Плывуны

Плывунами обычно называют водоносные тонко- и мелкозернистые пылеватые пески, которые при вскрытии приходят в движение (как тяжелые вязкие жидкости) и требуют применения специальных способов проходки и крепления выработок.

В практике горного дела известны случаи прорывов плывунов в подземные выработки, которые приносили не только огромный ущерб, но и приводили к катастрофам. Причины прорыва плывунов различны: пересечение выработкой тектонических нарушений, большой напор подземных вод в плывунах, опускание кровли выработок, применение взрывных работ и др. Иногда прорывы плывунов сопровождаются нарушением устойчивости наземных сооружений или образованием воронок на земной поверхности.

Давление плывунов на крепь часто приводит к искривлению шахтных стволов, буровых скважин и других выработок, к разрушению крепи и прорыву плывуна.

При вскрытии плывунов происходит быстрое (иногда катастрофическое) заполнение горных выработок водонасыщенным песком с последующей потерей устойчивости вмещающих их пород. Иногда при больших напорах воды в движение могут перейти и более крупнозернистые пески и даже галечники, однако в этих случаях происходит быстрое рассеивание давления воды из-за хорошей водопроницаемости пород и процесс перемещения затухает. Поэтому принято различать истинные и псевдоплывуны. Псевдоплывуны - это плывуны осушаемые, при снятии гидростатического напора легко отдающие воду и превращающиеся в устойчивые породы. Истинные плывуны - слабо или совсем неосушаемые.

Признаками истинных плывунов являются содержание в них глинистых частиц менее 3%, при преобладании песчаных частиц размером 0,25-0,05 мм и пылеватых; высокая пористость (43-45%), наличие органических веществ и микроорганизмов; низкая водопроницаемость и водоотдача; малое сопротивление сдвигу (угол трения меньше 5-8°).

Истинные плывуны также обогащены гидрофильными минералами группы монтмориллонита, содержат воду в связной форме, обладают тиксотропными формами (коллоидные системы).

Характер поведения плывунов объясняется гидродинамическим давлением поровой жидкости, специфическим составом и состоянием водонасыщенных песков. В последние годы В.В.Радина (1972), установила, что в жидкой фазе плывунов за счет накопления газообразных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов формируется избыточное поровое давление.

Записав закон Кулона с учетом давления в порах плывунов

(здесь s, s_ef и u - полное нормальное напряжение, эффективное напряжение в скелете и поровое давление в жидкой фазе), увидим, что при некотором u = s. наступит потеря устойчивости плывуна.

Если в естественных условиях вода, содержащаяся в плывуне, имела некоторый напор Н (рис.3), то при вскрытии слоя горной выработкой формируется перепад напора DН = Н -h, который создает гидродинамическое давление на единичную площадку

,

Рис.3. Схема к расчету порового давления в плывунах где I гидравлический градиент; g_в- плотность воды.

Таким образом, сопротивление плывуна сдвигу

,

где z - глубина залегания рассматриваемого сечения слоя плывуна; g_ср - средняя плотность вышележащих пород.

В этом случае в роли порового давления выступает гидродинамическое давление, но поровое давление может быть вызвано и другими причинами (в частности жизнедеятельностью микроорганизмов).

Итак, причина подвижности плывунов состоит в особенностях состава, состояния и свойств песчаной гидрофильной породы и микроорганизмов, населяющих истинные плывуны, находящиеся под воздействием гидростатических и гидродинамических сил, определяемых инженерно-геологическими исследованиями.