Пучение горных пород

Явление деформаций пород почвы и стенок подземных горных выработок, протекающее в форме выдавливания, выпирания пород в сторону обнажения, называют пучением. Наиболее часто с этим явлением сталкиваются при разработке угольных, каменносоляных, рудных месторождений. Известно оно и в практике гидротехнического дорожного, промышленного строительства (при сооружении и эксплуатации транспортных и водосборных панне-лей, подземных хранилищ нефтегазопродуктов и др.). Особенно широко развито пучение на шахтах Подмосковного бассейна, Ахалцихского месторождения в Грузии, Артемовского месторождения на Дальнем Востоке, Никополь-Марганцевого бассейна.
В результате пучения уменьшаются размеры поперечного сечения выработок, разрушаются крепи, вентиляционные и транспортные магистрали. Известны случаи полного заполнения выработки выдавливаемой породой в течение 4—5 суток (Артемовское буроугольное месторождение).
Увеличение объема работ по восстановлению выработок наносит огромный ущерб народному хозяйству. По данным А.П. Максимова, стоимость ремонта выработок в этих условиях достигает 100 руб. в год на 1 м выработки. Пучение свойственно главным образом глинистым породам, обладающим незначительным сцеплением и внутренним трением. С увеличением глубины заложения выработок пучению подвергаются породы значительной прочности (глинистые и песчанистые сланцы, плотные и прочные аргиллиты и алевролиты, иногда песчаники). Так, но данным А. П. Максимова, при глубине свыше 700 м большинство глинистых и песчано-глинистых сланцев выдавливается в выработки даже тогда, когда они заложены в нетронутом массиве. Процесс пучения глинистых пород развивается под действием сил горного давления, набухания породы, фильтрационного давления подземных вод, явления гидратации и окисления. Первопричиной пучения является нарушение естественного напряженного состояния массива после проведения выработки. При наличии благоприятных условий (обводненности или влажного воздуха) глинистые породы набухают, увеличивая свою пластичность. Набухание глин возрастает при увеличении содержания в породе коллоидных и глинистых частиц, глинистых минералов с подвижной кристаллической решеткой, замещении в диффузном слое двух- и трехвалентных катионов одновалентными, а также нарушении их естественной структуры. Изменение естественного состояния пород приводит к повышению интенсивности и величины давления набухания во времени.
При градиентах фильтрации, близких или превышающих критические значения (Iкр), наблюдается вначале гидродинамическое взвешивание, а затем выпучивание породы, нередко завершающееся прорывом воды в горную выработку. Деформации в этом случае носят характер выпора. В некоторых случаях (например, в угольных шахтах Нелидовского района Мосбасса) наблюдается непосредственная связь между градиентами фильтрации и величиной давления пучащих пород на крепь. Такого рода явления свидетельствуют об особом типе пучения породы — пучение под действием фильтрационного давления. Основными средствами борьбы с ними являются снятие гидростатических напоров водоносных горизонтов и максимально возможное снижение величины горного давления.
В некоторых случаях отмечается своеобразное набухание пород вследствие приращения объема некоторых минералов в результате их гидратации, окисления и некоторых других процессов выветривания. Надо полагать, что средства, используемые для борьбы с явлениями выветривания, могут оказаться полезными и для борьбы с явлениями пучения такой природы.
Предварительное осушение обводненных месторождений является наиболее универсальным и эффективным способом борьбы с пучением глинистых пород. С его помощью достигается снижение как горного, так и фильтрационного давления, во многих случаях играющих основную роль в деформациях пучения пород.
На процессы пучения кроме чисто горнотехнологических факторов оказывают влияние сложение породы, прочность и жесткость вмещающих пород и условия и форма залегания пучащейся породы. Слоистое сложение, наличие обводненных прослоек и линз, увеличение мощности породы способствует пучению. Жесткие породы, перекрывающие и подстилающие пучащуюся породу, играют роль своеобразных тисков и также способствуют пучению. Влияние формы и тектонических условий залегания, по-видимому, сказывается через перераспределение напряжений в окрестностях горных выработок. Например, в условиях синклинального залегания давление пучения заметно возрастает; наоборот, в осевых частях антиклинальных складок оно уменьшается. Повышается склонность к пучению пород и в зонах тектонических нарушений, как известно, всегда характеризующихся повышенным горным давлением.