Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

На правах рукопису

ПУСТОВОЙТЕНКО Валерій Павлович

УДК 622.692.24

ТЕОРІЯ І ПРАКТИКА ОСВОЄННЯ ПІДЗЕМНОГО

ПРОСТОРУ УКРАЇНИ в УМОВАХ РОЗВИТКУ

ГЕОТЕХНОГЕННИХ ПРОЦЕСІВ

Спеціальність 05.15.04. – “Шахтне та підземне будівництво”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі будівельних геотехнологій і конструкцій

Національного гірничого університету

Міністерства освіти і науки України (м.Дніпропетровськ)

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Шашенко Олександр Миколайович,

завідувач кафедри будівельних геотехнологій і конструкцій Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м.Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Усаченко Борис Миронович, завідувач відділу механіки гірничих порід Інституту геотехнічної механіки НАН України, (м.Дніпропетровськ)

доктор технічних наук, професор Бузило Володимир Іванович, професор кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України, (м.Дніпропетровськ)

доктор технічних наук, с.н.с. Друцко Віталій Павлович, завідувач відділу проведення і кріплення гірничих виробок і випробування конструкцій Науково-дослідного інституту організації і механізації шахтного будівництва Міністерства палива та енергетики України, (м.Харків)

Провідна установа - Донецький технічний університет, кафедра будівництва шахт та підземних споруд Міністерства освіти і науки України

Захист дисертації відбудеться “_24__” __травня__ 2002р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України

(49027, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого

університету Міністерства освіти і науки України

(49027, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19).

Автореферат розісланий “_21_” __квітня_ 2002р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент О.В.Солодянкін

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. На території України на цей час проживає близько 48 млн. чоловік. Щільність населення нерівномірна. Вона зростає з заходу на схід і досягає максимального значення у Донецькій області, великих містах, таких як Київ, Харків, Дніпропетровськ, а також, сезонно, у рекреативних зонах (Крим). Це викликано наявними мінеральними ресурсами, концентрацією промислового потенціалу та природними факторами, використання яких дозволяє підвищувати рівень здоров’я людей. Наведені вище основні геолого-географічні утворення є зонами (територіями) підвищеного антропогенного впливу.

Як правило, цей вплив негативно позначається на історично сформованому балансі територіальних природних факторів, погіршує екологічні показники і якість життя населення. У цьому зв'язку держава приймає певні міри, спрямовані на регулювання взаємин людини із навколишнім середовищем. Одним з таких ефективних заходів є освоєння підземного простору, в першу чергу, на територіях підвищеного антропогенного впливу.

Штучні підземні порожнини є частиною інфраструктури сучасного суспільства, за допомогою яких, спираючись на закони геомеханіки породних масивів, можливо істотно знизити негативний вплив антропогенних процесів на екологію навантажених територій.

Таким чином, наукові дослідження, спрямовані на вирішення науково-технічної проблеми освоєння підземного простору України в умовах геотехногенезу, є актуальними і мають важливе народногосподарське значення.

Робота виконана відповідно до програм науково-дослідних робіт Національної гірничої академії України, які пов'язані з держбюджетними темами ГП207 “Оптимізація просторової орієнтації підземних виробок у структурно-неоднорідному породному масиві” (№ держреєстрації 0197018306) і ГП269 “Розробити наукові принципи розвитку гірничих робіт у геологічному середовищі з різноманітними напруженнями і геодинамічними полями” (№ держреєстрації 0100V 001804).

Метою досліджень є встановлення геомеханічних закономірностей взаємодії підземних споруд з породним масивом для ефективного освоєння антропогенно навантажених територій України в умовах формування інженерно-геологічних процесів.

Основна ідея досліджень полягає в тому, що підземне спорудження і неоднорідне антропогенно навантажене породне середовище (територія) розглядаються як єдина геомеханічна система, що функціонує в умовах впливу гравітаційних і додаткових природних і штучних силових факторів.

Об'єктом досліджень є антропогенно навантажені породні масиви, що містять підземні виробки тривалого використання.

Предметом досліджень є напружено-деформований стан геомеханічної системи “підземна виробка – породний масив”.

Методи досліджень. Поставлена в роботі ціль досягнута шляхом використання методів комплексного аналізу й узагальнення інформаційних джерел і світового досвіду в області підземного будівництва і стійкості гірничих виробок, а так само аналітичних, лабораторних і натурних досліджень з використанням методів механіки суцільного деформованого тіла, будівельної механіки, теорії імовірностей і статистики, теорії подібності і розмірностей.

Основні наукові положення, які захищаються у дисертації:

- у зоні гідрогеомеханічного впливу підземного спорудження у нестійких льосових породах розвиваються процеси активізації деформацій, які взаємно конкурують; це явище супроводжується зміцненням і підвищенням стійкості породного масиву і є основою технології керування геотехнічною стійкістю території;

- моніторинг геотехнічної стійкості територій здійснюється комплексним впливом на породний масив заданим режимом рівнів підземних вод, конструкцій підземного спорудження і дренажних пристроїв з контролем геофізичних параметрів і чисельних гідрогеомеханічних моделей стану масиву, а також включенням у систему моніторингу блоків проектування й організації робіт, що дозволяє регулювати геомеханічний стан нестійких породних масивів;

- при невеликих (до 100 м) глибинах розташування підземних споруджень міцність гірських порід, що вміщають, з варіацією, яка не перевищує 15 %, задовільно описується прямою лінією, що обгинає граничні кола Мору, у якій основним параметром є межа міцності на одноосьовий стиск, що дозволяє в замкнутому виді вирішувати задачу оцінки несучої здатності міжкамерних ціликів;

- можливі технологічні відхилення при проектуванні ціликів враховуються введенням додаткового коефіцієнту запасу міцності, величина якого обратнопропорційна величинам дисперсій відхилення дефектів, параметру автокореляційної функції і довжині ціликів, що дозволяє підвищити надійність функціонування підземних об'єктів;

- несуча здатність основних опорних елементів підземних споруджень – міжкамерніх ціликів – істотно і нелінійно залежить від величини коефіцієнта бічного тиску, що дозволяє обґрунтовано зменшувати їх розміри на 15-20%;

- величина запасу міцності при проектуванні стелин камер має експонентну залежність від коефіцієнта бічного тиску недоторканого породного масиву; облік цієї обставини дозволяє в тих самих гірничо-геологічних умовах закладати в проекти підземних об'єктів камери, ширина яких на 10-15 % більше при тім же рівні безпеки експлуатації.

Обґрунтованість і вірогідність положень, висновків і рекомендацій підтверджена коректністю поставлених задач, використанням апробованих методів гідродинаміки і механіки суцільного середовища, теорії ймовірностей і статистики, задовільним (до 12-18 %) збігом результатів аналітичних і натурних досліджень, адекватністю розроблених математичних моделей реальним об'єктам, результатами позитивного практичного використання розробок і рекомендацій.

Наукове значення виконаних досліджень полягає в наступному:

- установлений механізм взаємоконкуруючих процесів активізації деформацій і підвищення стійкості льосового ґрунту навколо підземного спорудження за рахунок зміни ефективних напружень і фільтраційного тиску, що дозволяє зменшити зсувні деформації у нестікому масиві в 1,3...1,4 рази;

- доведений параметричний зв'язок природних імпульсів електромагнітного поля землі і щільності нестійких породних зон навколо підземного спорудження, а також можливість контролю їх тампонажного зміцнення;

- обґрунтована система моніторингу геотехнічної стійкості міської території, де як керуючі елементи є підземні спорудження, які дозволяють підтримувати рівневий режим підземних вод на відмітках геотехнічної й екологічної стабільності;

- уперше встановлено, що на стійкість ціликів і камер істотно (до 30 %) впливає величина коефіцієнта бічного розпору; це дозволило підвищити надійність проектування несучих елементів підземних споруджень;

- уперше досліджена стохастична модель стрічкового цілика з урахуванням технологічної неоднорідності; доведено, що облік цієї обставини дозволяє збільшити запас міцності на 25-28 %;

- уперше детально розглянута модель протяжної підземної виробки, розташованої під довільним кутом до фронту сейсмічної хвилі, що дозволило уточнити конструктивні параметри бетонного кріплення з компенсуючими щілинами.

Практичне значення роботи:

- встановлені гідродинамічні показники, на основі яких можливий контроль процесу активізації деформацій у льосових породах, у тому числі суфозії, при підтопленні і наступному осушенні з підземних споруджень, що дозволяє здійснити перепуск ґрунтових вод у поглинаючий горизонт і підвищити ефективність дренажних функцій підземних споруджень;

- обґрунтовані технологічні схеми регулювання рівневого режиму територій з використанням підземних споруджень для скидання техногенних вод і для їх акумулювання і використання в підземній гідроелектростанції;

- розроблена методика проектування ціликів і стелин камер при будівництві підземних споруджень у неоднорідному породному середовищі із урахуванням негідростатичного початкового поля напружень;

- для сейсмічно небезпечних районів запропоновані залежності, що дозволяють проектувати підземні виробки, які розташовані під довільним кутом до фронту ударної хвилі;

- запропонований спосіб оцінки крихкості гірських порід, що дозволяє підвищити точність визначення їх основних міцносних характеристик.

Реалізація результатів досліджень.

Результати досліджень реалізовані при проведенні протизсувних заходів і ліквідації прориву нестійких порід у виробках Дніпропетровського метрополітену; при виборі систем захисту підроблених територій у Центральному районі Донбасу, при проектуванні підземного гаражного комплексу в м. Сімферополь, підземних очисних споруджень у с.м.т. Сімеїз (Ялта), підземного овочесховища в м. Сімферополь, підземного переходу під Керченською протокою.

Особистий внесок автора. Автором самостійно сформульовані мета і задачі досліджень, ідея роботи, її основні наукові положення, висновки і рекомендації, програма лабораторних і натурних досліджень, обрані методи аналітичних досліджень. Автор приймав безпосередню участь у плануванні методики і виконанні лабораторних робіт, теоретичних досліджень, розробці фізичних і математичних моделей, упровадженні результатів у виробництво.

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертації доповідалися, обговорювалися, були схвалені на засіданнях кафедри будівельних геотехнологій і конструкцій НГА України в м. Дніпропетровську (1996...2001р.р.), на технічних радах НВФ “ЕСПО” м. Сімферополь (1997...2000р.р.), на міжнародній науково-технічній конференції “Word tunnel congress” у м. Відні, Австрія (1997 р.), на міжнародних науково-технічних конференціях із проблем освоєння підземного простору великих міст у м. Дніпропетровську (1997 р.) та у м. Сімферополі (1998 р.), на міжнародних симпозіумах “Mine Planning and Equipment Selection & Environmental and Economical Issues” у м. Дніпропетровську (1999 р.) та “Geotechnological Issues of Underground Space Use for Environmentally Protected World” у м. Дніпропетровську (2001 р.), на міжнародному симпозіумі “Тиждень гірника” у м. Москві, Росія (2001 р.), а також на 1-й промисловій конференції “Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах” у с. Славське (2001 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 33 наукові праці, у т.ч. 2 - монографії, 1 – брошура, 24 - у спеціалізованих фахових виданнях, 6 - у матеріалах наукових конференцій і симпозіумів.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 7 розділів, висновку, списку використаних літературних джерел з 190 найменувань і 3 додатків. Вона містить 297 сторінок машинописного тексту, 56 малюнків і 24 таблиці.

Основний зміст роботи

Урбанізація суспільства, окрім цілого ряду достоїнств, породила і головну негативну проблему, пов'язану з екологічними наслідками антропогенного впливу на навколишнє середовище. Один із шляхів вирішення цієї проблеми полягає в освоєнні підземного простору шляхом використання наявних природних порожнин у земній корі і штучних, які створюються цілеспрямовано для тих чи інших потреб. У 20-му сторіччі на основі всебічного вивчення складної взаємодіючої системи “людина-підземне спорудження-породний масив” були розроблені методи і способи будівництва підземних об'єктів довгострокового призначення. Узагальнений науковий і технологічний досвід підземного будівництва покладений в основу нової галузі знань – будівельної геотехнології.

Щільність населення на території України зростає з заходу на схід і досягає максимальної концентрації в Донецькій області, великих містах, таких як Київ, Харків, Дніпропетровськ, а також, сезонно, в окремих рекреативних зонах (наприклад, у Криму). Це викликано концентрацією промислового потенціалу, наявністю мінеральних ресурсів і природних факторів, використання яких дозволяє підвищувати рівень здоров'я людей. Перераховані вище основні геолого-географічні й адміністративні утворення є так званими територіями підвищеного антропогенного впливу.

Аналіз показує, що цей вплив негативно позначається на історично сформованому балансі територіальних природних факторів. Це у свою чергу погіршує екологічні показники і якість життя населення. У цьому зв'язку держава змушена приймати певні міри, спрямовані на регулювання взаємин людини із навколишнім середовищем. Одним з таких ефективних заходів є освоєння підземного простору на територіях підвищеного антропогенного впливу.

У цьому зв'язку встановлення геомеханічних закономірностей взаємодії підземних споруджень з породним масивом для ефективного практичного освоєння антропогенно навантажених територій України в умовах формування інженерно-геологічних процесів є важливою науковою і народно-господарською проблемою, вирішенню якої присвячені дослідження, які виконані у дисертації.

Основні задачі досліджень полягають у наступному:

·

·

·

·

·

·

·

·

Викладені вище задачі об'єднані в три напрямки досліджень:

1) Обґрунтування можливості управління станом нестійких породних масивів в умовах розвитку інженерно-геологічних процесів за допомогою підземних виробок.

2) Дослідження стійкості підземних виробок у сейсмічно небезпечних районах.

3) Обґрунтування параметрів підземних виробок тривалого призначення в стійких породних масивах.

Аналіз інформаційних джерел і екологічної ситуації в Україні показав, що протягом останніх десятиріч відбулося значне збільшення техногенних навантажень на геологічне середовище за рахунок урбанізації території України, створення великих гірничодобувних, теплоенергетичних, гідротехнічних, гідромеліоративних, агропромислових технологічних комплексів. На територіях з інтенсивним розвитком промисловості і великою щільністю населення (Донецько-Придніпровський регіон) переважає техногенний характер виникнення, розвитку й активізації інженерно-геологічних процесів. Породні масиви, охоплені такими процесами, прийнято вважати нестійкими.

У цілому в Україні відзначається розвиток більш 20 різних видів інженерно-геологічних процесів. У 75% міст потрібно інженерний захист, у 244 містах розвивається підтоплення, у 144 – активно виявляються деформації гравітаційного характеру (наприклад, зсуви), а в 50 – просадні явища льосових ґрунтів.

Велике техногенне навантаження на геологічне середовище привело до зміни сейсмічних умов унаслідок розвитку підтоплення, осідань льосових ґрунтів, осідання і зрушення земної поверхні над гірськими виробками. Найбільш інтенсивний вплив сейсмічності відзначається в межах сейсмогенеруючих глибинних розломів у південно-західній частині України.

Підтоплення сприяє зміні водно-фізичних і міцносних властивостей ґрунтів, розвитку вторинного засолення і заболочування, що утруднює нормальну експлуатацію господарських територій.

Протягом останніх десятиліть у межах України перезволожені площі досягли 15% її загальної території. Інтенсифікація цього процесу обумовлена забудовою, зрошенням, водоймищами. Річковий стік в Україні практично цілком зарегульований. Довгострокові прогнози свідчать про очікуваний цикл підвищеної природної водності в 2001-2035 р.р., що ще більше погіршить ситуацію.

Підтоплення нерозривно пов'язане з активізацією зсувних процесів. За станом на 2001 р. в Україні зафіксовані більш 17 тисяч зсувів. Площа їхнього поширення перевищує 21 тис. км2.

Особливо небезпечний розвиток підтоплення в районах поширення льосових порід. У цьому випадку активізуються просадково-зсувні явища. Льосові породи займають 56% території України. Найбільш розвиті льосові масиви в Придніпровській і Причорноморській западинах.

У Дніпропетровській і Запорізькій областях майже 80% господарських об'єктів розміщено на льосах. Деформаціям тут піддано більш 10 тисяч будинків і споруджень. Осідання льосових ґрунтів при підтопленні фіксуються в межах 0,3-2,2м.

Осідання земної поверхні в результаті ведення гірничих робіт і закриття шахт у межах Донецької, Луганської і Дніпропетровської областей охоплюють площу 8 млн.км2 і досягають за величиною декількох метрів. Геологічне середовище в цих умовах перетворюється у техногенне утворення. Її повернення у початковий стан вимагає масштабного інженерного регулювання. У цілому територія України, як випливає з рис. 1, практично вся уражена інженерно-геологічними процесами.

Задача підвищення геотехнічної стійкості міських територій в умовах інженерно-геологічних процесів, що розвиваються, шляхом застосування підземних виробок спеціального призначення досліджена на характерному прикладі льосових ґрунтів у районі м. Дніпропетровськ.

Експериментальні дослідження полягали у керованому впливі на режими ґрунтових вод з метою зміни пружно-деформованому стану льосових основ та їх зміцнення. Методика досліджень полягала в тім, що характерні зразки ґрунту, відібрані вище рівня капілярного підняття ґрунтової води, поступово пригружались у компресійних приладах повним тиском, що відповідало розглянутим глибинам. Потім робили замочування зразка і повторну його пригрузку повним тиском. Аналогічні зразки піддавалися випробуванням на різних приладах для оцінки їх міцності при замочуванні у різних умовах ущільнення.

Відбір проб проводився зі свердловин, які були пробурені у межах експериментальних (підтоплених і не підтоплених) ділянок зсувного схилу балки, що пролягає повздовж проспекту Кірова. Ґрунти на експериментальних ділянках мали однакову літологічну будову і відносяться до ІІ типу відносно осідання.

Дослідження на осідання показали, що відносне осідання льосів сильно коливається навіть на одній і тій же глибині. У середньому можна прийняти, що при тиску, який дорівнює 0,1 МПа, відносна величина осідання дорівнює 2 %, при тиску 0,2 МПа – 4%, при тиску 0,3 МПа – 6 %. У цьому випадку деформації осідання при підтоплені будівельного майданчика на висоту близько десяти метрів для різних фундаментів складають від 10,0 до 17,0 см.

Відповідно до прийнятої методики компресійних випробувань отримані досить представницькі дані, що моделюють різні умови загруження льосів. Найбільш характерні графіки випробувань ґрунтів наведені на рис. 2.

Рис. 2.Графиік іспиту льоса на компресію та просадку з

розвантаженням і наступним довантаженням

Основною задачею випробовувань на міцність льосових ґрунтів було з'ясування питання про зміну міцносних характеристик при їхньому підтопленні і після осушення. Випробування проводилися на приладах одноплощинного зрізу і в стабілометрах. Результати цих випробувань наведені на рис. 3. З них випливає, що осушення приводить до істотного підвищення міцності на зсув і стійкості основ у цілому.

Ідея управління стійкістю зсувних схилів в підземних виробках, що об’єднують господарські і захисні функції, багато у чому залежить від проявів суфозії у зоні дренажного впливу. Для оцінки цих проявів була обрана експериментальна ділянка в районі балки Зустрічна в м. Дніпропетровську, де причиною зсувної аварії 6 червня 1997 р. послужив факт механічної суфозії у нижній частині схилу.

Рис. 3. Графік іспиту льоса у зсувному приладі

Критичний гідравлічний градієнт для цього конкретного випадку розраховувався за наступними формулами:

формула Терцагі

Ik=(сs –1)(1-n), (1)

формула Замаріна

Ik=(сs –1)(1-n)+0,5 n, (2)

де сs – густина мінеральних частин піску (питома вага), г/см3; n – пористість піску, д.ед;

формула Гольдштейна

Ik=, (3)

де e – коефіцієнт пористості.

Розрахунок критичного градієнту гідродинамічного тиску для фільтрової зони здійснений за формулою

Ik=сsв ctg , (4)

де сsв – густина ґрунту з обліком дії води, що зважується, г/см3, - кут внутрішнього тертя ґрунту.

Результати розрахунків зведені в табл. 1, з якої випливає, що для льосових ґрунтів ці формули дають близькі значення, які збігаються з величинами, що отримані для пісків.

Таблиця 1.

Критичні гідравлічні градієнти

№ ІГЕ | Ik за формулами

1 | 2 | 3 | 4

3 | 0,82 | 1,07 | 0,82 | 2,68

3а | 0,89 | 1,12 | 0,89 | 3,10

4 | 0,87 | 1,11 | 0,88 | 2,29

4а | 0,92 | 1,14 | 0,92 | 3,20

5 | 0,93 | 1,16 | 0,93 | 3,24

6 | 0,96 | 1,17 | 0,96 | 2,95

7 | 1,01 | 1,22 | 1,01 | 4,75

8 | 0,94 | 1,16 | 0,94 | 2,72

9 | 1,02 | 1,23 | 1,02 | 4,79

Доведено, що причина переходу льосових ґрунтів у пливунний стан з наступним утворенням зсуву криється в закритих - неконтрольованих - дренажах. При контрольованому осушенні масиву з підземної виробки цього вдається уникнути. Для вивчення специфіки гідрогеомеханічних процесів, що протікають навколо підземної виробки – регулятора, були виконані експерименти на моделях з еквівалентних матеріалів. Задача моделювання полягала в тому, щоб установити величину випередження забивного кріплення, що забезпечує проведення виробки без випуску додаткового обсягу породи, а також можливі деформації фундаменту і величину водопритоку у виробку. На рис. 4. показано фізична модель, а на рис. 5. графік просадок фундаментної плити, яка моделюється при проходці виробки. У процесі виконання експериментів було доведено, що вибій виробки, яка проводиться, виконує функції вертикальної дренажної площини, що розкриває рівневу поверхню ґрунтових вод; виїмка ґрунту до переднього краю кріплення формує провал на земній поверхні глибиною до 4,0м, при підході виробки до фундаментної плити; вибій виробки під фундаментною плитою формується вибором основи з шириною 1,5-3,0 м по осі виробки від переднього краю; швидкість осадки навантаженого фундаменту зростає із швидкістю проведення виробки і особливо інтенсифікується при проходці крайових навантажених зон (рис. 5); помітних деформацій між центральною і периферійною частинами фундаментної плити не відбувається, що свідчить про швидке гідростатичне вирівнювань поля напружень на контакті “порідний масив – пружна поверхня”; забивне кріплення стабілізує виплив із вибою виробки на відстані на 2 м від її нижнього краю. При цьому відбувається контрольоване осушення і зміцнення льосового схилу.

Рис. 4 Схема фізичної моделі для дослідження геофільтраційних

процесів у пружній зоні навколо виробки:

1. - водонепроникний корпус; 2. - навантажена плита; 3. - штрек; 4. - живильна перфорірована трубка; 5. - рівень ґрунтових вод; 6. - зливальний отвір; 7. - водонасичений пісок; 8. - вантаж; 9. - індикатор для виміру осад.

Рис. 5. Графіки модельних осадок периферійних (1,2,4) і центральних (3) міст навантаження плити у водонесучому піску при підробці гірничою виробкою

Можливість перманентного контролю геотехнічного стану нестійкого породного масиву була перевірена двома методами: шляхом реєстрації імпульсів природного електромагнітного поля Землі і вертикального електричного зондування. Перевірка проводилася в зоні порушень денної поверхні при проведенні виробок Дніпропетровського метрополітену. Результати вимірів приведені на рис. 6. Установлено, що амплітуда природного електромагнітного випромінювання добре корелює з розмірами вивалів гірських порід, а сам метод може бути використаний для організації безупинного моніторингу стану нестійких породних масивів.

Рис. 6. Значення природного імпульсу електромагнітного поля Землі:

1 – до закачування тампонажної суміші об’ємом (V);

2 – після закачування.

Викладені вище дослідження дозволили доказати, що у зоні гидрогеомеханічного впливу підземного спорудження в хитливих льосових породах розвиваються взаємно конкуруючі процеси активізації деформацій, що супроводжуються зміцненням і підвищенням стійкості породного масиву. Це твердження є основою технології управління геотехнічною стійкістю території.

Аналітичні дослідження гідродинаміки породного масиву, що містять дренувальні свердловини і підземну виробку як регулятор стоку води, були виконані на основі приведених вище натурних і лабораторних експериментів методом кінцевих різниць.

Спочатку досліджувався дренувальний ефект одиночної свердловини при перепуску води з верхнього в нижній водоносний горизонт. Розрахункова схема наведена на рис. 7.

У табл. 2 показані розрахункові значення зниження рівня ґрунтових вод для трьох варіантів стосовно до зсувних ділянок м. Дніпропетровська для різних варіантів коефіцієнта фільтрації Кс і двох значень радіусу зони впливу свердловини . Найбільший ефект дає третій варіант (тут S(32) – зниження рівню на відстані 32 м від свердловини).

Таблиця 2.

Пониження рівня при різноманітних значеннях Кc и R1

R1,м | 100 | 200

Кc, м/доба | S1,м | S(32),м | S1,м | S(32),м

10 | 0,84 | 0,18 | 1,96 | 0,29

20 | 1,72 | 0,36 | 1,98 | 0,58

50 | 4,68 | 0,91 | 5,41 | 1,48

При цьому встановлено, що величина підвищення рівня води в нижньому горизонті в результаті перепуску її з верхнього горизонту збільшується в розглянутих умовах незначно.

Також виконана оцінка дренувального ефекту поглинаючої свердловини з урахуванням техногенної фільтрації і встановлено, що цей фактор зменшує дренувальний ефект свердловини від 10 до 45% у залежності від відстані до останньої.

Зроблена оцінка величини можливого осідання фундаментів будинків на поверхні в результаті осушення масиву з підземної виробки. Установлено, що нерівномірне осідання будинків при штучному зниженні рівня ґрунтових вод за умови, що депресійна поверхня буде керованою, не можуть представляти небезпеки для надфундаментних конструкцій.

Таким чином, на підставі викладених досліджень обґрунтований концептуальний підхід, що полягає у використанні підземних виробок, як регуляторів геотехнічної стійкості на антропогенно навантажених льосових територіях в умовах інженерно-геологічних процесів, що розвиваються. Для цього необхідно мати систему безперервного комп'ютерного моніторингу породних масивів з метою своєчасного корегування параметрів підземних дренувальних споруджень. Структурно така система складається з чотирьох блоків, які представлені на рис.8.

Рис. 8. Схема функціональних зв’язків системи

забезпечення геотехнічної стійкості території

Математичне забезпечення системи реалізоване в Інституті мінеральних ресурсів у вигляді програми MIF. Система управління геотехногеною стійкістю була апробована на прикладі зсувонебезпечної території жилмасиву “Тополя-1” у м. Дніпропетровську. За розрахунком розмір контрольованої площі склав 0,75 км2, максимальне зниження рівня ґрунтових вод - 9,5-13,5м. Гідрогеологічна ситуація підтримується дренажними забивними фільтрами з підземної виробки.

Кінцевоелементна комп’ютерна модель оцінки геомеханічної ситуації зсувонебезпечних схилів, яка розроблена у НГУ, була включена в систему моніторингу ґрунтового масиву уздовж правого берега р. Дніпро. Схема до розрахунку управління його напружено-деформованим станом передбачає систему свердловин і підземну дренувальну виробку, яка представлена на рис. 9. Співставлення даних моделювання і натурних вимірів в свердловинах свідчили про допустимий збіг результатів (до 18 %).

Рис. 9. Схема та результати розрахунку напружено-деформованого стану

навантаженого порідного схилу:

1 – напруження від ваги спорудження; 2 – епюри зсувних деформацій по характерним перетином; 3 – поверхня ковзання, яка прогнозується; 4 – існуюче положення рівня ґрунтових вод; 5 – прогнозне положення рівня ґрунтових вод; 6 – розташування дренажних виробок по варіантам рішення.

Відзначається, що зміна гідрогеологічного стану в результаті природних і техногенних причин приводить до підвищення сейсмічної активності, особливо в південних районах України. У цьому зв'язку в дисертації виконані дослідження стійкості підземних виробок неглибокого закладення при впливі на їх кріплення сейсмічних хвиль.

Розрахункова схема задачі наведена на рис. 10. Розглянутий випадок, коли подовжня вісь виробки розташована під довільним кутом б до напрямку поширення сейсмічної хвилі. Кріплення виробки розрізане за довжиною на блоки, між якими мають місце зазори, що компенсують. У результаті досліджень отримані нові формули для визначення довжини ділянки кріплення ?L і величини зазору д.

Довжина повздовжньої ділянки кріплення оцінюється за формулою:

(5)

де L – загальна довжина виробки, n – кількість ділянок кріплення, E0 – модуль пружності матеріалу кріплення.

Напруження у зоні ділянки складають

(6)

Тут - коефіцієнт сейсмічності; - коефіцієнт концентрації напруження; - щільність породи, - коефіцієнт Пуассона породи, и - швидкість поширення подовжених і поперечних хвиль у породі, обумовлені відомими формулами; - період сейсмічних коливань. Вісь х приймається направленою перпендикулярно фронту хвилі; тоді кут між осями и складає , і напруження у оброблені буде . Підставимо сюди (6), а результат підстановки - в (5), і остаточно отримаємо:

(7)

Величина радіальної складової подовження ділянки кріплення складає

(8)

де Wd – прогин при динамічному навантаженні, який випливає із рішення диференційного рівняння; R – радіус кільця кріплення.

Загальна подовжена ділянки кріплення буде дорівнювати:

. (9)

Розрахунки показують, що для великого діапазону гірничих умов величина зазору між ділянками (кільцями) кріплення дорівнює , а довжина ділянки визначається за формулою:

. (10)

За такими параметрами конструкції кріплення товщина її знижується в 3-5 разів у порівнянні зі звичайною суцільною конструкцією.

Вище були розглянуті варіанти штучного створення підземних споруджень спеціального призначення для управління станом нестійких породних масивів. У той же час територія Донбасу має велику кількість вже існуючих підземних виробок вугільних шахт. У процесі їх закриття відбувається таке обводнення ґрунтових масивів, що незабаром може привести до екологічної катастрофи. У дисертації був розглянутий варіант використання підземної гідроелектростанції (ПГЕС), розміщеної у виробках вугільної шахти, що закривається, з метою підтримки рівня ґрунтових вод у припустимих межах і покриття пікових навантажень в енергосистемі регіону.

Гідродинамічна схема роботи ПГЕС наведена на рис. 11. Моделювання режиму роботи ПГЕС було виконане стосовно до умов шахти ім. Артема Центрального району Донбасу. Принципових труднощів, щодо реалізації моделі для будь-якої іншої шахти (або групи шахт), немає.

Аналіз карти гідроізогипс кам’яновугільного водонесучого горизонту на полі шахти ім. Артема і суміжних шахт показав наявність слабо проникної зони між верхньою і нижньою товщами карбона. Це дозволило прийняти для розрахунків тришарову геофільтраційну схему, два шари якої розглядаються, як водонесучі горизонти, а третій – як слабопроникна відокремлююча зона.

Для умов шахти ім. Артема вирішувались пряма і зворотні задачі для вивчення динаміки рівнів і водопритоків на стадіях ідентифікаційних досліджень, а також при прогнозуванні режиму роботи ПГЕС і затоплення шахти.

Рис. 11. Гідродинамічна схема роботи ПГЕС: А – шахта ПГЕС; Б – затоплена шахта; В – робоча шахта; Q1, Q2, Qа – добові витрати води при роботі ПГЕС у звичайному режимі і аварійному (Qа) при підтопленні робочої шахти В; Q, Qа - теж при скиданні останніх витрат; q1, qа – перетоки підземних вод у відповідних звичайному і аварійному режимах; 1- виробка – акумулятори води ПГЕС; 2 – фільтруючі перемички;3 – зона гідродинамічного впливу при роботі ПГЕС на водовідлив; 4 – збійка; 5- накопичувач води; 6 – поверхневий водооток; 7,8 – рівень підземних вод відповідно при звичайному і аварійному режимах роботи ПГЭС.

Пряма (прогнозна) задача полягала у визначені динаміки рівнів нижньої і верхньої товщ при затопленні шахти ім. Артема, а також при роботі ПГЕС, яка споруджена у ній.

Зворотна задача полягала в уточнені фільтраційних параметрів водоносних горизонтів (водопровідність, водовіддача) і відокремлюючої товщі (параметр перетоку) шляхом досягнення збіжності модельних і фактичних водопритоків за десятирічний період (1985-1995 р.р.), а також співпадання розподілу абсолютних відміток рівней підземних вод верхньої водовміщуючої товщі, яка відповідає карті гідроізогіпс.

Чисельне моделювання фільтраційної здатності породного масиву сумісно з ПГЕС показало можливість використання останньої, як екологічного і гідродинамічного регулятора водовідливів шахт на будь-якій стадії реструктуризації.

Наведені вище дослідження дозволяють стверджувати, що управління геотехнічною стійкістю територій здійснюється комплексним впливом на породний масив заданим режимом рівнів підземних вод, конструкцій підземного спорудження і дренажних пристроїв з контролем геофізичних параметрів і чисельних гидрогеомеханічних моделей стану масиву, а також включенням у систему моніторингу блоків проектування й організації робіт, що дозволить регулювати геотехнічний стан нестійких породних масивів.

На відміну від нестійких, стійкі породні масиви зберігають свої властивості практично незмінними в процесі експлуатації підземних об'єктів. Найчастіше ці об'єкти являють собою низки протяжних камер, які розділені ціликами. Несучі елементи - цілики і стелини камер – повинні забезпечити стійкість підземних споруджень на протязі всього терміну служби. Дослідженню проблем, які пов'язані з розрахунком ціликів і камер, присвячена друга частина дисертації.

Розрахунок ціликів складається з двох окремих задач, які полягають в оцінці несучої здатності ціликів і визначенню навантаження на них з наступним аналізом величини коефіцієнту запасу міцності.

Оцінка несучої здатності ціликів в дисертації виконана на основі узагальнення великої кількості лабораторних експериментів з випробувань гірських порід в об'ємному напруженому стані, які отримані, перш за все, О.М.Ставрогіним і Куком. Вони добре апроксимуються умовою міцності, яка має вигляд:

, (11)

де у1, у3 – найбільше і найменше значення головних напружень; RС – межа міцності на одноосьовий стиск матеріалу цілика; kС – коефіцієнт структурного послаблення.

Ця умова, як і багато інших, є нелінійною, що істотно ускладнює рішення задач, які пов'язані із граничним станом породних конструкцій. У роботі запропонований лінійний критерій

, (12)

що добре (з відхиленням 5-15 %) описує процес руйнування гірських порід і може бути рекомендованим при проектуванні міських підземних споруджень, які розташовані на невеликих глибинах (до 100 м).

Задача визначення несучої здатності ціликів вирішена методом суперпозиції на основі запропонованої лінійної умови міцності (12). Вважається, що породний масив має негідростатичне навантаження з коефіцієнтом бокового розпору л?1. Розрахункова схема наведена на рис.12. В основу задачі покладене рішення А. Лабасса про розподіл напружень навколо круглої виробки, яка знаходиться в умовах несиметричного стиснення. Відмінність реальної форми камер від кругової враховується за допомогою спеціального коефіцієнту К, який отриманий, на основі досліджень, які виконані А.Є. Кликовим.

Рис. 12. Розрахункова схема до визначення навантаження на довільний цілик

Встановлено, що навантаження на і-й цілик не залежить в цілому від його місця в загальному ряду, співпадає з формулою Л.Д.Шевякова і дорівнює:

, (13)

де г – середня щільність шарів порід над ціликами; З – глибина розташування цілика; а – ширина цілика; b – ширина камери; K – коефіцієнт, який враховує форму камери; m= а/b.

Доказано також, що на несучу здатність ціликів в основному впливають дві камери, що примикають, і величина коефіцієнту бокового розпору. Несуча здатність k-го цілика у ряду з n ціликів дорівнює

(14)

Після деяких спрощень із формули (14) отримаємо формулу для розрахунку несучої здатності цілика з урахуванням коефіцієнту бокового розпору:

(15)

Вплив коефіцієнту бокового розпору на несучу здатність цілика може сягати 30% і вище (рис. 13). Ця обставина дозволяє стверджувати, що несуча здатність основних опорних елементів підземних споруджень – міжкамерних ціликів – істотно і нелінійно залежить від величини коефіцієнту бокового розпору, що дозволяє обґрунтовано зменшувати їх розміри на 15-20%.

Рис. 13. Вплив негідростатичного розподілу навантажень

Розрахунок ціликів виконується на основі залежностей (13) і (15) з урахуванням коефіцієнту запасу міцності Z:

(16)

У реальних умовах розраховані значення ширини ціликів не дотримують внаслідок причин технологічного характеру. Відхилення від розрахункових значень можуть бути істотними і ця обставина повинна враховуватися при визначенні запасу міцності ціликів.

У дисертації ця задача вирішена на основі методів теорії випадкових функцій. Розрахункова схема до її рішення наведена на рис. 14.

Рис. 14. Представлення контуру цілика у вигляді реалізації

випадкової функції

Вважається, що обрис бічних стінок і міцність матеріалу ціликів міняються за довжиною випадково. Коефіцієнт запасу міцності також утворює за довжиною випадкову стаціонарну функцію з наступними параметрами:

Середнє

(17)

дисперсія

, (18)

кореляційна функція

. (19)

Ставиться задача про викид випадкової функції за задану границю, якою є розрахункове значення ширини цілика. У першому наближенні закон розподілу випадкових величин приймається нормальним:

. (20)

Тоді середня довжина перебування випадкової функції за заданим рівнем, середнє число викидів за заданий рівень і середню довжину викиду визначають, відповідно, за наступними формулами:

(21)

(22)

(23)

На основі наведених залежностей у дисертації розглянута низка конкретних задач, у тому числі і така: на яку величину варто збільшити ширину ціликів, щоб із заданою імовірністю Ро за всією довжиною стрічкового цілика в жодному місці його ширина не стала менше заданої. У результаті вирішення цієї задачі отримано формулу для розрахунку додаткової величини коефіцієнту запасу міцності, що ураховує технологічні дефекти при спорудженні цілика:

, (24)

де - проектне значення ширини цілика, - задана імовірність того, що за межи не відбудеться ні одного викиду (); - середньоквадратичне відхилення розміру цілика від проектного контуру; - довжина цілика; - параметр автокореляційної функції.

Геометрична інтерпретація формули (23) наведена на рис. 15.

Рис. 15. Залежність прирощування коефіцієнту міцності від дисперсії

змінення обрису контуру цілика і заданої імовірності Р0 :

1- Р0 =0,95; 2- Р0 =0,90; 3- Р0 =0,80.

З нього виходить, що чим більшим є відхилення від проектних параметрів цілика, який споруджується, тим більшим повинен бути коефіцієнт запасу міцності. Суттєво також впливає рівень важливості об’єкту, який оцінюється імовірністю Р0.

Таким чином доказано, що можливі технологічні відхилення при проектуванні ціликів враховуються уведенням додаткового коефіцієнта запасу міцності, величина якого зворотно пропорційна величинам дисперсій відхилення дефектів, параметру автокореляційної функції і довжині ціликів, що дозволяє підвищити надійність функціювання підземних об'єктів.

Ці дослідження дозволяють поставити проблему оцінки запасу міцності і, відповідно, встановлення надійних розмірів ціликів, на рівень розрахунків для конкретних гірничо-геологічних умов.

Формули, за якими визначають міцні розміри ціликів, залежать від ширини перетину камер, який повинен мати обмеження. У цьому зв'язку оцінка граничних розмірів оголень у камерах має важливе значення при загальній оцінці стійкості підземних споруджень.

Механічні процеси, що розвиваються навколо ціликів і камер, взаємозалежні. Однак, пружно-деформований стан у цих елементах має суттєву різницю: цілики працюють на стиск, а у покрівлі виробки породи зазнають деформації згину, які більш шкідливі з точки зору руйнування, які призводять до появи тріщин, вивалів. Ці пружно-деформовані стани настільки різні по своїй природі, що цілком можливий розгляд ціликів і стелин камер, як конструкцій, окремо.

При дослідженні стійкості стелин камер, що споруджуються в однорідних породах, в дисертації була розглянута схема, коли стелина представлена товстою балковою плитою, з урахуванням негідростатичного початкового поля напружень.

З метою встановлення закономірностей руйнування товстих стелин і розробки математичних моделей були виконані лабораторні експерименти на моделях з еквівалентних матеріалів. Розрахункова схема і параметри сумішей і середовища, яке моделюється, наведені на рис.