Нагрузки и деформации, вызванные депрессионным уплотнением массива пород

При глубоком водопонижении в зоне развития депрессионной воронки напряжения перераспределяются. Вследствие снятия гидростатических напоров увеличиваются эффективные напряжения, происходит депрессионная консолидация пород. Указанные явления активно влияют на формирование внешних нагрузок на крепь шахтных стволов, скважин, вызывая продольные и поперечные деформации.

Не смотря на то, что, в принципе, механизм депрессионной деформации массивов пород при водопонижении достаточно ясен и состоит в том, что снижение напоров при постоянном общем давлении вызывает рост эффективных напряжений и уменьшение пористости пород, надежный прогноз параметров данного явления остается сложной задачей в связи с трудностями наблюдений и измерений в толще пород, а также в связи с необходимостью учета двух стадий общей консолидации пород: фильтрационной и деформационной (ползучести) пород.

К отмеченному добавим, что в условиях подземной разработки месторождений необходимо знать:

а) величины деформаций раздельно по каждой залежи полезного ископаемого;

б) ожидаемые скорости деформаций пород.

Первое требуется для выбора мест расположения и конструкций крепи горных выработок. Второе позволяет соотносить время эксплуатации подземных выработок со временем (периодом) депрессионной консолидации массива пород.

Разработан ряд методик прогноза параметров этих явлений, которые с определенной степенью приближения можно использовать для инженерных расчетов при проектировании и эксплуатации объектов.

Обычно предполагается, что массив горных пород до начала водопонижения находится в состоянии устойчивого равновесия. При этом выше уровня подземных вод напряженное состояние пород, в частном случае обусловленное только гравитационным полем, определяется их весом, который полностью воспринимается скелетом пород. В этой части массива вертикальное напряжение (давление)

σ_Z = P_Z = P_Э = γ_ср H,(9.16)

где P_Z— давление массы пород; P_Э— эффективное давление; γ_ср — средняя плотность пород; Н — глубина расположения рассматриваемой точки.

Горизонтальное напряжение (боковое давление) здесь равно:

σ_X = σ_Y = ξ P_Z,(9.17)

где ξ — коэффициент бокового распора.

Ниже уровня подземных вод в естественном состоянии массива давление от веса пород P_Zуравновешивается внутренним напряжением породного скелета (исходным эффективным давлением) Р_э0 и исходным давлением поровой жидкости Р_н0:

P_Z = Р_э0 + Р_н0,(9.18)

Отсюда величина исходного эффективного давления может быть определена из выражения:

Р_э0 = P_Z — Р_н0 ,(9.19)

Исходное давление поровой жидкости равно

Р_н0 = γ_в Н₀,(9.20)

где γ_в — плотность воды, т/м³.

При снижении гидростатических напоров под влиянием откачки подземных вод давление поровой жидкости в дренируемой толще пород изменяется. Причем характер его изменения в осушаемых водоносных горизонтах и разграничивающих их пластах водоупоров (например, глинах) существенно различны.

В водоносных породах изменение давления поровой жидкости ΔР_н происходит по всей мощности пласта сразу же за снижением гидростатического напора на величину ΔН:

ΔР_н = γ_в ΔН,(9.21)

а новая величина давления поровой жидкости

Р_н = Р_н0 - ΔР_н = γ_в (Н₀ – ΔН).(9.22)

Соответственно изменится и эффективное давление

Р_э = Р_Z - P_н = γ_ср Н - γ_в (Н₀ – ΔН).(9.23)

Такое изменение (увеличение, т.к. в 9.18 вычитается меньшая величина) эффективных давлений вызывает уплотнение дренируемого пласта по всей мощности, вертикальная составляющая которого — осадка:

S = λ_н ΔН γ_в h_сл,(9.24)

где λ_н — коэффициент депрессионной осадки породы; h_сл — мощность водоносного слоя, м.

Следовательно, максимальное приращение эффективных давлений в водоносных породах, вызванное водопонижением, равно величине исходного нейтрального давления, а наибольшее значение эффективных давлений равно массе столба пород, т.е.:

mах ΔP_э = Р_н0, mах P_э = Р_Z= γ_срH.(9.25)

Однако, указанные зависимости и выводы отражают картину изменения вертикальных нагрузок и величины фильтрационной консолидации осушаемых пород лишь в первом приближении. Практика показывает, что в результате увеличения эффективного и общего давления значительное количество поровой жидкости отжимается ещё и из пластов водонепроницаемых пород, контактирующих с осушаемыми, что также вызывает их фильтрационную консолидацию.

Так, на Южно-Белозерском железорудном месторождении (Украина) из откачиваемых 2—3 тыс. м³ воды в час основная часть приходится на отжимаемую из относительно водоупорных меловых толщ.

В водонепроницаемых пластах (например, глинах) изменение нейтральных давлений (давлений поровой жидкости) под влиянием водопонижения происходит по сложной закономерности, как в пространстве пласта, так и во времени.

В настоящее время нет эффективных методик расчета измерения напряжений и соответствующих им деформаций (особенно горизонтальных составляющих) в глинистых пластах под влиянием глубокого водопонижения. Поэтому для оценки и учета этого фактора при расчете нагрузок обычно пользуются приближенными решениями задачи.

Изменение напряженно-деформационного состояния пластов глин обусловлено отжатием из них поровой жидкости вследствие снятия гидростатических напоров в контактирующих водоносных слоях и увеличения эффективного давления. Этот процесс развивается медленно и сопровождается консолидационно-реологичесими явлениями.

В глинистых породах большую роль играют силы сцепления, которые преодолеваются консолидирующими нагрузками (изменения Р_эи Р_н ) постепенно, по достижении определенного уровня, т.е. реализуются с отставанием от фильтрационного уплотнения осушаемых пород и растянуты во времени. Таким образом, осадка глинистых пород контролируется, главным образом, процессами ползучести.

В условиях, когда отсутствует надежное решение задачи, для получения приемлемых данных прогноза параметров консолидации массива пород по фактору ползучести обычно пользуются данными натурных наблюдений и лабораторных экспериментов.

Ещё более трудной является задача по прогнозу горизонтальных деформаций при водопонижении. Причины такого положения — ничтожно малый объем исходных натурных наблюдений по горизонтальным усилиям и перемещениям в массиве осушаемых пород и отсутствие общего теоретического решения задачи.

Поиск по сайту: