Основные представления о деформациях толщ горных пород в результате глубокого водопонижения и о методах их изучения
|
Специфика изучения деформаций толщ горных пород при водопонижении применительно к задачам горного дела сводится в первую очередь к необходимости дифференциального прогноза величин деформаций по отдельным слоям (горизонтам) для установления требований к податливости крепи горных выработок— особенно вертикальных стволов и участков их сопряжения с горизонтальными выработками. Другая важная особенность — необходимость прогнозирования ожидаемой скорости деформации, сведения о которой позволяют наметить требуемое опережение водопонижения относительно горных работ: это дает возможность проектировать проходку и крепление выработок на период, когда основная доля деформаций сжатия окажется реализованной. Аналогичные проблемы могут возникать и при оценке горного давления в газоносных толщах, где пластовое давление снижается за счет дренирующего действия вскрывающих выработок. Одним из наиболее показательных объектов, на котором детально исследовалось сжатие горных пород под влиянием глубокого водопонижения, является Южно-Белозерское железорудное месторождение. Этот пример интересен и тем, что оседание земной поверхности проявилось здесь наиболее крупно из всех известных нам горно-геологических объектов России. Снижение напоров в бучакском и рудно-кристаллическом горизонтах привело к мощному сжатию песчано-глинистой и мергельно-меловой толщ. Общая осадка земной поверхности составляет к настоящему времени около 2,5 м. Сжатие толщи горных пород вызвало деформацию крепи вертикальных стволов и потребовало разработки специальных конструктивных мероприятий (установления в стволах узлов податливости). Механизм сжатия пород в результате водопонижения в принципе достаточно очевиден: снижение напоров, при практически неизменном общем давлении, приводит к росту эффективных напряжений и уменьшению пористости пород. Если пренебречь изменением веса пород, отвечающим упругой водоотдаче, то можно считать, что снижение напора на величину S вызывает увеличение эффективных напряжений на величину γ0S (γ0 — объемный вес воды) и соответственно сжатие толщи. Следует отметить, что в точной формулировке осадка соответствует разности между сжатием скелета под влиянием дополнительных эффективных напряжений и упругим расширением минеральных зерен вследствие снижения гидростатического давления. Кроме того, при прогнозе осадок под действием локального водосбора, характеризующегося малыми размерами области возмущения, необходимо учитывать неполноту передачи депрессионной нагрузки, вызванную влиянием жесткости вышележащих пород. Например, из рис. 24 следует, что в центре депрессионной воронки нагрузка, обусловленная водопонижением, может быть в несколько раз меньше величины, рассчитанной исходя из предпосылки о полной передаче депрессионной нагрузки. В целом, несмотря на достаточную ясность механизма сжатия, надежный прогноз рассматриваемого явления часто представляется задачей весьма сложной. Это обусловлено как трудностями принципиального характера, связанными с необходимостью учета двух стадий консолидации — первичной (фильтрационной) и вторичной (стадии ползучести), так и техническими трудностями проведения экспериментов и наблюдений: большими глубинами и соответственно высокими давлениями (десятки и сотни кгс/см2), малыми значениями коэффициента сжимаемости (10в-3—10в-4 см2/кгс) и коэффициента фильтрации (10в-4—10в-6 м/сут). В тех случаях, когда фильтрационной стадией консолидации можно пренебречь (например, частое переслаивание песчаноглинистых пород или трещиноватые мергельно-меловые толщи), осадка контролируется только процессами ползучести. В этих условиях, как показывает опыт исследований, достаточно надежный прогноз может быть получен на основании лабораторных экспериментов. Значительно большие трудности связаны с прогнозом фильтрационной стадии консолидации, когда процесс осадки контролируется фильтрационными свойствами пород — скоростью рассеивания порового давления. Полезно отметить, что применительно к этому процессу термин «фильтрационная консолидация» может быть применен лишь с определенной долей условности, ибо здесь нет избыточного порового давления, вызванного ростом общей нагрузки: процесс идет при практически неизменной общей нагрузке и постепенном падении исходного гидростатического давления по мере распределения упругой фильтрационной волны от водоносного горизонта вглубь толщи относительно водоупорных пород. Кстати, нефтяники уже давно различают эти два процесса, оценивая их двумя различными схемами компрессионно-фильтрационных испытаний. Для прогноза фильтрационной консолидации приходится оценивать проницаемость плотных глинистых пород с весьма низкими коэффициентами фильтрации (подчас — порядка 10в-5—10в-6 с/сут). При этом эксперименты должны вестись при высоких гидростатических давлениях, ибо можно считать установленной существенную зависимость проницаемости глин от абсолютной величины давления. Кроме того, схема эксперимента должна учитывать необходимость определения величины начального градиента фильтрации: для многих глинистых пород, залегающих на больших глубинах, нашими исследованиями была получена величина начального градиента в несколько десятков. Отсутствие сведений о начальном градиенте может привести к завышению мощности сжимаемой толщи и тем самым — к преувеличению ожидаемой величины осадки. Заметим, что не следует делить глинистые породы на передающие гидростатическое давление и не передающие: правильнее говорить о глинах фильтрующих или нефильтрующих — при данных величинах градиентов и гидростатических давлений. Если к сказанному добавить неизбежное влияние трещиноватости и фильтрационной макронеоднородности толщ плотных глинистых пород, которое приводит подчас к полному несоответствию результатов лабораторных испытании натуре, то становится ясным, что надежный прогноз фильтрационной стадии консолидации невозможен без контрольных полевых экспериментов. Для важных объектов таким экспериментом должно быть опытное или опытно-эксплуатационное водопонижение. |
