42. Инженерно-геологические процессы и явления:

С проведением горных выработок первичное напряженное состояние и условия равновесия горных пород в массиве нарушается. Это происходит в результате перераспределения напряжений, приводящих к появлению очагов концентрации напряжений в одних местах и ослаблению в других. В условиях неоднородных в отношении структурно-механических характеристик массивов пород картина перераспределения напряжений представляется значительно более сложной.

В новой обстановке напряженного состояния, вызванной проведением выработок, горные породы деформируются тем интенсивнее, чем ниже их показатели прочности. При наличии вблизи выработок (в их кровле) высокопрочных пород они будут поддерживать вес вышележащих пород, и, таким образом, аккумулировать большие запасы потенциальной энергии деформирования пород.

Горно-геологические явления при подземных работах. Деформации вследствие нарушения естественного напряженного состояния массива при проведении горных выработок могут появиться сразу же после проведения выработки или же по истечении некоторого времени, необходимого для образования значительного пролета выработки, развитие необратимых деформаций (явления ползучести и релаксации) горных пород и изменения состояния и свойств самих горных пород в результате изменений механических условий деформирования, происходящих по мере развития горных работ, а также гидрогеологической обстановки, степени выветрелости пород и т.д.

Большинство горно-геологических явлений при подземных работах представляют собой результат действия сил горного давления. Подчиненное значение играют горно-геологические явления, возникающие в результате воздействия сил фильтрационного давления. К первой группе относятся сдвижения горных пород, пучение пород, отжим, горные удары и внезапные выбросы угля и газа и некоторые другие явления. Явления фильтрационного выпора, прорыва подземных вод и плывунов, суффозионного размыва пород и некоторые другие составляют вторую группу горно-геологических явлений.

Сдвижение горных пород – это сложный и многостадийный процесс деформирования подработанных горными выработками толщ горных пород. Начинаясь от выработки, они развиваются во всей покрывающей толщи, и могут дойти до поверхности, вызвав плавное едва заметное пригибание или же значительные, нередко резкие и неравномерные деформации, сопровождающиеся образованием трещин и обрушениями. Область массива, пришедшая в движение, образует зону сдвижения. Впадина, образовавшаяся на поверхности земли, называется мульдой сдвижения. Углы наклона линий, ограничивающих зону сдвижения от нетронутого массива, именуются углами сдвижения. Очень важными элементами сдвижения являются наибольшее оседание η_о, величина наибольшего горизонтального сдвижения ξ_max и наибольший наклон мульды η_max.

Пучение горных пород наблюдается на буроугольных месторождениях, месторождениях каменного угля и антрацитов. В результате пучения уменьшается поперечное сечение выработки, нарушаются крепление и шахтные пути. Иногда горная выработка полностью заполняется пучащейся породой.

Пучение в типичном виде проявляется в пластических глинистых породах, обладающих незначительным сцеплением и внутренним трением. Но на значительных глубинах разработок (до 1000 м и более) отмечается иногда подвижность пород почвы, отличающихся значительной прочностью и относящихся к группе полутвердых и даже твердых пород (глинистые сланцы, плотные и прочные аргиллиты и алевролиты). Борьба с ними ведется в основном с применением прочных, жестких и замкнутых крепей, а также выбором таких технологических схем и способов работ, которые обеспечивают максимальное снижение горного давления, быстрое проведение и крепление горных выработок.

Отжим горных пород и пластов угля. Эти явления наблюдаются в случаях, когда в кровле пласта развиты породы, допускающие прогиб без видимого нарушения сплошности, или же породы, опускающиеся крупными блоками. Отжим начинается со слабых прослойков угля или породы. Прочные породные прослои и включения, например в угольном пласте, резко снижают отжимаемость. Снижают отжимаемость и слабые породы кровли. Очевидно, что отжимаемости будут способствовать все факторы, повышающие горное давление на забой. Из горно-геологических факторов наибольшее влияние на отжим угля оказывают: система разработки и длина лав, взаиморасположение лав и скорость их продвигания, способ управления кровлей. Используя влияние этих факторов, на многих шахтах добились значительного повышения производства труда при зарубке угля.

Горные удары и внезапные выбросы угля и газа представляют собой грозную опасность при горных работах. Разрушение горных пород и угля при этих явлениях носит характер внезапного взрыва, сопровождающегося сильным гулом, сотрясениями и воздушным ударом. В результате крепь горных выработок повреждается или полностью разрушается, выработка заваливается выброшенной породой и углем, а породы кровли, ослабленные ударом, теряют свою устойчивость и часто обрушаются, заваливая выработку. Горному удару обычно предшествуют усиление горного давления на целики и крепь выработок, выпучивание почвы, выдавливание целиков и некоторые проявления горного давления.

Горные удары возникают при высокой прочности и жесткости вмещающих пород и способности их накапливать энергию упругой деформации. Они наблюдаются на участках максимальной концентрации напряжений и в момент мгновенного перераспределения последних при нарушении сплошности высокопрочных пород кровли, обычно в наиболее расслабленных зонах.

Интенсивная дислоцированность пород всегда благоприятствует данным явлениям. Внезапные удары большой силы наблюдаются в калийных рудниках и при извлечении оставленных целиков в угольных шахтах.

Внезапные выбросы угля и газа (метана, углекислого) приурочиваются к призабойным частям угольного пласта. В большинстве случаев они начинаются с глубины 250 м, однако, отмечены случаи и на меньших глубинах.

Угольный пласт подверженный внезапным выбросам, имеет рыхлое сложение, без кливажной трещиноватости и заключен в прочных горных породах (песчаниках, крепких глинистых и песчано-глинистых сланцах).

Горно-геологические явления при открытых разработках. Создающиеся при открытых разработках откосы подвержены различного рода деформациям. Многие из них, в особенности оползни, сильно затрудняют ведение горных работ, повышают себестоимость и потери полезного ископаемого. Вопросы устойчивости откосов приобретают большое значение в связи с дальнейшим развитием открытых работ в новых бассейнах и месторождениях, а также углублением действующих ныне карьеров. Особо остро встают вопросы устойчивости бортов угольных карьеров, так как массивы угленосных месторождений, как правило, сложены менее устойчивыми горными породами, чем массивы рудных месторождений.

В карьерах различают откосы временных (рабочих), нерабочих и отвальных уступов, а также откосы капитальных и разрезных траншей.

Абсолютно устойчивых откосов в природе нет, все они в той или иной мере деформируются. Поэтому можно говорить только об относительной устойчивости откосов. Откосы считаются относительно устойчивыми, если их деформация невелики и не вызывают выполнения сколько-нибудь значительных работ по уборке смещенных масс. При этом различают откосы краткосрочной и долговременной устойчивости. Откосы рабочих бортов относятся к категории краткосрочно устойчивых; их относительная устойчивость обеспечивает нормальное продвижение забоя и фронтальных работ в целом. Откосы нерабочих уступов и капитальных траншей должны отвечать условия долгосрочной устойчивости. Их относительная устойчивость должна сохраняться на протяжении всего срока службы карьера.

Оползни отличаются огромными объемами горных пород, участвующими в данном виде деформации. Можно различать оползни:

1) мелкие, когда объем оползневых масс измеряется сотнями и тысячами кубометрами;

2)средние, когда объем оползневых масс составляет десятки тысяч кубометров;

3) крупные, когда объем оползших масс составляет сотни тысяч кубометров;

4) очень крупные, когда объем оползших масс измеряется миллионами кубометров.

Главной отличительной чертой оползней является скольжение оползневых масс вниз по откосу по некоторой поверхности, получившей наименование поверхности оползания.

Обрушения и обвалы характеризуются быстрыми смещениями и падением крупных блоков и пачек пород, оторвавшихся от уступов и бортов карьера. При своем падении блоки и куски пород опрокидываются и дробятся на более мелкие куски и пачки. Обрушения нередко начинаются с оскользней по подрезанным откосам карьера поверхностям ослабления.

Осыпи происходят в форме смещения и падения мелких обломков и зерен пород, отделившихся в результате выветривания и растрескивания их. Осыпание пород, вызванное или усиленное действием вибрации (например, буровзрывными работами), называется осовами.

Оплывины. В условиях обводненности карьеров, в бортах которых развиты фильтрационно-неустойчивые породы, наблюдаются явления оплывания, суффозии, фильтрационного выпора и некоторые другие виды фильтрационного разрушения пород. Они особенно характерны для периода вскрытия и начальных стадий разработки месторождений, когда дренирующие действие обнаженных поверхностей карьера и водопонизительных устройств проявлялось еще не в полной мере. Оплывание пород относится к числу наиболее распространенных и важных видов фильтрационного разрушения откосов несцементированных и обводненных пород карьера. Оплывание зависит от гранулометрического состава пород. Языки оплывания могут достигать 5 м.