Прогноз возможностей прорыва воды в подготовительные горные выработки
|
Из предшествующего материала ясно, что изучение защитных свойств водоупорных слоев представляет большой интерес не только для очистных выработок, но и для прогноза возможности прорыва воды в подготовительные горные выработки. Наличие напорных вод в кровле или в подошве таких выработок заметно влияет на величину горного давления, изменяя ее на десятки и сотни процентов, При этом важно отметить, что степень передачи давления от веса вышерасположенных пород на какой-либо слой, прилежащий к выработке, может существенно меняться (уменьшаться) в результате упруго-пластического деформирования пород по направлению к горной выработке; между тем силовое воздействие воды на породы от этих деформаций в большинстве случаев практически не меняется, что еще более увеличивает относительное его значение в общей картине напряженно-деформированного состояния пород. Возможные теоретические пути учета силового воздействия подземных вод в этих условиях достаточно ясны. Они сводятся к двум возможным способам в зависимости от принятой общей схемы расчета горного давления: по первому способу воздействие воды учитывается действительными объемными силами, по второму — фиктивными контурными; однако применение второго способа в задачах об устойчивости подземных выработок следует проводить с определенной осторожностью. Рассмотрим, например, задачу об устойчивости штрека, в почве которого залегает водоупорный слой, отделяющий штрек от напорного водоносного горизонта (рис. 90), Прогноз возможности прорыва воды в штрек базируется обычно на оценке устойчивости (на изгиб—растяжение) толстой плиты ABCD, находящейся под действием объемных сил — гидродинамических (направленных вертикально вверх) и сил собственного веса взвешенных глинистых пород (направленных вертикально вниз); суммарная объемная сила, приходящаяся на единицу объема породы,  где I — градиент; H — напор на кровлю водоносного слоя; m — мощность глинистого слоя; γ и γ0 — объемные веса соответственно глинистого слоя и воды. С другой стороны, воздействие воды можно свести к условной контурной силе Ф=γ0H, приложенной к нижней грани плиты.  Для глин, не передающих гидростатическое давление, представление силового воздействия воды контурной силой отвечает реальной физической картине. Однако из-за отсутствия надежного критерия для выделения глин такого типа целесообразно, очевидно, ориентироваться на объемное представление и в этом случае. Так как в этом случае в расчет вводится вес пород вместе с заключенной в них водой, то удельная результирующая контурная сила, действующая (снизу вверх) на единицу площади поверхности CD,  что совпадает по величине и направлению с результирующей объемных сил, просуммированных по толщине плиты т. Однако результат действия рассмотренных двух систем сил будет идентичным лишь до тех пор, пока мы оцениваем плиту как абсолютно жесткое сплошное тело, не претерпевающее деформирования вплоть до момента разрушения. Нa самом же деле данная плита (глинистый слой) всегда характеризуется скрытой или явной слоистостью, так что при изгибе начинается взаимное смещение (скольжение) слоев. Ясно, что деформирование такой системы может быть правильно описано лишь путем исследования фактического напряженного состояния каждого слоя, т. е. с использованием представления (VII.15), но никак не (VII.16). Для подтверждения сошлемся на интересные исследования Г.Н. Кузнецова на моделях из эквивалентных материалов. Им было, в частности, показано, что деформации и предельная прочность слоистой консольной балки существенно зависят от соотношения мощностей отдельных слоев, а также величин угла внутреннего трения и сцепления по их контактам, Кстати, исследование данной задачи на моделях из эквивалентных материалов может быть вообще весьма плодотворным. Важно, что при этом учет водного фактора не вносит никаких осложнений в методику моделирования: достаточно принять расчетный объемный вес пород равным γф. Еще более очевидные доказательства необходимости самого осторожного подхода к задачам об устойчивости кровли или почвы подземных горных выработок дает рассмотрение реального строения водоупорных толщ. Например, наличие в глинистом слое тонкого прослойка песков, содержащего напорную воду, приводит к тому, что нижняя половина пласта деформируется отдельно от верхней, если предположить, что до момента прорыва воды напоры в прослойке не зависят от деформации. Так как прочность балки пропорциональна квадрату ее толщины, то наличие указанного прослойка снижает прочность рассматриваемой системы в четыре раза по сравнению с тем случаем, когда вся балка оценивается на устойчивость как единое целое. Сделаем некоторые выводы практического характера. Расчетные методы, оценивающие устойчивость на изгиб — растяжение пород в кровле или подошве горных выработок под действием напорных вод путем замены объемных сил контурными» во многих случаях не отвечают реальному механизму деформирования слоистых толщ; в частности, это относится к широко рекомендуемым формулам В.Д. Слесарева (очевидно, автор этих формул и не рекомендовал использовать их для оценки опасности прорыва). К сказанному следует добавить неопределенность строения защитного пласта и его расчетных прочностных характеристик: в формулы входит сопротивление массива горных пород на растяжение, которое обычно практически невозможно оценить заранее даже ориентировочно. Последнее затруднение, правда, может быть в какой-то мере устранено путем обратных расчетов прочности по данным о фактических прорывах или по результатам специально поставленных полевых экспериментов. Интересны опыты ВНИМИ в Подмосковном угольном бассейне, в которых предельная прочность водоупора над выработкой оценивалась по максимальному давлению воздуха, нагнетаемого в соседний водоносный пласт. Ясно, вместе с тем, что подобные эксперименты и наблюдения не могут являться основой для проектирования новых объектов. На практике, однако, положение не столь безнадежно, как могло бы показаться из приведенных соображений. Дело в том, что оценка возможности прорыва (если она не очевидна) интересует нас обычно для условий, когда толщина балки, т. е. мощность водоупорного слоя, вполне соизмерима с длиной ее пролета (шириной линейной выработки). Тогда балка работает скорее на срез, чем на растяжение. Соответствующая расчетная схема заметно упрощается и, что самое главное, исходные параметры прочности массива могут быть оценены значительно точнее, чем для случая изгиба. Действительно, рассматривая предельное равновесие блока ABCD (см. рис. 90) на срез по поверхностям AC и BD, можно, с учетом (VII.16), без труда получить следующую формулу для предельного напора Нпр:  где с и φ — сцепление и угол внутреннего трения; ξ — коэффициент бокового давления; b≥ξtgφm ибо в противном случае балка заведомо устойчива. Кстати, отсюда следует, что нередко практикуемый расчет по формулам типа  (τc — общее сопротивление сдвигу, полученное по наблюдениям или полевым экспериментам) для глинистых грунтов с заметно выраженным трением неприемлем, так как не учитывает зависимости сил трения от изменения эффективного давления; и уже совсем недопустимо оценивать возможность прорыва в штрек по широко практикуемому критерию  Приведенные оценки позволяют, в какой-то мере, подойти к вопросу о прогнозе устойчивости пород в кровле или почве подземной выработки по отношению к силовому воздействию воды. Однако для надежного инженерного решения этой проблемы предстоит еще очень много сделать; это ясно и из отмеченных выше недостатков расчетных схем, и из необходимости учета таких важнейших для рассмотренных процессов факторов, как реологические свойства глинистых пород, изменение свойств пород во времени в результате набухания или выветривания, взаимодействие пород с крепью горных выработок. Рассмотренная схема работы пород вблизи выработки на сдвиг позволяет наиболее четко учесть в общей расчетной модели как реологические свойства пород, так и степень передачи силового воздействия воды на крепь выработки. Важнейшее место в исследованиях этой проблемы должно отводиться полевым наблюдениям и экспериментам, а также моделированию на эквивалентных материалах. До сих пор мы занимались оценкой условий предотвращения прорыва. Гораздо большие сложности сопряжены с оценкой по следствии прорыва, которая должна учитывать вынос рыхлого материала и размеры зоны, захваченной выносом. Пусть прорыв происходит в кровле выработки (рис. 91). Тогда ориентировочно можно считать, что процесс выноса песка из водоносного слоя закончился, когда подводной угол откоса эрозионной воронки α уменьшится до величины, устойчивой на выпор, Считая угол α достаточно малым (cosα=1), из условия предельного равновесия получим  где rд — радиус эрозионной воронки; средний выходной градиент  F — площадь боковой поверхности воронки (при малых углах F=пrg2). Таким образом, если под Q понимать замеренную величину притока к участку прорыва, соответствующую моменту практического прекращения выноса песка в выработку, то формула (VII.20) дает возможность определить ориентировочную величину rg. Подобная, весьма упрощенная схема будет, очевидно, давать наиболее реальные результаты при обработке данных фактических прорывов в несцементированных песках в условиях достаточно больших притоков, когда есть основания предполагать, что воронка в основном остается затопленной, т. е. поверхностный размыв, подобный оплыванию откосов, отсутствует. Если последнее предположение не представляется достаточно обоснованным, то, очевидно, приходится вести расчет аналогично случаям оплывания песчаного откоса, хотя такой расчет будет нередко давать очень большие запасы.  Оценка последствий прорыва в почве штрека или в забое шахтного ствола еще более неопределенна, ибо в этом случае нарушенная зона остается заполненной взрыхленным песком. В отличие от предыдущей задачи, в подобных условиях, очевидно, наиболее разумно полагать, что размеры зоны песков, захваченных деформированием, определяются преимущественно теми притоками, которые наблюдались в первый момент прорыва. Считая в таком варианте, что фильтрация вблизи участка прорыва в первые моменты носила сферический характер, можно определить средний градиент фильтрации как функцию радиальной координаты r, рассчитать суммарную вертикальную составляющую фильтрационных сил в пределах полусферы радиуса r и приравнять ее весу (взвешенного) песка в пределах этой полусферы; тем самым определится ориентировочный размер rg зоны песка, захваченного деформированием. |
