Основы инженерной геологии

Инженерная геология изучает - грунты - основания фундаментов инженерных сооружений, среда и материал для их возведення. и инженерно-геологические процессы и явления. Необходимо изучить и оценить инженерно-геологические свойства пород (физических, механических, водных, коллоидно-химических).

В зависимости от прочности, трещиноватости, выветрелости, липкости грунтов выбирают технологию и способ ведения горных работ. Для оценки водопритоков в горные выработки, а также эффективности работы водопонижающих систем определяют фильтрационные свойства грунтов. Расчет устойчивости сводов подземных выработок проводится на основании показателей прочности грунтов на сдвиг и разрыв. Состав, структура и текстура определяют качество грунтов при их использовании.

Для оценке грунтов принята инженерно-геологическая классификация.

5.1 Инженерно- геологическая классификация грунтов

На основании вышеперечисленных показателей грунты делят на группы:

а) скальные грунты – породы с жесткой связью между зернами, залегающие в виде сплошного массива. Высокопрочные, не сжимаются, предел прочности на сжатие у магматических пород 800-3500 кГс/см², метаморфических - 400-2500 кГс/см², у осадочных – 200-1200 кГс/см². Водопроницаемость зависит от трещиноватости и пористости. Монолитные породы водонепроницаемые.

б) полускальные грунты - трещиноватые и выветрелые скальные осадочные и метаморфические горные породы. Нерастворимые полускальные грунты - опоки, трепелы, диатомиты, алевролиты, аргиллиты, глинистые и некоторые сланцы. Растворимые грунты - гипсы, ангидриты, трещиноватые известняки и доломиты, каменная соль, известковые туфы. Предел прочности на сжатие 50-500 кГс/см². У выветрелых, трещиноватых и закарстованных разновидностей он снижается до 20-25 кГс/см². Водопроницаемость обусловлена пористостью, трещиноватостью и кавернозностью.

в) грунты с мягкими структурными связями - осадочные глинистые, пылеватые породы (глины, суглинки, лёсс, супеси), илы. Свойства зависят от размера и состава зёрен, структуры и текстуры. Пористость до 50-60 %, водопроницаемость низкая. Свойства зависят от влажности (набухание, пластичность, липкость, просадочность).

г) грунты без структурных связей. Рыхлые, несвязанные грунты (гравий, галечник, дресва, щебень, различные пески). Прочность обусловлена силами трения, пористостью, размерами, формой, составом обломков и уменьшается при увлажнении, слабосжимаемы, не пластичны, могут переходить в плывуны, водопроницаемы, не влагоемки, обладают капиллярными свойствами. Пористость их 35-50 %, угол внутреннего трения 30-35.

д) искусственные грунты - на месте поселений человека и при инженерной деятельности человека (терриконы, грунты в теле дамб, насыпей, шлаковые отходы). Связные, слабосвязные.

5.2 Инженерная геодинамика изучает геологические процессы и явления для количественной оценки и прогноза, устанавливает их динамику и интенсивность развития, влияния на окружающую среду и сооружения.

Инженерно-геологические процессы - результат вмешательства человека, а инженерно-геологические явления – результат инженерно-геологических процессов - гидродинамическое давление в грунтах, когда кроме действия гидростатического давления возникает гидродинамическое давление на частицы породы. При напорных градиентах, больше критического, грунт увлекается и уносится водой. При этом возникают явления выноса частиц грунта – суффозия, плывуны.

Суффозия – вынос частиц породы из массива грунта под действием подземных вод, вызывающий оседание поверхности земли. Горные породы водонасыщены, и возможность выноса отдельных частиц определяются их размерами, минералогическим составом, скоростью фильтрации движущейся воды и величиной гидродинамического давления. М еханическая суффозия происходит в рыхлых насыщенных водой и мягких связных грунтах при повышении напорного градиента в фильтрационном потоке. Химическая суффозия происходит в растворимых породах (карбонаты, сульфаты и галоиды), с образованием пустот, зависит от растворённых солей, количества и скорости протекающей воды.

Плывуны. При вскрытии насыщенных подземными водами рыхлых несвязных грунтов происходит их движение в направлении действия напорного градиента. Этот процесс называется плывучестью, а грунты - плывунами. При вскрытии плывунов котлованами, карьерами, скважинами, стволами шахт происходит вынос насыщенного водой грунта; в результате в массиве грунта около выработок образуются пустоты и ниши, на поверхности – опускания и провалы. Проходку в плывунах осуществляют с помощью капитального крепления выработок и дренажа водоносных горизонтов вакуумфильтрами.

Закрепление плывуна - нагнетание жидкого стекла и раствора хлористого кальция для грунтов с малым коэффициентом фильтрации пород (от 2,0^.10^-3 до 9,0^.10^-2 см/с), электроосмотической фильтрации и нагнетания твердеющих растворов, замораживание. При защите от плывунов котлованов, тоннелей, карьеров и шурфов применяют кессоны, шпунтовые стенки, забивную крепь, опускные колодцы.

а – «зарядка» вакуум-фильтра;

б – работа вакуум-фильтра;

в – совместная работа вакуум-фильтра с аэрирующей скважиной;

1 – глины;

2 – пески водоносные;

3 – угольный пласт

Рисунок 5.1 – Схема осушения плывунов вакуум-фильтрами

(по С.В. Троянскому)

Возможны прорывы плывунов при сдвижении пород, при пересечении зон дробления, уменьшения мощности водоупорных пород почвы и кровли.

Оползни. Оползание мяких связных грунтов происходит по поверхности раздела под влиянием силы тяжести в связи с изменением физических свойств грунтов.

Просадка - в увлажненных мягких связных макропористых грунтах (лессов и лессовидных суглинков) разрушаются структурные связи (кристаллизационные и водноколлоидные) и уменьшается пористость, возникает неравномерное уплотнение грунтов – просадка и образование трещин. Это высокопористые грунты, состоят из пылеватых частиц.

Для предупреждения просадки выполняют механическое уплотнение трамбующими устройствами, предварительное их замачивание.

Осадка. Сооружения оказывают на грунты вертикальное давление (вес сооружения) и горизонтальное (от действия ветра) воздействие динамических нагрузок. Все эти факторы, а также изменение температуры, влажность грунта могут вызвать сжатие сооружений и осадку.

5.3 Классификация месторождений угля по горно-геологическим условиям

По сложности горно-геологических условий месторождения разделены на четыре группы (типа): I - простые, II - средние, III сложные, IV – весьма сложные.

Выделенные группы соответствуют четырем основным стадиям литогенеза и метаморфизма угленосных пород: I группа - буроугольной, II группа – переходной от буроугольной к каменноугольной, III группа - каменноугольной, IV группа – графитовой.

Каждая из групп месторождений разделена на три подгруппы – А, Б и В, отличающиеся строением, морфологией угольных пластов, инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями, а III группа – условиями залегания пластов. Сложность горно-геологических условий возрастает от подгруппы А к подгруппе В.

В Донбассе предложено подразделять территорию по условиям вскрытия и разработки шахтных полей по: 1) условиям проведения горных работ в надкарбоновой толще (обводненность, устойчивость и мощность отложений); 2) условия проведения выработок в карбоне (прочность пород).

Для I случая, при наличии надкарбоновой толщи, территория Донбасса подразделена на 3 группы районов: I- сложные условия вскрытия, II – относительно сложные и III – с простыми условиями.

I группа – районы с мощность покровных отложений 20-200 м, многочисленными горизонтами напорных вод палеогеновых, юрских и триасовых отложений. Напоры достигают 80-120 м.

II группа – угленосная толща покрыта меловыми, палеогеновыми и неогеновыми отложениями мощностью до 300 м, содержат безнапорные и напорные воды. Напоры достигают 20-120 м.

III группа – угленосная толща выходит на поверхность, или покрыта маломощным чехлом неогеновых (до 100 м) и четвертичных отложений.

Гидрогеологические и инженерно-геологические условия благоприятны.

По условиям проведения выработок в карбоне прослежены три зоны по степени метаморфизма (см. раздел 6).

5.4 Изменение геодинамической обстановки при подземной разработке угольных месторождений

Из-за естественных причин (состав и строение массива, физического состояния, гидрогеологических условий) при подработке происходит перераспределение напряжений и их разгрузка. При этом важны - подземные работы, скорость и последовательность проходки, размеры выработанного пространства.

Наибольшую опасность при разработке имеет сдвижение пород над выработанным пространством, горное давление, горные удары, разуплотнения, расслаивания, обрушения, оплывания, выпирания, газодинамические явления.

Оценка и прогноз инженерно-геологических условий месторождения должны основываются на учете и изучении природных и горнотехнических факторов.

5.4.1 Сдвижение горных пород в массиве

При подработке поверхности геодинамические процессы вызывают оседание, провалы поверхности в границах мульды сдвижения. Сначала происходит прогибание кровли выработок. С увеличением разработок прогиб увеличивается и сдвигаются следующие слои, породы обрушаются.

Оседание и сдвижение пород деформирует поверхность и формирует мульды сдвижения. Высота зоны обрушения - 2-6 мощности вынимаемого пласта, зона трещинообразования - 20-40 мощностей пласта.

При пологом залегании пластов при разработке с обрушением кровли отношение высоты зоны обрушения (h_обр)_. к мощности вынутого пласта m не превышает 5, , на крутом падении - больше. Сдвижение поверхности зависит от мощности пласта, площади выработанного пространства, глубины горных работ и способа управления кровлей.

В мульде возникают деформации, приводят к повреждению, разрушению сооружений, образованию оползней, заболачиванию и затоплению

5.2 – Схемы оседания и сдвижения подработанных толщ пород, залегающих: а – горизонтально; б – наклонно; в - крутонаклонно

площадей, прорывам воды в выработки при подработке старых затопленных объектов и водоносных горизонтов, образованию плывунов.

Защитные мероприятия от сдвижения: разделение зданий на отсеки, усиление стен железобетонными поясами и стальными тяжами, анкеровка в стены концов балок перекрытий, устройство компенсационных траншей, преобразование жестких узлов связей в шарнирные. Разработка пластов с закладкой выработанного пространства уменьшает деформацию земной поверхности на 50-90 %; применение камерной системы разработки с закладкой камер – уменьшает на 90-95 %. Частичная отработка пласта по площади уменьшает деформации на 40-45 %; оставляют предохранительные целики.

5.4.2 Горное давление

Гравитационные и тектонические силы, изменения температуры массива вызывают напряжения на контакте порода-крепь. Горное давление - давление пород на крепь, целики, предохранительные слои, стенки горных выработок.

Оно проявяется в виде нагрузки на крепь, горных ударов, газодинамических явлений.

1 – контур сечения выработки;

2 – величина смещения;

3 – положение крепи в момент установки;

4 – положение крепи при отходе забоя;

5 – границы зоны неупругих деформаций

Рисунок 5.2 – Схема формирования горного давления на крепь

в разрезе вдоль оси выработки

Величина горного давления зависит от геологического строения и свойств горных пород, глубины залегания, физического состояния и тектонических условий, степени обводненности, размеров и формы горных выработок, системы, способа и скорости проходки, глубины заложения и их назначения (подготовительные, капитальные, очистные). Угольный пласт впереди очисного забоя является опорой для кровли, в нем возникают повышенные нормальные напряжения или опорное давление, вызывающее частичное разрушение и выдавливание призабойной части пласта (отжим угля). В кровле очистных выработок возникают смещения пород, послойные изгибы с отслоением пород.

1 – угольный пласт;

2 – опорное давление;

3 – основная кровля;

4 – обрушение породы;

5 – просадочная крепь;

6 – призабойная крепь;

7 – зона отжима;

8 – непосредственная кровля

Рисунок 5.3 – Схема проявления горного давления в лаве

Установлены закономерности проявления горного давления при проведении горных выработок: 1) максимальная концентрация механических напряжений проявляется на контурах выработок, особенно на углах; 2) если горизонтальные размеры выработок больше, чем вертикальные, в их кровле и почве возникают растяжения, если отношение вертикального и горизонтального размеров 5:1 в кровле и почве могут существовать только сжимающие усилия; 3) перед очистными забоями развивается интенсивное опорное давление в 2-10 м перед фронтом очистных работ, в предохранительных целиках; 4) опорное давление и размер области его проявления возрастают с увеличением глубины разработки; 5) в прочных породах кровли опорное давление распространяется в глубь массива; 6) наибольшие напряжения возникают, если почва и кровля неоднородны; 7) концентрация напряжений в зоне опорного давления обратно пропорциональна углу падения пластов; 8) горное давление в набухающих породах на обводненных участках выше, чем на необводненных.

1 – основная кровля;

2 – непосредственная кровля;

3 – угольный пласт;

4 – выработанное пространство;

5 – эпюры опорного давления

Рисунок 5.4 – Обрушение основной кровли над очистной выработкой (по А.А. Борисову)

Для недопущения обрушения пород (рисунок 5.4) в призабойное пространство с разрушением крепи, применяют полное обрушение и закладку выработанного пространства.

5.4.3 Горные удары – мгновенное освобождение упругого сжатия пород, с быстрым разрушением перенапряженных участков, прилегающих к выработке. Сопровождается выбросом пород в выработку, сильным звуком, возникновением мощной воздушной волны и сотрясением пород. Разрушение происходит лавинообразно с образованием устойчивой по форме полости. Проявляются они на краях подготовительных и очистных выработок, в целиках, на глубинах более 200м. Их локальные проявления - стреляние пород, микроудары и толчки.

Рисунок 5.5 – Схема к проявлению горных ударов: в целике (а) и в очистном забое (б), h₁ и h₂ – соответственно смещения кровли и почвы в результате упругого расширения массива горных пород (пунктирными линиями показаны зоны опорного давления и разгрузки до горного удара, сплошными – после удара).

Удароопасность связана с прочностью, структурой пород, углами падения и глубинами разработки. Удароопасность повышается чем ниже прочность угля и круче углы падения пород, с глубиной при наличии разрывов. Удароопасны песчаники, известняки мощность болем 10м на глубине более 0,5 км. Учитывают при этом горное давление, условия вскрытия, систему разработки, неправильное ведение горных работ.

5.4.4 Газодинамические явления – быстрое разрушение газоносных пластов углей и пород призабойной части выработок с выделением газа и выбросом горной массы.

Горные породы содержат – метан, углекислый газ, азот, водород, окись углерода, сероводород и инертные газы.

Газовыделения: обыкновенное – медленно и непрерывно из трещин и пор; суфлярное – местное выделение газа из трещин с дебитом болем 1м³/мин на участке до 20м и внезапное – местное интенсивное выделение больших количеств газа в короткий промежуток времени с разрушением призабойной части угольного пласта (рисунок 5.6).

Рисунок 5.6 – Схема внезапного выброса угля и газа из забоя в подготовительную выработку

При этом в горную выработку выносится н – н100 тыс.т угля на расстояние до 40-500 м и от н10-100тыс. м³ газа.

Внезапные выбросы угля и газа происходят на глубинах более 250 м, на пластах 0,5-2,5м, с глубиной частота и сила их возрастает. Установлена также неравномерность в распределении газов в угленосной толще. Выделяются (сверху вниз): зона газового выветривания, зона азотно-углекислых газов и углекисло-азотных газов (практически не содержат метана), зоны метаново-азотные и азотно-метановые (с газообильностью выработок 2-3 м³/т с.д., иногда 10-15 м³/т с.д.). Ниже располагается зона метановых газов. Газовые шахты разделяются по метану на 4 категории (таблица 5.2).

Предупредительные признаки внезапных выбросов угля и газа - выжимание угля и породы из забоя, повышенное горное давление, удары и треск, шелушение забоя, появление пылевого облака и усиленное газовыделение.

Таблица 5.2

Категория по газу (метану)	Количество метана м3/т с.д. Угля
I II III Сверхкатегорийная	До 5 От 5 до 10 От 10 до 15 Более 15 м3, а также шахты, разрабатывающие пласты, опасные по выбросам и суфлярам

Внезапные выбросы газа и угля зависят от степени газоносности углей и пород, давления газа, мощности угольных пластов, марки углей (ПЖ, К, ОС и Т, реже А и Г), необводненности пород.

Относительная газообильность – объем выделяющегося газа в горные выработки в единицу времени, отнесенный к одной тонне среднесуточной добычи угля (м³/т с.д.).

Предупреждение развития газодинамических явлений - дегазация скважинами, опережающая отработка защитных пластов; нагнетание воды в пласт; столбовая система разработки, полное обрушение на пологих пластах и полная закладку на крутых; гидровымывание опережающих полостей и щелей, применение опережающей крепи.

Обрушение пород – сдвижение с вывалом в выработку пород. Обрушение бывает принудительным (взрыв) или долговременным - действием подземных вод, температуры, выветривания, из-за толчков, вызванных горными ударами, внезапными выбросами угля и газа, пород.

Непосредственная кровля – слой (-и) небольшой мощности, залегающие в кровле выработок на пласте угля, обрушаются, если убрать крепление.

Ложная кровля – слои непосредственной кровли, обрушаются сразу после выемки угля. (0,6-1,0м, аргиллиты).

Основная кровля – слои над непосредственной кровлей или на слое угля, обрушается после большой их подработке.

где 1 – основная кровля;

2 – непосредственная кровля;

3 – ложная кровля;

4 – угольный пласт;

5 – выработанное пространство;

6 – пути движения подземных вод

Рисунок 5 7 – Осадка и зависание основной кровли (по Б.В. Смирнову)

Обрушение кровли может произойти из-за их нарушенности трещинами. На устойчивость пород влияет угол встречи линии простирания трещин и линии забоя (должен превышать 10-15 %).

Устойчивость кровли определяется структурой и физико-механическими свойствами пород, величиной возникающих в них напряжений.

Выделяют породы весьма устойчивые – допускают большие площади обнажения без крепления; устойчивые – допускают значительные обнажения (12м²) и требуют локальное крепление; средней устойчивости - допускают кратковременное обнажение на большой площади (6-12м²) без поддержания вслед за выемкой; неустойчивые породы – допускают небольшие обнажения (6м²) и требуют крепления сразу за выемкой; весьма неустойчивые – не допускают обнажение без крепления.

5.4.5 Вывалы пород – их выпадение из кровли выработок при наличии зон дробления, слоистости, трещиноватости с образованием в кровле куполообразных пустот высотой 0,5-0,6м.

где а – при сочетании трещин;

б – при сочетании трещин, поверхности слоистости и других

поверхностей и зон ослабления. Тонкие линии – трещины, поверхности слоистости

Рисунок 5.8 – Формирование горного давления при образовании

вывалов в скальных и полускальных породах

5.4.6 Разуплотнение и расслаивание горных пород

Трещины разуплотнения образуются параллельно обнаженной поверхности пород по контуру выработок. Разуплотнение сопровождается расслаиванием, оползанием, обрушением, осыпанием.

Пластовые отдельности могут обрушаться или зависать на расстоянии до 3-4 м от забоя.

5.4.7 Выдавливание (пучение) пород - их смещении в направлении действия силы тяжести.

Пучение почвы пласта - подъем пород почвы после выемки, сопровождается деформацией горных выработок и разрушение крепей. Наблюдается во влажных глинистых породах, в зонах разломов.

По склонности к пучению выделяют породы: 1) весьма устойчивые; 2) устойчивые – пучение за 3 года 0,1 м; 3) относительно устойчивые – 0,3-0,5 м; 4) неустойчивые – 0,5-1,0 м; 5) весьма неустойчивые – более 1,0 м.

На глубинах 600-700 м пучение происходит всегда. Отжим угля и пород в выработанное пространство характерен для глинистых пород и углей.