В. А. Мироненко динамика ползших поп московский

Рис. 8.1. Схема расчета эффективных напряжений вблизи откоса

3. 
   Фильтрационные деформации пород вблизи горных выработок
   

Гидродинамическое давление является причиной механическо­го выноса отдельных фракций раздельнозернистых грунтов или на­рушения их структуры в целом. Соответствующие деформации мас­сива горных пород принято называть фильтрационными [22 ]. Не­редко они приводят к нарушению устойчивости горных выработок.
Рассмотрим простейшую задачу о равновесии элементарного объема несвязного грунта на поверхности затопленного фильтрую­щего откоса (рис. 8.2). Составим уравнение действующих сил — веса G, силы взвешивания Р_в, силы трения F_mp и гидродинамического давления Ф; учитывая, что последнее направлено в дан­ном случае перпендикуляр­но откосу (кстати, почему?) и стремится, таким образом, к выпору грунта, получаем следующее условие предель­ного равновесия:

(Рп-\-Я)йР=Ъ
(8.3)
ще р — угол трения;
знаками п и Т обозначены состав­ляющиеся!, нормаль- Рис. 8.2. Схема оценки подводного вы- ные и касательные
пора грунта к откосу.
Помня, что для единичного объема грунта \G— т_в\ =у_в, а IФI =у₀/, приходим к равенству
(у_в cos а_п-у₀1)tgp=Y_e sin а_п, <8.4)
где а_п — предельный угол откоса, устойчивого на выпор.
Таким образом, для определения предельного угла (Х_п необходи­мо знать градиент фильтрации вблизи откоса, который можно пред­варительно получить на профильной бумажной модели.
Более сложный характер приобретают фильтрационные дефор­мации на незатопленном откосе (рис. 8.3). Здесь, наряду с выпором, развивается процесс сноса частиц грунта с поверхности откоса под­земными водами, вытекающими на эту поверхность. Процесс этот называемый оплываникем откоса, в конечном счете и определяет его устойчивый профиль, в частности, предельную длину языка оплыва­ния 1_опл. Теорией доказано [22 ], что величина 1_опл для данного грунта однозначно определяется удельным притоком к откосу д_а, который и является, таким образом, основным исходным параметром для про­гноза деформаций.
Для подземных горных выработок одну из наиболее опасных фильтрационных деформаций представляет собой прорыв подзем­ных вод через водоупорный защитный слой. Например, для горизон­тального штрека (рис. 8.4) предельное условие равновесия для приз­мы ABCD имеет вид
^ ^{+ 7}'тр⁼^» (8.5)
масса призмы ABCD;
где G -
F -
_mp
Г ■
силы трения по боковым граням АС и BD;
равнодействующая сил гидростатического давле­ния по грани CD.

Рис. 8.3. Схема оплывающего откоса:
I - первоначальное положение откоса; 2 - оплывающий песок



Рис. 8.4. Схема оценки возможности прорыва подземных вод в штрек
Отсюда получаем предельное значение напора, отвечающее ус­ловию начала прорыва:

(8.6)
где Х_с — удельное сопротивление породы сдвигу;
у_п — объемный вес водоупорных пород, имеющих мощность т_в.
Итак, для оценки возможности прорыва необходимо знать ожи­даемый напоры по трассе штрека.

4. 
   Изучение деформаций горных пород над выработанным пространством
   

При сплошной выемке полезного ископаемого без последующей закладки вышележащие горные породы смещаются в сторону выра­ботанного пространства (рис. 8.5). Ближайшие к нему слои (зона а) обрушаются в беспорядке, выше — толща прогибается плавно и со­храняет слоистое строение, но в нижней ее части образуются трещи­ны как вертикальные (секущие), так и расслоения, идущие вдоль напластования (зона б на рис. 8.5). Проницаемость пород здесь резко увеличивается по сравнению с естественной, что требует всесторон­него учета при выемке полезного ископаемого под реками и водоема­ми, способными обеспечить катастрофические водопритоки в шахту через вертикальные техногенные трещины. Выше располагается зо­на (в) пород, практически не изменяющих своей вертикальной про­ницаемости.

Рис. 8.5. Схематический разрез подработанной толщи горных по­род
Для угольных месторождений, например, где характерно частое чередование водоносных и водоупорных слоев, в подработанной тол­ще можно выделить две основные зоны: верхнюю, где образуются лишь трещины расслоения и гидравлическая связь с выработанным пространством практически отсутствует , и нижнюю, где образуются также водопроводящие трещины, пересекающие подоупоры и обес­печивающие прямую связь водоносных слоев с горными выработка­ми. Понятно, что определение в натуре верхней границы зоны водо­проводящих трещин (ЗВТ) имеет большое практическое значение - прежде всего для установления безопасной глубины ведения горных работ под рекой или водоемом. Опыт показывает, что с наибольшим эффектом здесь могут использоваться специальные гидрогеологиче­ские исследования; остановимся на некоторых из них [9 ].
S Метод наблюдений за напорами основан на том, что в пре- ВТ водоносные слои, дренируясь в выработанное пространст­во, снижают свои напоры, в то время как выше ЗВТ напоры остаются практически неизменными. Таким образом, имея ряд пьезометров, оборудованных на различные слои, можно определить верхнюю гра­ницу ЗВТ. Метод, однако, пригоден лишь при достаточно частом переслаивании водоносных и водоупорных пород, важно также, что он требует большого объема буровых работ.
[~2] Метод сравнения удельных водопоглощений¹ основан на сопоставлении данных опробования (нагнетаниями) отдельных изо­лированных интервалов скважины до и после выемки полезного ис­копаемого. За верхнюю границу ЗВТ принимается тот интервал, где в обоих случаях получены близкие результаты. В отличие от пред-; идущего метода данный подход может быть использован и в «сухих» слоистых толщах. Однако у этого метода есть серьезный недостаток: разница в значениях удельного водопоглощения может вызываться не только вертикальными трещинами, но и трещинами расслоения; поэтому установленная высота ЗВТ может оказаться резко завышен­ной.
ГЗ] Метод расходометрического каротажа выявляет зоны при­тока и оттока воды в скважинах и позволяет зафиксировать даже очень тонкие трещины, сообщающиеся с выработанным пространст­вом и встреченные скважиной непосредственно или через трещины расслоения. Характерная расходограмма для скважины, пересекаю­щей верхнюю границу ЗВТ, показана на рис. 8.6 [9 ] в виде графика изменения расхода в стволе скважины Q по глубине z.
|~4] Метод наблюдений за норовым давлением в породах слабопроницаемых слоев базиру­ется в общем на том же принципе, что и первый метод. Однако на­блюдения ведутся не по открытым пьезометрам, которые оказыва­ются здесь излишне инерционны­ми, а по датчикам порового давле­ния (см. раздел 5.4), устанавлива- ; емым в отдельные изолированные интервалы одной и той же скважи­ны вдоль мощности слабопрони-
J5* цаемого пласта. Этот метод наибо­лее эффективен для оценки за­щитных свойств мощных водб- Рис. 8.6. Характерный график упорных пластов, тем более что он расходометрического карота- позволяет зафиксировать и вос- жа, скважины в подработанном становление этих свойств в ре-