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 σz = γz, а на стенки σx = 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