены вплоть до разрушения. Проблема сдвижения г.п. особенно актуальна для территорий с большим количеством подземных выработок – шахт, рудников: Донбасс, Кузбасс, КМА, Подмосковный угольный бассейн и др. Такие территории называются «подрабатываемыми» и условия строительства на них сильно усложняются. В таком положении находятся участки городской территории над тоннелями метро и известны случаи деформации зданий на этих участках.

Таким образом, при подземных работах возникают два важных явления, или процесса – горное давление и сдвижение горных пород. Оба процесса относятся к инженерно-геологическим, так как развитие их и проявления зависят как от свойств массива г.п. (от всех факторов, которые в совокупности мы ранее характеризовали как инженерно-геологические условия), так и от технологии проходки выработки и применяемого крепления. Прогноз указанных процессов – важная задача ИГИз для подземного строительства.

Лекция 13. Геологические процессы, обусловленные действием отрицательной температуры