МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОЦЕНКЕ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПОД ВЛИЯНИЕМ ОСУШЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

МИНИСТЕРСТВО ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ СССР СОЮЗР УДА

Всесоюзный научно-исследовательский и проектноконструкторский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу ВИОГЕМ

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ОЦЕНКЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПОД ВЛИЯНИЕМ ОСУШЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Белгород 1978

происходить в массиве горных пород и на дневной поверхности,

2.1. Теоретические основы метода расчета деформаций горных пород под влиянием изменения напоров подземных вод

При решении практических задач, связанных с оценкой деформаций горных пород, под влиянием дренажных работ, проводимых на месторождениях железных руд со сложными гидрогеологическими условиями, необходимо установить связь между изменениями напора в водоносном пласте и деформациями слагающих и перекрываю -щих его пород. Имеются работы [2], где эта связь устанавливалась с привлечением компрессионной теории консолидации грунтов. Поскольку деформация водонос -ных и окружающих их пород при водоотборах носит пространственный характер, то привлечение компрессионной теории консолидации грунтов к оценке деформаций в этих условиях может дать приближенную величину только вертикальным перемещениям.

В этой работе методика расчета деформаций водона -сышенных и перекрыэающих их пород при изменении напоров подземных вод базируется на иной теории, физические предпосылки которой полностью соответствуют теории упругого режима фильтрации. Математичес кой основой построения методики оценки деформаций водо -носных пород при изменении в них напоров служит совместное решение уравнений упругости и теории упруго -го режима фильтрации. Как известно [3, 4, 5 ], в упругом водоносном пласте с изменением в нем напора при водоотборах увеличивается объем зерен (скелет а пласта), так как уменьшается их плотность из-за сни -жения гидростатического давления, и поверхность кон -тактов между ними, происходит переупаковка самих зерен и разрушение связующего их цемента. Эти деформации водовмещающих пород выражаются в сжатии и уменьшении в связи с этим первоначальной мощности водо -

носного пласта под влиянием эффективных давлений. При снижении гидростатического давления и сжатия водонос -ного пласта в целом перекрывающая его толща пород стремится прогнуться, что проявляется в оседании дневной поверхности в пределах развившейся области влияния водопонижения и дренажа. Математически процесс деформации водоносных пород при изменении в них напоров описывается следующим образом.

Принято считать [3, 5], что горное давление (внешняя нагрузка ) P_tj , действующее со стороны кровли водоносного пласта, уравновешивается напряжениями в системе породы ф; и давлением в воде Р . Соотношение между этими величинами в тензорной форме выражается следующей формулой [5]:

f]j - и-ПЩ * nPS'j -itj + Pffij,    (2.1)

где фу - фиктивное (эффективное) напряжение, неко -торая часть полного напряжения фу ; фу-символ Кро-некера; g f О при L Фj

О [1 при L=J    (    L, j — x,</,z).

Поскольку горное давление фу при снижении дав -ления в водоносном пласте Р остается постоянным, то dSfj    т.е.    снижение    давления    (напора)    воды    при

водит к эквивалентному повышению нагрузки на скелет породы, слагающей водоносный пласт. Гипотеза о пос -тоянстве горного давления во времени и полной пере -даче нагрузки на скелет водовмещающей породы со стороны перекрывающих пород реализуется, как это пока -зано в работах [5,6], если радиус влияния при откачке в 2-3 раза превышает мощность перекрывающих пород. Это условие практически всегда выполняется при проведении дренажных работ на месторождениях полезных ископаемых со сложными гидрогеологическими условиями.    _f

Фиктивные напряжения 5ij и связанные с ними де -формации пород являются функциями &P = rS(

Полную деформацию пласта в результате действия на -грузки др = fS можно представить в виде двух слага-

емых

11

_    J*>    _л(2)

^eij ^=вЧ *^еУ

Деформации    обусловлены    изменением    плотное    -

ти твердой фазы породы, при повышении или понижении давления др»гз возникающие при этом напряже -ния связаны, в пределах малых смещений, с (fy урав -нениями классической теории упругости

^еи--г\Ь7-—.^aS‘J I .    (2.3)

Ч 2/1 ^J 1 + V ^ej\

где / и Р - соответственно модуль сдвига 10⁹Па и коэффициент Пуассона вмещающих пород, 2/* =E/f/+lt)

В - модуль упругости тех же пород, т/м^; Л-бп+бщ+бц- сумма главных напряжений, т/м^.

Деформации Ёу , возникающие в пласте при изменении его пористости за счет сжатия скелета породы (в том числе и за счет разрушения связующего зерна цемента) в пределах линейной зависимости между деформациями и действующим давлением, связаны соотношениями

•у =firs0ij ,    (2.4)

2

где р - коэффициент объемного сжатия породы, м/т.

Таким образом, соотношения (2.2) с учетом уравнений (2.3) и (2.4) перепишутся так

^еи    [«у ~ih^му]    •    <    ²*⁵>

Из формулы (2.5) получаем напряжение

⁶ч +гг,^в*</    (2.6)

Подставляя выражения (2.6) в уравнения движения [7 ]

?7jp⁼^iz^( Р " плотность ),    (2.7)

получим

... _J_dB P д’и;    PrdS

*    1-2Ш    P    Л*    1-2i    di

где Ц* - перемещения по направлениям осей X_%V.i—UJ.tf;

л * д¹/дх²+д^г/ду^г+ д*/дг*.

Можно показать, что уравнения (2.8) без членов,со-держащих множитель р (инерционные эффекты не учи -тываются), с учетом того, что Е*(1-29)/р и р» JTS совпадают с уравнениями Био [81 и Зарецкого Ю.К. (9 1 при </_г=аС_гр полученными иным путем.

Уравнение (2.8), переписанное для пространственной, осесимметричной и плоской деформаций, после отбрасывания членов, содержащих множитель р , принимает слэ-дующий вид:

Пространственная деформация: д*и (1-29) 0⁹и ₍ (1-22) О²и _t 1 д*У _f 1 д*uf _ 1*9 j OS .

дх* *2(1-9) ду² 2(1-tieг* 2(1~2)0х0у* 2(Г2)0*д1 hr д* *

О²К_; (1-29)0^?К _; (1-29)д*Р _s 1 О*(/ _s 1 о¹ иг _ 1*2 OS . ду* 2(1-2) дх² 2(1-2) 0z* 2(Н)дхду 2(1- 2) дуд в 1-9^^Гду *

д**г «-?))д²ит _t (1-22) _f 1 д⁹а _{_1    д²1Г    _

di¹ 2(1-2)ду² 2(1-2) О*² 2(1-2)0x02 2(1-2)дуд2

—V#

1~Г 02

Осесимметричная деформация:

д*и _t 1-22 д*и _f 1 ди и _f 1 д² и/ _ i+2 _nrOS_ . дг² 2(1-2) дг² г дг г² 2(1-9)дгдг “* 1-9 дг *

д*ит f~2t d*w i-22 iQur 1 О*и _// да Oz* 2(H) дг² 2(1-9) г дг 2(1-9)дгОг 2(1-9)г Oz'

Плоская деформация:

д*и , <‘29 д^ги ,    1

dx^z 2 (1- 9) dz² 2(1- 9) дхдi

Для определения понижений *5 ( x,i/,Z_yt ) в де -формируемом водоносном пласте имеем уравнение

avs=ds/di₉    (2.12)

где Q. - коэффициент пьезопроводности водоносного пласта, м^/сут; t - время, сут; V - оператор Лапласа.

Для перекрывающих водоносный пласт пород, где снижения уровней подземных вод не происходит, соответствующая система уравнений в перемещениях получается из соотношений (2.9) - (2.11), в которых правую часть необходимо приравнять нулю.

Таким образом, решению задачи по определению напряженно-деформированного состояния дренируем ых и перекрывающих пород должно предшествовать определение изменения напоров в водоносных пластах в соответствии с заданным режимом системы дренажа и гидродинамическими пластовыми условиями, что представ -ляет собой довольно трудоемкий и сложный процесс.Да-же при откачке из одного водоносного пласта, перекрытого толщей непроницаемых горных пород, расчетна я схема представляет собой слоистую систему деформи -руемых пород, решение задачи по определению перемещений и напряжений в которой аналитическими метода -ми чрезвычайно трудно. Для определения напряжены о -деформированного состояния таких систем рекомендуется применение методов аналогового моделирования и ЭЦВМ.

2.2. Методы моделирования деформаций слоистых толщ на АВМ ( сеточных электроинтеграторах )

Уравнения (2, 9) - (2, 11) аналогичны уравнениям теории термоупругости, описывающим деформацию упругих материалов под влиянием изменения температ у р ы среды 17, 10]. В работе Коноплева И.Д. Г 11 ] излагает-ся методика решения плоской задачи теории термо у п -ругости, основные положения которой используются нами для построения методики моделирования напряжен -но-деформированного состояния пород под влиянием изменения напоров подземных вод.

2.2.1. Пространственная деформация

Уравнения (2, 9) переписываются в конечно-разно -стной форме для разбивки области, показанной на рис. 2.1, а — в,

, * jjljLliLJE +_J_    .

2(1-1) ах ду 2(11) дх дг    2дх

₊_L    +_!_ к-'К' + к-к _ 1^1 _r s, -s₄.

2(1-1» ДХ ду 2(1-1) дум    (-1    ^Р    2ду    '

Кг-к _ К'-иГо , 1-2)) \иг,~ш₀ f 9Ь-ыЛ.1-2* \к-к

¹о'.о*^г    Ч/**АУ (/₄-о*(/* M-VU+JX 4+AXJ

4.-1-    1    +r₄~r_o

2 (i’1)    ax да 2(1-1)    дуд 2

Jl±_r ^v(2.13)

1-1 2AI

15

УДК 622.52:622.83

В работе в самом общем виде приведены гидрогеологические и физико-механические особенности толщи осадочных пород разведанных железорудных месторождений КМА, необходимые для состав л е -ния схем фильтрации и деформации при проведении дренажных работ в нижнем комплексе водоносных пород в период освоения этих месторождений. Из -лагаются основные положения теории деформирования водонасышенных пород при изменении напор о в подземных вод. Подробно рассматривается вопро с моделирования на сеточных электроинтеграт ор ах перемещений водонасыщенных пластов и перекрывающих их пород под влиянием водопонижения.

На конкретном примере Яковлевского желе з о -рудного месторождения КМА иллюстрируется применение изложенной методики электромоделирования перемещений толщи осадочных пород и оседания дневной поверхности под влиянием дренаж ны х работ в известняках карбона на период строитель -ства рудника.

Методические рекомендации предназначены для специалистов, занимающихся проектированием горнорудных предприятий в сложных гидрогеологичес -ких условиях. Утверждены научно-техническим советом института ВИОГЕМ в качестве методичес -ких рекомендаций.

(^/Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по осушеник) месторождений полезных ископаемых,специальным горным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу (ВИОГЕМ), 1978.

ВВЕДЕНИЕ

Разведанные и намечаемые к разработке месторождения богатых руд КМА ( Яковпевское, Гостищевское, Вис -ловское, Больше-Троицкое, Ольховатское) характеризуются сложными гидрогеологическими условиями. Эта сложность определяется тем, что над рудным телом зале г а -ет комплекс осадочных неустойчивых пород, содержащих до семи водоносных горизонтов и имеющих между собой либо прямую гидравлическую связь, или же эта связь осуществляется через глинистые, так называемые раздель -ные, слабопроницаемые слои ( перемычки). Глинистые слои обычно характеризуются высокой пористостью, а следовательно, значительной сжимаемостью при изменении эффективных давлений и большими объемами воды, часть которых высвобождается и восполняет запасы основных водоносных горизонтов при водоотборах.

Сжимаемость глинистых пород, контактирующих с основными водоносными горизонтами, проявляется в основ -ном, как показал опыт строительства Запорожского железорудного комбината № 1 на Южно-Белозерском мест о -рождении, при проведении строительного водопонижения в высоконапорных водоносных пластах. В этот период под влиянием водопонизительных и дренажных работ на осва -иваемых месторождениях железных руд, помимо про чих нежелательных явлений, сопровождающих дренажные работы, происходит уплотнение глинистых пород кровли и почвы основных водоносных горизонтов, в которых происхо -дит интенсивное снижение напоров подземных вод, а вслед за ним и оседание дневной поверхности. При этом проис -ходят деформации крепи шахтных стволов и смещение их оси от первоначального положения. В то же время при оседании и сдвижении поверхности нарушается устойчивость фундаментов надшахтных зданий и сооружений, подземных машин, в мировой практике отмечены даже случаи деформации железнодорожных путей и автодорог.

Так, например, под влиянием строительного водопонижения на Южно-Белозерском месторождении дневная по -

3

верхность и вся перекрывающая рудное тело толща по -род претерпевала значительные деформации как в вер -тикальном, так и в горизонтальном направлениях. Вертикальные смещения при этом составили около 2,5 м, а горизонтальные - до 0,3 м.

Для разработки способов защиты строительных конструкций (крепи шахтных стволов, фундаментов надшахтных зданий и сооружений и др.) от деформаций возникает необходимость в разработке методов прогноза деформаций водоносных пород, оседания и сдвижения по -верхности земли под влиянием дренажных работ при строительстве и эксплуатации горных предприятий в районе КМА.

Необходимо отметить, что при сооружении горных выработок, например, шахтных стволов в сложных гид -рогеологических условиях их деформация происходит под влиянием дополнительных напряжений в горном масси -ве, возникающих за счет

нарушения равновесного состояния горного массива проводимой выработкой-стволом;

изменения агрегатного состояния пород при их за -мораживании, а затем оттаивании;

уменьшения гидростатического давления под влиянием дренажных работ и увеличения в связи с этим дав -ления со стороны кровли на скелет водонасыщенного пласта, выражающегося в сжатии всей породы в целом;

работ, связанных с проходкой ствола; разработко й породы и ее удалением.

Учет каждого из перечисленных факторов представ -ляет самостоятельную задачу, хотя действие их проявляется в одном направлении - они обусловливают общую деформацию горной выработки.

В настоящей работе излагается методика электро -моделирования на сеточных интеграторах деформац и й массива горных пород под влиянием изменения напор а в водонасыщенных пластах при проведении дренаж н ы х работ на месторождениях железных руд КМА в период их освоения.

4

Отдельные разделы написаны: введение, 2.1, 2.2.4 В.М.Чуйко; 1 - С.И. Косяковым и В.М.Чуйко; 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3, 2.2.4- А.В.Зубовой и В.М.Чуйко; 3 - Т.П. Забалуевой и В.М.Чуйко.

1. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОСАДОЧНОЙ ТОЛЩИ ПОРОД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КМА

Для месторождений КМА, в том числе Яковлевско-го, Гостищевского, Висловского, Ольховатского и Больше-Троицкого, в гидрогеологическом отношении харак -терна этажная система залегания водоносных пластов, разделенных слабопроницаемыми глинистыми слоями, через которые происходит гидравлическая взаимосвязь между водоносными горизонтами в разрезе. Поэтому при освоении этих месторождений под влиянием водопонюи-тельных работ, проводимых в отдельных водоносных пластах, например, руд но кристаллическом и нижне к а -менноугольном, в силу гидравлической взаимосвязи, будет происходить некоторое снижение напоров и в смежных с ними горизонтах. Таким образом, на месторождениях КМА процесс снижения напоров, а следовательно, и развития деформаций даже при локальных водоотборах может охватить целые комплексы водоносных пород.

Гидрогеологические условия перечисленных выше железорудных месторождений КМА качественно весьма схожи, хотя количественные характеристики напоров, коэффициентов фильтрации, сжимаемости и других ларамет -ров, конечно, разные. На этих месторождениях распро -странены следующие основные водоносные горизонты: маастрихт-туронский, сеноман-альбский, келловей-бат -ский, нижнекаменноугольный. При вскрытии и отработ -ке на этих месторождениях рудной залежи с заклад кой выработанного пространства дренажные мероприятия будут производиться только в нижнекаменноуголь ном и нижнепротерозойском водоносных горизонтах, так что понижение напоров будет происходить только в этих и, возможно за счет перетекания, в келловей-батском го -ризонтах.

В связи с этим ниже приведена характеристика только

нижнепротерозойского, нижнекаменноугольного и келло-вей-батского водоносных горизонтов, принимающих участие в геологическом разрезе Яковлевского, Гостищев-ского, Висловского, Ольховатского и Больше-Троицко -го железорудных месторождений КМА.

Нижнепротерозойский ( руднокристаллический ) (Pt,) водоносный горизонт имеет повсеместное распространение и приурочен к верхней трещиноватой зоне докембрийских пород, представленных бокситами, железными рудами, сланцами и кварцитами. Его средняя мощность 60-70 м. Водообильность руднокристаллических образований незначительна. Коэффициент фильтрации этих пород изменяется в широких пределах: от 0,004 до 0,57м/сут, при среднем зна-

Нижнепротерозойский водоносный горизонт гидравлически связан с вышележащим нижнекаменноугольным. Прямая гидравлическая связь между этими горизонтами имеет место на ограниченных по площади участках непосредственного контакта водоносных известняков с рудным телом. На преобладающей же площади района эта взаимосвязь затруднена из-за наличия в кровле докембрийских пород продуктов их выветривания - каолинов. Мощность каолиновых глин достигает 10-15 м, а коэф -фициент сжатия П_к-4,3 * 10"^ м /т.

Нижнекаменноугольный водоносный го -ризонт(С/‘^$) наиболее водообилен среди других нижней толщи осадочных пород. Он приурочен к трещиноватым и закарстованным известнякам, для которых характерно наличие в разрезе (преимущественно в ниж -ней его части ) прослоев сланцев и глин. Северная граница горизонта проходит примерно в 40 км от Яковлев -ского месторождения, а к югу от нее каменноугол ь -ный водоносный горизонт распространен повсеместно. Мощность его увеличивается с севера на юг от 35 до 180м. Величина гидростатического напора над кровлей известняков изменяется от 400 до 500м. Водообиль -ность известняков на месторождении изменяется в ши-

7

роких пределах, а коэффициент фильтрации - от 0,2 до 5,0 m/cvt. Коэффициент пьезопроводности изменяется от 5,7* 10* до 8,3 • Ю^м^/сут. Известняки карбона слабо -сжимаемые й_л = 2,8* 10“®м^/т*

Келловей-батский водоносный горизонт (J₂i\*^ct)    представлен песками с многочисленными ма

ломощными прослоями песчаников и реже - глин, развитых преимущественно в нижней части. Мощность гори -зонта 30-45 м, напор над кровлей достигает 330-370 м. Келловейские пески сравнительно однородны и характеризуются коэффициентами проводимости и пьезопровод -ности,равными соответственно кт - 14,2 м^/сут и 0= (1,1-3,0) 10$м^/сут. Пески слабосжимаем ы е CL*- 6,44 • 10“^м2/т.

В кровле келловей-батского водоносного горизо н т а залегают юрские глины киммеридж-оксфорда мощностью 40-50 м, представленные плотными известковистыми разностями. В толще глин часто встречаются 0,5-1,5-метро-вые линзообразно залегающие прослои известняков и песчаников. Плотные монолитные глины киммеридж-оксфорда характеризуются малой естественной влажностью, не превышающей обычно 16-18%, пористостью,равной 37-42%, большой уплотненностью и являются надежным водоупо -ром, отделяющим водоносные горизонты верхней осадочной толщи от нижней.

В почве келловей-батского водоносного горизонта залегают глины бат-байоса мощностью до 35 м, характер -ной особенностью которых является наличие прослоев песчаных пород, образующих локальные водоносные го -ризонты. Коэффициент фильтрации глин бат-байоса К --5*10”^м /сут, коэффициент сжатия CL* *3 • 10”^м^/т.

Слабопроницаемая толща глин бат-байоса раздели е т келловей-батский и нижнекаменноугольный водоносные горизонты.По данным опытно-производственного водопони-жения, проведенного на Яковлевском железорудном месторождении в известняках карбона было установлено,что глины бат-байоса характеризуются начальным градиентом фильтрации 1₀ = 4,2.

Схема деформирования нижнего комплекса водонос -

ных пород при снижении напорных уровней в общем случае будет пятислойной. Здесь при водоотборах испыты -вают деформации сжатия выветрелые породы (каолины) докембрийских образований, известняки карбона, глины бат-байоса и пески келловея, а также без отжатия по -ровых вод вся остальная вышележащая толща осадочных пород, залегающая в кровле келловей-батского водонос -ного горизонта. Такая схема деформирования пород не может быть решена аналитическими методами. Для многослойных систем наиболее перспективными являются методы расчета, базирующиеся на использовании АВМ и ЭЦВМ.

2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ДЕФОРМАЦИЙ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ПОРОД И ОСЕДАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ ПОД ВЛИЯНИЕМ ИСКУССТВЕННОГО ПОНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Под влиянием изменения напоров как в самих дрени -руемых пластах, так и в окружающих их породах возни -кает новое напряженно-деформированное состояние, которое проявляется в вертикальных и горизонтальных пере -мещениях массива горных пород, в том числе и поверхности земли. В зависимости от продолжительности, ин -тенсивности и объема водоотбора эти перемещения мо -гут достигать ощутимых размеров, поэтому в зданиях и сооружениях, находящихся в зоне депрессионных воронок, иногда возникают опасные по величине деформации. В процессе проведения осушительных работ на месторождениях железных руд наибольшие по величине перемешен и я в дренируемых водоносных пластах и перекрывающих их породах возникнут в зоне, примыкающей к дренажным устройствам. В ней, как правило, находятся шахтные ство -лы, здания подъемных машин, эстакады, вентиляторные и компрессорные установки, в связи с этим исходя из производительности и режима работы системы дренажа,важно предварительно оценить деформации, которые будут