Геомеханические и аэрогазодинамические последствия подработки территорий горных отводов шахт Восточного Донбасса Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК [622.21:622.83:622.414.2](471.61)

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ И АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПОДРАБОТКИ ТЕРРИТОРИЙ ГОРНЫХ ОТВОДОВ ШАХТ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА

Н.М. Качурин, Г.В. Стась, Т.В. Корчагина, М.В. Змеев

Представлены результаты изучения состояния земной поверхности на подработанных территориях Восточного Донбасса. Показано, что деформации земной поверхности, зафиксированные на геодинамических станциях, не превышают допустимых значений и являются безопасными для объектов жизнедеятельности населения Приведены результаты исследования газообмена выработанных пространств с земной поверхностью на территориях горных отводов ликвидированных шахт Восточного Донбасса. Результаты натурных наблюдений и математического моделирования миграции газов из выработанных пространств свидетельствуют об устойчивой взаимосвязи концентрации выходящих шахтных газов и снижения атмосферного давления.

Ключевые слова: земная поверхность, подработанная территория, геомеханические последствия, газообмен, ликвидированная шахта, фильтрация, диффузия, газы, математическая модель.

В результате реструктуризации угольной промышленности России и закрытия нерентабельных угледобывающих предприятий произошла ликвидация целого ряда шахт Восточного Донбасса и Кузбасса. Полностью ликвидированы шахты Подмосковного угольного бассейна. Однако подработанные территории представляют экологическую опасность и ограничивают возможные виды экономической деятельности в этих районах [1 - 4]. Опыт мониторинга геомеханических и аэрогазодинамических последствий подработки на территориях горных отводов шахт Восточного Донбасса позволил разработать ряд математических моделей и усовершенствовать методические положения мониторинга [5].

1. Состояние земной поверхности подработанных территорий Восточного Донбасса

В результате того, что на подавляющем большинстве шахт Восточного Донбасса выработанное техногенное пространство затоплено или происходит затопление его верхних горизонтов, отмечено повышенное количество провалов, образовавшихся над ранее ликвидированными наклонными и вертикальными стволами [1 - 2]. При обводнении выработанного пространства шахт, в том числе и закрытых до начала реструктуризации угольной отрасли, происходят нарушение структуры горных пород, разрушение крепежного материала выработок и, как следствие, образование провалов или формирование мульд оседания. Как правило, зафиксированные на выходах пластов провалы земной поверхности приурочены к подготовительным выработкам и краевым частям целиков угля, ориентированным по падению пласта, по границе выработанного пространства (рис. 1).

В ходе маршрутных обследований территории промышленных площадок специалисты Центра мониторинга своевременно выявляют опасные для жизни населения объекты: стволы, полки перекрытий которых разрушены; усадку засыпного материала; выделение из горных выработок «мертвого воздуха»; провалы над наклонными выработками. Организованный Центром мониторинга контроль позволяет оперативно принимать меры по приведению таких объектов в безопасное состояние. Кроме того, маршрутные обследования позволяют выявлять несанкционированные технические работы или строительство в провалоопасных зонах.

Рис. 1. Провал в технологический канал западного шурфа №2

ш. «Южная»

В целях обеспечения безопасности жизнедеятельности населения, в том числе при производстве строительных работ у устьев ликвидированных выработок - в провалоопасных зонах, а также в пределах зон опасных по выделению шахтных газов, продолжены работы по инструментальной выноске устьев вскрывающих выработок и закрепление их на местности специальными маркерами (рис. 2).

Для оценки загрязненности почв токсичными элементами произведен отбор проб грунтов. Отобраны 660 проб для определения содержания подвижных форм микроэлементов: V, СС, Со, Мп, Си, N7, РЬ, 77, Сг, 2п. Отбор проб производился с привязкой точек отбора ОРБ-навигатором. Полученные результаты анализов позволили определить степень литохими-ческого загрязнения на территориях в радиусе 300 - 500 м вокруг отвалов. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что пробы, отобранные у пяти отвалов, соответствуют допустимой категории загрязнения, у одного -умеренно опасной, у двух - опасной. Из двух опасных объектов один находится на территории жилого сектора города Шахты.

Рис. 2. Маркеры провалоопасных зон

Для приведения в безопасное состояние территорий бывших промышленных площадок ликвидируемых шахт Восточного Донбасса и восстановления почвенно-растительного слоя в состав рабочего проекта «Мониторинг социально-экологических последствий ликвидации шахт Восточного Донбасса» включены следующие виды технических работ: ликвидация вентиляционных, технических и других каналов; рекультивация земель, нарушенных горным производством.

Геодинамический мониторинг осуществляется в соответствии с рабочим проектом «Мониторинг социально-экологических последствий ликвидации шахт Восточного Донбасса» на селитебных территориях, подверженных влиянию затопления подземного техногенного пространства. В условиях окончательной стадии затопления техногенного пространства и вмещающих пород происходит восстановление запасов подземных вод, которое дает толчок упругому расширению массива. В результате активизации движения отдельных блоков по тектоническим нарушениям наиболее нагруженные участки подработанного массива оседают, что фиксируется наблюдательными станциями. Деформации земной поверхности, зафиксированные на геодинамических станциях, не превышают допустимых значений и являются безопасными для объектов жизнедеятельности населения [3 - 5].

2. Газообмен выработанных пространств ликвидированных шахт Восточного Донбасса с земной поверхностью

Газовый мониторинг проводился на горных отводах 38 ликвидированных шахт в 216 угрожаемых и 70 опасных по газовыделению зонах на общей площади 4741,67 га. На данной территории расположены более девяти тысяч жилых домов и административно-промышленных зданий.

Отмечено выделение шахтных газов с опасными концентрациями из газодренажных трубок на устьях ликвидированных вскрывающих выработок или газогидронаблюдательных скважин по 33 ликвидированным

шахтам. Шахтный воздух, вытесняемый в незначительных объемах на земную поверхность из устьев выработок и газогидронаблюдательных скважин, быстро смешивается с атмосферным, поэтому в приземном слое вблизи устьев опасных концентраций вредных газов не наблюдается. В этом направлении газовая обстановка продолжает оставаться стабильной и не создает реальной опасности для жизнедеятельности населения.

Результаты газомониторинга свидетельствуют об устойчивой взаимосвязи концентрации выходящих шахтных газов и времени года. Проникновение вредных газов в подвалы и погреба жилого сектора регистрируется в основном с наступлением теплого периода года и при пониженном атмосферном давлении. Однако газовыделения с опасными концентрациями отмечаются и при высоком атмосферном давлении. Причиной этому можгут служить, в частности, увеличение газообразования (вследствие изменения уровня затопления) и геодинамические процессы в горном массиве, в результате чего давление шахтного воздуха начинает превышать атмосферное, и он поступает в подвалы жилых домов, погреба, водопроводные колодцы [4, 5].

Перенос газов в подработанной толще горных пород на территориях горных отводов отработанных шахт может осуществляться как в режиме диффузии, так и в режиме фильтрации. При диффузионном режиме движения газов движущей силой является градиент концентраций диффундирующих газов, а фильтрационное течение обусловлено градиентом давления газовой смеси. Диффузионный режим течения наблюдается при стабильном барометрическом давлении, а фильтрационный поток возникает в периоды падения атмосферного давления. Расчетная схема процесса фильтрации «мертвого» воздуха в подработанных горных породах представлена на рис. 3.

Тогда с учетом одномерности движения газовой смеси можно записать [6]

dp-K2d!p m

dt dz - (1)

где p - давление газовой смеси в подработанных горных породах; к - пье-зопроводность поработанных горных пород; z - вертикальная координата с началом отсчета, расположенным в выработанном пространстве.

Начальные и граничные условия основываются на результатах натурных наблюдений, результаты которых позволяют записать их в следующем виде [7]:

p(z,0)-p(0,t)- po - const, p(H,t)- po -apt, 0 <z <H, (2)

где p0 - начальное давление газовой смеси в подработанных горных породах; ар - скорость падения атмосферного давления; H - глубина залегания отработанного угольного пласта.

де:

7

н

0

Ра

Ро

Р

Рис. 3. Расчетная схема фильтрации «мертвого» воздуха в поработанных горных породах

Решение уравнения (1) для условий (2) получено в следующем вито

2 Ро

р (г, Г ) = £(-!)

• +

пп

п=1

+(-1)п ^ пп

г -

н

ппк

1 - ехр

/ \ 2 ' ппк Л

V н у

Бт

Г ЛИЪЛ

V Н у

(3)

Чтобы рассчитать скорость фильтрации газовой смеси в подработанных горных породах, необходимо вычислить производную от поля давлений (3) в точке ъ = Н:

др

дг

дг=Н

= ^ИГп7; ()

(4)

п=1

2 Ро

2а,

где 1„ (г ) = (-1)п ^ + (-1)п

пп пп

г -

н

vпnк у

1 - ехр

2

' ппк Л

V Н у

Анализ производной (4) показывает, что аргумент экспоненты в функции Тп (?) близок к нулю, поэтому выражение в фигурных скобках

тоже будет мало отличаться от нуля. Тогда к единичной площади, перпендикулярной фильтрационному потоку, будет поступать в единицу времени следующее количество «мертвого» воздуха [7]:

Iф

2к цЯ

(Ро + ар* )

(5)

где 1фд - скорость поступления «мертвого» воздуха к земной поверхности

на подработанной территории; к - среднее значение газовой проницаемости подработанных пород; ц - динамическая вязкость «мертвого» воздуха.

Структура формулы (5) и результаты вычислительного эксперимента хорошо совпадают с качественной картиной газовыделений из выработанных пространств, наблюдаемой в натурных условиях. В результате многочисленных газовоздушных съемок, выполненных в шахтах Восточного Донбасса и Подмосковного угольного бассейна, доказано, что скорость газовыделения пропорциональна скорости падения атмосферного давления [6 - 7].

Установленная закономерность (5), во-первых, подтверждает выводы о влиянии изменения атмосферного давления на газовыделение из выработанных пространств на территориях горных отводов отработанных шахт и, во-вторых, может использоваться для решения задачи прогноза газовых ситуаций, возникающих в подвальных помещениях и в цокольных этажах зданий и сооружений, находящихся над подработанными массивами горных пород.

Расчетная схема диффузии газов из выработанного пространства через подработанный массив горных пород представлена на рис. 4.

7

н

Земная поверхность

Диффузионный

поток газов выработанного пространства

0

Са

Со

С

Рис. 4. Расчетная схема диффузии газовых примесей в поработанных горных породах

Этими газами могут быть метан, углекислый газ, радон и оксид углерода (с случае самовозгорания угля в выработанном пространстве). То-

гда с учетом одномерности движения газовой смеси и принятых ранее допущений можно записать, что [8 - 10]

^=о (6)

д? дг

где с - концентрация диффундирующего газа из выработанного пространства; О - коэффициент диффузии рассматриваемого газа в подработанных горных породах.

Начальное и граничное условия имеют следующий вид [8]:

с(2,0) = 0; с(0,?) = с0=сош1:, р(Н,?) = са, 0 < 2 < Н, (7) Решение уравнения (5) для условий (6) получено в виде

- (-1)"

с

(2, ? )

/ \2 2 (с0- )Н+п

хехр

пп

40

Н

Е

п=1

Бш

с

п

•х

Н

(8)

Натурные наблюдения показывают, что в практических задачах можно принять са ~ 0, тогда в частном случае получим

с

Е

п

ехр

п=1

пп

40

Н

Бт

V Н ,

(9)

Чтобы рассчитать диффузионный газовый поток в подработанных горных породах, необходимо вычислить производную от поля концентраций (8) в точке г = Н:

дс дг

г=Н

Н

—

1 + 2^ (-1)п

ехр

п=1

пп

40

Л2

Н

?

(10)

Принимая во внимание то обстоятельство, что бесконечный ряд экспонент с отрицательным аргументом сходится очень быстро, ограничимся первым членом ряда. С учетом этого допущения и закона Фика получим

Тд = Осе.

1 * = Н

1 - 2 ехр

9,87 О

Н2

4

(11)

где 1дуд - количество газа, диффундирующего к земной поверхности в единицу времени.

уд

Введем следующие обозначения: Iуд = 1удН /(0с0); Бо0 = ОН- , где безразмерный диффузионный газовый поток из выработанного пространства; Бо0 - диффузионный критерий Фурье. Тогда зависимость (10) примет вид: I дуд = 1 - 2 ехр (-9,87Бо 0). Результаты вычислительного экспе-

римента, представленные на рис. 5 - 6, показывают, что безразмерный диффузионный газовый поток имеет асимптоту при Бов ^ да, равную 1.

10

1уд

0.95

0 .G5

1.5

2.5

3.5

t, год

\ у

Рис. 5. График зависимости величины I^ от времени t при D/H равном: 1 - 0,35; 2 - 0,3; 3 - 0,25; 4 - 0,2; 5 - 0,15; 6 - 0,1

Iа

1 уд

0.1

0.2

G .3

D .4

0.5

For

Рис. 6. График зависимости величины Iдуд от диффузионного

критерия Фурье Бов

Зависимость (9) может использоваться для решения задачи прогноза газовых ситуаций, возникающих в подвальных помещениях и цокольных этажах зданий и сооружений, находящихся над подработанными массивами горных пород в периоды стабильного атмосферного давления [11 -13]. Следовательно, в практических расчетах целесообразно рассчитывать диффузионный газовый поток по следующей формуле:

^ I дд=I Уд

Вс

0 (12)

Н

Формулу (12) можно использовать для оценки поступления любых газов, образующихся в выработанных пространствах отработанных шахт и мигрирующих через подработанные породы в диффузионном режиме. Различия будут проявляться в величинах коэффициента диффузии и начальной концентрации рассматриваемого газа.

Выводы

1. Мониторинг газовой обстановки на подработанных территориях должен осуществляться в соответствии с «Инструкцией о порядке контроля выделения газов на земную поверхность при ликвидации (консервации) шахт» независимо от гидродинамического состояния выработанного пространства шахты.

2. Результаты натурных наблюдений и математического моделирования миграции газов из выработанных пространств свидетельствуют об устойчивой взаимосвязи концентрации выходящих шахтных газов и снижения атмосферного давления.

3. Газовыделения с опасными концентрациями отмечаются и при высоком атмосферном давлении. Причиной этому может служить, в частности, увеличение газообразования и геодинамические процессы в горном массиве, в результате чего давление шахтного воздуха начинает превышать атмосферное.

4. Обобщение результатов натурных наблюдений и математического моделирования миграции газов из выработанных пространств подтверждает теоретическое положение о высокой чувствительности газовой среды выработанных пространств даже к незначительным колебаниям атмосферного давления.

Список литературы

1. Косов О.И. Геодинамические процессы при ликвидации шахт Восточного Донбасса//Эколого-экономические проблемы природопользования в горной промышленности. Шахты: ЮРО АГН РФ, 2006. № 9. С139.

2. Косов О.И. Провалоопасность территорий закрытых шахт Восточного Донбасса//Эколого-экономические проблемы природопользования в горной промышленности. Шахты: ЮРО АГН РФ, 2006. № 9. С 145.

3. Косов О.И. Малышева А. А. Соколова О.В. Ликвидация шахт и экологические проблемы Восточного Донбасса // Эколого-экономические проблемы природопользования в горной промышленности. Шахты: ЮРО АГН РФ, 2007. № 10. С 64.

4. Косов О.И. Малышева А.А. Соколова О.В. Экологические проблемы использования подземных вод ликвидируемых шахт в угледобывающих районах Восточного Донбасса //Эколого-экономические проблемы

природопользования в горной промышленности. Шахты: ЮРО АГН РФ, 2007. № 10. С. 108.

5. Косов О.И. Соколова О.В. Проблемы экологической безопасности территорий горных отводов ликвидируемых шахт Восточного Донбасса // Уголь. 2007. №6. С. 56.

6. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Косов О.И. Физическая модель и математическое описание движения газов в подработанных горных породах отработанных шахт // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2009. Вып. 4. С. 110-112.

7. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Косов О.И. Фильтрация «мертвого» воздуха через подработанный массив горных пород // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2009. Вып. 4. С. 116-118.

8. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Косов О.И. Диффузия газов выработанного пространства через подработанный массив горных пород // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2009. Вып. 4 С. 101-103.

9. Экологические последствия закрытия угольных шахт Кузбасса по газодинамическому фактору и опасности эндогенных пожаров на отвалах / Н.М. Качурин, С. А. Воробьев, Я.В. Чистяков, Л. Л. Рыбак // Экология и промышленность России. 2015. №4. С. 54-58.

10. Породные отвалы ликвидированных шахт Подмосковного бассейна как источник выбросов пыли в атмосферу / Н.М. Качурин, Н.Д. Лев-кин, С. А. Воробьев, Я.В. Чистяков // Экология и промышленность России. 2016. №5. С. 44-48.

11. Качурин Н. М., Ефимов В. И., Воробьев С. А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России // Горный журнал. 2014. №9. С. 138-142.

12. Evaluating of closed mines mining lease territories environmental safety by gas factor / N.M. Kachurin, V.I. Efimov, S.A. Vorobev, D.N. Shkuratckiy // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 41-44.

13. Scientific and practical results of monitoring of anthropogenic influence on mining-industrial territories environment / N.M. Kachurin, S.A.Vorobev, T.V. Korchagina, R.V. Sidorov // Eurasian Mining. 2014. №2. P.44-48.

Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Стась Галина Викторовна, канд. техн. наук, доц., Galina_stas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Корчагина Татьяна Викторовна, канд. техн. наук, зам. директора, t.korcyagina@sds-ugol.ru , Россия, Кемерово, ООО «Сибирский институт горного дела»,

Змеев Максим Валериевич, канд. экон. наук, директор, maksimzmeev@yandex.ru, Россия, Тула, ООО "Эксперт Центр "

GEOMECHANICAL AND AEROGASDYNAMICAL CONSEQUENCES OF UNDERWORKING MINING LEASES TERRITORIES OF EASTERN DONETS BASIN MINES

N.M. Kachurin, G.V. Stas, T.V. Korchagina, M.V. Zmeev

Results of studying earth surface condition on underworking territories of Eastern Donets Basin are submitted. It's demonstrated that earth surface deformations which fixing at geodynamical stations don't exceed accepted values and are safety for objects of population activity. Results of researching gaseous exchange of gobs with earth surface on mining leases territories of liquidated mines in Eastern Donets Basin are submitted too. Results of field observation and mathematical modeling migration of gases from gobs demonstrate stable interconnection between emitted mining gases concentration and decreasing atmospheric pressure.

Key words: earth surface, underworking territory, geomechanical consequences, gaseous exchange, liquidated mine, filtration, diffusion, gases, mathematical model.

Kachurin Nikolai Mihilovich, Doctor of Technical Science, Full Professor, Head of Chair, ecology @tsu.tula.ru, Russia, Tula City, Tula State University,

Stas Galina Viktorovna, Candidate of Technical Science, Docent, galina stasaimail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Korchagina Tatiyna Victorovna, Candidate of Technical Sciences, Deputy Director, t.korcyagina@sds-ugol.ru, Russia, Kemerovo, LLC "Siberian Mining Institute",

Zmeev Maxim Valerievich, Candidate of Economical Sciences, Director, maksimzmeev@yandex.ru, Russia, Tula, LLC "Expert Center"

Reference

1. Kosov O.I. Geodinamicheskie processy pri likvidacii shaht Vostochnogo Don-bassa//Jekologo-jekonomicheskie problemy prirodopol'zovanija v gornoj promyshlennosti. Shahty: JuRO AGN RF, 2006. № 9. C.139.

2. Kosov O.I. Provaloopasnost' territory zakrytyh shaht Vostochnogo Don-bassa//Jekologo-jekonomicheskie problemy prirodopol'zovanija v gornoj promyshlennosti. Shahty:, JuRO AGN RF, 2006. № 9. C. 145.

3. Kosov O.I. Malysheva A.A. Sokolova O.V. Likvidacija shaht i jekologicheskie problemy Vostochnogo Donbassa. Jekologo-jekonomicheskie problemy prirodopol'zovanija v gornoj promyshlennosti. Shahty: JuRO AGN RF, 2007. № 10. C. 64.

4. Kosov O.I. Malysheva A.A. Sokolova O.V. Jekologicheskie problemy is-pol'zovanija podzemnyh vod likvidiruemyh shaht v ugledobyvajushhih rajonah Vostochnogo Donbassa.//Jekologo-jekonomicheskie problemy prirodopol'zovanija v gornoj promyshlennosti. Shahty: JuRO AGN RF, 2007. № 10. S. 108.

5. Kosov O.I. Sokolova O.V. Problemy jekologicheskoj bezopasnosti territory gornyh otvodov likvidiruemyh shaht Vostochnogo Donbassa. M: Ugol', 2007. 6. S. 56.

6. Kachurin N.M., Komissarov M.S., Kosov O.I. Fizicheskaja model' i mate-maticheskoe opisanie dvizhenija gazov v podrabotannyh gornyh porodah otrabotannyh shaht / Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Estestvennye nauki. Serija. Nauki o Zemle. Vyp. 4 // Tula. «Grif i K». 2009. S. 110-112.

7. Kachurin N.M., Komissarov M.S., Kosov O.I. Fil'tracija «mertvogo» vozduha cherez podrabotannyj massiv gornyh porod / Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Estestvennye nauki. Serija. Nauki o Zemle. Vyp. 4 // Tula. «Grif i K». 2009. S. 116118.

8. Kachurin N.M., Komissarov M.S., Kosov O.I. Diffuzija gazov vyrabotannogo prostranstva cherez podrabotannyj massiv gornyh porod / Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Estestvennye nauki. Serija. Nauki o Zemle. Vyp. 4 // Tula. «Grif i K». 2009. S. 101-103.

9. Jekologicheskie posledstvija zakrytija ugol'nyh shaht Kuzbassa po gazodi-namicheskomu faktoru i opasnosti jendogennyh pozharov na otvalah / N.M. Kachurin, S.A. Vorob'ev, Ja.V. Chistjakov, L.L. Rybak // Jekologija i promyshlennost' Rossii. 2015. №4. S. 54-58.

10. Porodnye otvaly likvidirovannyh shaht Podmoskovnogo bas-sejna kak istochnik vybrosov pyli v atmosferu / N.M. Kachurin, N.D. Levkin, S.A. Vorob'ev, Ja.V. Chistjakov // Jekologija i promyshlennost' Rossii. 2016. №5. S. 44-48.

11. Kachurin N. M., Efimov V. I., Vorob'ev S. A. Metodika prognozirovanija jeko-logicheskih posledstvij podzemnoj dobychi uglja v Rossii / Gornyj zhurnal. 2014. №9. S. 138-142.

12. Evaluating of closed mines mining lease territories environmental safety by gas factor / N.M. Kachurin, V.I. Efimov, S.A. Vorobev, D.N. Shkuratckiy // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 41-44.

13. Scientific and practical results of monitoring of anthropogenic influence on mining-industrial territories environment / N.M. Kachurin, S.A.Vorobev, T.V. Korchagina, R.V. Sidorov. // Eurasian Mining. 2014. №2. P.44-48.