Трудности горных работ в породах со сложной структурой

Если проходка туннеля либо другой горизонтальной выработки ведется в породах, которые могут быть охарактеризованы как «достаточно однородные с геологической точки зрения», особенных проблем не появляется и угрозы обрушения грунта нет. Независимо от того, крепкая порода либо рыхловатая, можно использовать принципы горной механики, а способ извлечения, соответственный данным условиям, можно избрать на основании математических расчетов. Но очень нередко строительство туннеля приходится вести в породах с различными качествами и сложной структурой. Если при всем этом определять и учесть все геологические условия, сооружение туннеля будет очень дорогостоящим и востребует много времени. С другой стороны, если геология участка недостаточно отлично исследована, проходка туннелей либо проведение горных работ в слабеньком грунте могут привести к катастрофе.

Жд туннель Квинешей в Норвегии был построен в 1940 г. Через 8 лет он отчасти обвалился. В итоге постепенного разрушения кровли туннеля в ней образовалась трубо-образная полость поперечником до 6 м и высотой более 30 м. Эта «труба» появилась вдоль скрещения 2-ух разломов.

Разломы — это неувязка, с которой инженеры-строители сталкиваются повсевременно. Тип разломов обычно бывает нереально предсказать, и они практически всегда являются плоскостями ослабления. Разломы развиваются в итоге движения, происходящего меж 2-мя блоками горных пород, потому они включают зоны обломочных пород, узнаваемых под заглавием брекчий, либо пласты тонкоразмолотой породы — «жильной глинки», которая может содержать очень рыхловатые глинистые минералы, щ

При обрушении в туннеле Квинешей одна трещинка включала брекчию, слабо сцементированную растворимым кальцитом, а другая — монтмориллонитовую жильную глинку, этот глинистый минерал обширно известен благодаря собственному свойству разбухать при контакте с водой. Как обычно наблюдается поблизости разломов, порода была очень трещиноватой; вода, поступившая из разлома, где содержался кальцит, вызвала разбухание монтмориллонита. В конце концов давление и вес породы стали чрезвычайно большенными для неукрепленной облицовки туннеля, и вышло обрушение. .

В гидроэнергетических системах обрушения туннелей происходят в особенности нередко в связи с тем, что на породы действуют большие гидростатические силы, также конфигурации давления, которые в свою очередь обоснованы неравномерным внедрением аква энергии. В 1956 г. обвалился туннель Кемано на западном побережье Канады, прослужив всего два года. Туннель был фактически завален осколками породы, падавшими из большой разрастающейся каверны (более 20 м в поперечнике) на своде туннеля. Эта каверна сформировалась вдоль разлома, в каком мощность жильной глинки не превосходила 5 см. Но по обеим сторонам от разлома в полосе шириной около метра порода стала более рыхловатой в связи с тем, что она преобразовалась в хлорит — очень неплотный гидратированный минерал. Новый рыхловатый материал был размыт, после этого и началось постепенное обрушение пород по обеим сторонам разлома. На удаление воды и обломков из туннеля и на укрепление свода каверны было затрачено 2 млн. долл., тогда как бетонная облицовка туннеля в зоне разлома обошлась бы еще дешевле, если б с самого начала понимали степень вероятной угрозы.

При сооружении туннеля Лемонтайм в Тасмании на тех участках, где имелись разломы, стены туннеля были покрыты узким защитным слоем бетона. Но это не посодействовало, всего только через 5 месяцев после окончания строительства в 1969 г. туннель обвалился. Предпосылкой снова были разломы. В этом случае 2-мя разломами, отстоящими друг от друга всего на 3 м, пересекались филлиты и кристаллические сланцы. Блок породы, зажатый меж разломами, оказывал на узкую облицовку туннеля очень сильное давление, потому обрушение было неминуемым. При ремонтных работах были сооружены мощные железные опоры, укрепившие примыкающую к разломам зону перемятых пород, но это опять-таки было изготовлено post factum.

Исследование геологических катастроф в туннелях позволяет привести огромное количество самых различных примеров. Но есть туннель, в каком наблюдалось сочетание фактически всех узнаваемых типов геологических катастроф. Это — туннель Танна в Стране восходящего солнца, строительство которого из-за сложных геологических критерий длилось 16 лет, хотя длина его всего 8 км. В этом туннеле погибло более 70 человек.

Строй работы начались в 1918 г., а завершились в 1934 г. В туннеле проходит основная жд магистраль от Токио к городку Кобе через гору Такиджи на полуострове Идзу. Трудности при строительстве туннеля появились в связи с тем, что проходку нужно было вести в очень нарушенной и сложной в структурном отношении толще водопроницаемых вулканических пеплов. Многие разности этих пеплов были настолько рыхловатыми и водонасыщенными, что вели себя быстрее как жидкость, а не как жесткое вещество; некие же глины просто впитывали воду и резко увеличивались в объеме. Под воздействием давления разбухших глинистых слоев в туннеле два раза происходили обрушения, в итоге 1-го из их погибли все находившиеся под землей люди. В 1921 г. обвалился участок туннеля протяженностью 45 м. При обвале погибло 16 рабочих, а еще 17 человек в течение недели не могли выкарабкаться из туннеля, заваленного породой, пока их не откопали.

В 1924 г. в западный штрек туннеля Танна ворвалось неограниченное количество прохладной воды, что было вызвано очень высочайшей проницаемостью вулканических пород. В том же году в восточный штрек хлынула жгучая вода, вытекавшая под огромным давлением из зоны тектонических брекчей. При строительстве туннелей жаркую воду обычно встречали на большой глубине; примером тому служит Симплонский туннель в Швейцарии, где температура воды на глубине 2100 м от земной поверхности составляла 56 °C. Схожей глубины туннель Танна, естественно, не достигнул, но в связи с тем что он находился в районе более активной вулканической деятельности, геотермальные потоки были обнаружены на еще наименьшей глубине. В зоне разломов, содержащей жаркую воду, отрезок туннеля протяженностью 300 м сооружался 3,5 года.

Вулканическая деятельность в Стране восходящего солнца снова свидетельствует о том, что эта страна размещена в неуравновешенной части земной коры. В 1930 г., когда работы в туннеле Танна близились к концу, в этом районе вышло достаточно слабенькое землетрясение, но вибрации оказались достаточными для смещения слоев вулканического пепла, вследствие чего кровля туннеля обвалилась и погребла пятерых рабочих. Двоих удалось откопать живыми, а трое пополнили длиннющий перечень жертв туннеля.

Вулканический пепел послужил также предпосылкой катастрофического обрушения туннеля Уилсон на полуострове Оаху — одном из Гавайских островов. Этот туннель был построен в 1954 г., по нему проходила основная магистраль, ведущая к северу от городка Гонолулу. Практически по всей собственной протяженности туннель был пройден в вулканической лаве, которая, как понятно, является практически безупречной средой для горных выработок. Работы начались с северного конца туннеля, а с приближением к южному краю вулканическая лава внезапно сменилась рыхловатым глиноподобным вулканическим пеплом и обломочными отложениями. Но выемка породы длилась по всей площади забоя, и дополнительных мер по укреплению подземной выработки принято не было.

В туннеле начались обрушения кровли; проседание происходило и на земной поверхности, в 30 м над туннелем. В июле 1954 г. случилось два обвала, но человечьих жертв, к счастью, не было. В августе, при работах по расчистке, произошел 3-ий обвал и погибло 5 рабочих. С того времени проходку в обрушившемся грунте и в оставшейся ненарушенной глине вели несколькими маленькими параллельными штреками; благодаря применению этого способа обрушений в предстоящем не было.

Непременно, следовало ждать, что кровля в таком рыхловатом материале, какой повстречался в туннеле Уилсон, будет очень неуравновешенной. Но найти степень прочности кровли туннеля, проектируемого в более жестких и плотных породах, не так просто. Туннель Скогн — гидротехнический канал в центральной Норвегии — был пройден в старой метаморфической породе, и все же он обвалился. Потом сообразили причину, но, к огорчению, было уже очень поздно. Оказалось, что обрушение было вызвано разрыхлением пород, происшедшим вследствие того, что некие минералы были преобразованы в монтмо-риллонитовую глину.

В неких случаях подвижки грунта неминуемы независимо от типа породы; более того, биться с ними фактически нереально.

Когда породы залегают на большой глубине, они сжаты под действием больших давлений. Если эти давления отчасти уменьшаются в одном направлении (к примеру, когда ведется выемка породы при строительстве туннеля либо шахты), обычно происходит смещение пород в образовавшееся пустое место. На маленькой глубине ослабление давления может вызвать подвижки рыхловатых глин, но твердые породы, такие как гранит, остаются без конфигураций. Но на глубине сотен и тыщ метров давления довольно высоки, чтоб деформировать всякую породу. Симплонский туннель в Швейцарии проходит под горным хребтом на глубине около 2 км; на одном из участков его стенки медлительно, но неумолимо оползают.

На золотых рудниках южной Африки, достигших еще большей глубины, стены не деформируются равномерно, а резко опрокидываются в горные выработки. Эти так именуемые горные удары обычно случаются через некое время после проходки штольни. Благодаря упругости породы неспешное оползание идет до того времени, пока не будет превышен предел прочности, после этого и следует горный удар.

Другой тип неминуемого смещения пород наблюдается в шахтах, где при разработке рудных месторождений остаются большие пустоты (очистные забои), которые могут быть поддержаны целиками и крепями только в течение ограниченного времени. Нет необходимости, ну и очень не нужно с экономической точки зрения оставлять в целиках очень огромное количество руды, после того как эксплуатация шахты закончена. Но если постепенное обрушение заброшенных забоев обхватит также толщу перекрывающих пород, последствия могут привести к катастрофе, как это случилось на медном руднике Муфулира.

Муфулира находится в очень богатом «медном поясе» Замбии. С 1933 г. на этом руднике велась разработка массивного наклонного пласта богатой медной руды. Рудное тело круто падает на северо-восток, и мощность его добивается 36 м. Как и обычно, вход в шахту и все технические установки размещались в ненарушенном 1лежачем боку рудного тела. По мере того как извлекалась руда, заброшенные наклонные забои обрушались, и в конце концов последствия постепенного обрушения пород висящего бока достигнули поверхности земли. Дробильная и рудоперерабатывающая установки на шахте давали неограниченное количество отходов, приемущественно в виде узкого шлама; в течение многих лет пустую породу выгружали над висящим боком шахты. Это преследовало сходу две цели: удалить пустую породу от шахтных установок и засыпать болото, грозившее малярией. По мере того как висящий бок шахты продолжал проседать, на земной поверхности создавались озера, которые также наполнялись отходами; к 1956 г. этим маленьким обломочным материалом был засыпан бассейн глубиной 12 м.

В обыденных обычных критериях помещение отходов со стороны висящего бока пласта было бы полностью неопасным. Так как породы обрушивались вовнутрь шахты, в ее кровле появлялись трещинкы, направленные к поверхности земли, размер которых был должен уменьшаться с удалением от горных выработок. В этом случае, когда горные выработки находятся на глубине 300 м и поболее, как на руднике Муфулира, любые трещинкы, выходящие на поверхность, будут так узенькими, что их стремительно закупорят наносы. Но на шахте Муфулира условия не были нормальными. Конкретно над рудным телом залегала маломощная зона кварцитов, а над ней, до самой земной поверхности, мощные доломиты.

1-ые предвестники катастрофы появились в конце 1968 г., когда в покрове отходов образовалась воронка поперечником 60 м. Можно было представить, что под ней появилась большущая полость, поглотившая исчезнувший материал. Но этому факту не дали никакого значения, и отходы продолжали сгружать в воронку. В апреле 1970 г. из трещинкы в кровле шахты на глубине 525 м полилась грязюка; сделали ее анализ, но никаких признаков присутствия в ней материала отвалов найдено не было, хотя грязюка и содержала частички земли, что указывало на ее конкретную связь с поверхностью. Должно быть, в разрушающихся породах кровли появилось сильно много трещинок и пустот, если осадки с поверхности смогли просочиться до таковой глубины. Но и в этом случае масштабам трещинообразования и небезопасным последствиям этого процесса не дали подабающего значения. В течение лета 1970 г. в шахте не один раз находили грязевые экструзии, а наверху, где сгружались отходы, появились новые воронки. Эти воронки как и раньше заполняли, и горные работы понизу, в шахте, длилось.

25 сентября 1970 г. произошла трагедия: поток, состоявший из воды, грязищи и материала отходов, прорвал кровлю пород на глубине 525 м от земной поверхности и устремился в шахту. Водянистый грязеподобный материал просочился через горные выработки в нижележащие горизонты и очень их разрушил. Самые же нижние галереи шахты, находившиеся на глубине более 800 м, были до самой кровли заполнены водой вперемешку с осадками. Погибло 89 шахтеров — одни из их утопли, другие были погребены водянистой лавиной.

На поверхности земли, там где сгружались отходы производства, образовалась большущая воронка — 300 м в поперечнике и 15 м глубиной. Размеры воронки свидетельствовали о том, что под землей пропало 700 000 м3 вещества, но в шахту попало всего 280 000 м3. Даже если сделать скидку на сжатие, неограниченное количество осадков впитали трещинкы и каверны в доломите.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий
SQL - 48 | 0,163 сек. | 13.03 МБ