Депрессионные деформации пород в поле водопонижения

Предварительное водопонижение при разработке месторождений полезных ископаемых, интенсивные откачки подземных вод для водоснабжения, добычи нефти и газа резко изменяют природную гидрогеологическую обстановку массивов горных пород.
В зоне развития депрессионной воронки происходит перераспределение напряжений вследствие снятия эффекта гидростатического взвешивания в пластах. Известно, что нагрузка от массы пород Pz в массиве воспринимается скелетом породы (эффективное напряжение — Pэ) и поровой водой (нейтральное давление — Pи). Величина эффективного напряжения в массиве на глубине h будет равна

где Acp — средневзвешенное значение объемной массы пород, залегающих над рассматриваемой точкой;
H — высота столба воды над этой точкой;
Aв — объемная масса воды.
При снижении уровня воды в водоносном горизонте на величину АН увеличивается напряжение Pэ в скелете породы

Приращение эффективных напряжений в пласте за счет снижения гидростатических напоров составит:

Значительное снижение нейтрального (порового) давления в пластах в зоне развития депрессионной воронки обусловливает депрессионное уплотнение горных пород, повышение напряжений в скелете пород, увеличение их прочности. При этом породы, представляющие водоносные горизонты, уплотняются по всей их мощности. Перераспределение напряжений и деформации глинистых пород могут происходить как по всей мощности пласта, так и лишь по его части, называемой зоной уплотнения.
Мощность зоны уплотнения зависит от величины приращения напряжений у дренирующего контакта пласта и значения начального градиента фильтрации.
Наибольшее влияние оказывает депрессиониое уплотнение на прочностные свойства тонкозернистых, пылеватых, глинистых песков и глин. При уменьшении влажности глинистых пород происходит повышение свободной поверхностной энергии на границе раздела твердой и жидкой фаз, исчезают переходные диффузные слои, значительно возрастает величина сцепления. Изменения напряженного состояния породного массива в результате снижения гидростатических напоров в основном определяют деформации как дренируемых, так и контактирующих с ними пластов. На участках производства водопонизительных работ депрессионные воронки занимают огромные площади и обычно имеют незначительные уклоны, что обусловливает в основном вертикальные линейные деформации пластов, т. е. осадки. Осадки пластов, вызванные снижением гидростатических напоров, отмечены в ряде районов различных стран.
Так, на Южно-Белозерском железорудном месторождении под влиянием снижения гидростатических напоров в бучакском и рудно-кристаллическом водоносных горизонтах на 200—300 м и более произошли крупные деформации пород осадочной толщи и выветрелых докембрийских образований. В течение 10 лет проведения дренажных мероприятий на месторождении (1963—1972 гг.) суммарная величина осадка пластов составила более 2,5 м. Вертикальные смещения некоторых пластов в процессе водопонижения значительно превзошли расчетные величины осадок и вызвали крупные нарушения крепи шахтных стволов.
Оседание дневной поверхности под влиянием дренажных мероприятий наблюдалось также на территории Челябинского угольного бассейна. За период 1931—1944 гг. осадка составила 35—40 см, что явилось причиной возникновения в крепи стволов трещин шириной до 30 см. Отмечены также осадки под влиянием водопонижения на Александрийском и Львовско-Волынском угольном месторождениях, Чиатурском марганцевом месторождении, Рейнско-Вестфальском, Альтенбургском угольных месторождениях и др.
Вертикальные смещения поверхности территории наблюдаются также в районах крупных водозаборов и на участках разработки нефти и газа. При этом оседание пластов и дневной поверхности часто носит региональный характер. Площадь мульд оседания охватывает десятки, сотни и тысячи квадратных километров. Так, площадь мульды оседания в дельте р. По составляет 730 км2, в долине Сан-Хоаким — 3500 км2. За 50-летний период откачек подземных вод в районе г. Токио осадка дневной поверхности достигла более 3 м, в районе г. Осака — более 2 м.
В районе г. Мехико под влиянием вызванного откачками снижения пьезометрического уровня подземных вод происходит депрессионное уплотнение мощной толщи (90—300 м), представленной комплексом переслаивающихся миоценовых и четвертичных галечников, песков, известняков, глин и илов аллювиального, озерного и вулканогенного происхождения. Средняя величина оседания поверхности за 76 лет составила 5,6 м, а на отдельных участках к 1960 г. достигла 7 м. Неравномерные осадки массива сопровождаются разрушением некоторых зданий, нарушением водопроводной и канализационной сети.
Значительные осадки поверхности под влиянием водопонижения наблюдаются в районах городов Москвы, Лондона, Ленинграда, Парижа, Киева, Берлина и др.
При расчетах осадок под влиянием водопонижения необходимо учитывать также процессы усадки глинистых пород в результате «подземного испарения»: механическую суффозию, химическую суффозию и диффузное выщелачивание пород.
При прогнозировании напряженно-деформированного состояния породных массивов в поле водопонижения необходима постановка специальных экспериментов, позволяющих определять параметры прочности и деформации пород с учетом как изменения их напряженного состояния, так и явлений, не связанных с общим приращением напряжений в скелете породы.