CC BY
0УДК 622.1:622.016:622.83:622.847
В. А. Дрибан, Н. А. Дуброва, Е. Д. Ходырев, А. В. Антипенко
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ГЕОМЕХАНИКИ ОБВОДНЕННЫХ ГОРНЫХ МАССИВОВ
Массовая ликвидация горнодобывающих предприятий Донбасса привела к водонасыщению подработанных массивов и изменению физико-механических свойств вмещающих массив горных пород, спровоцировав интенсификацию негативных геомеханических и гидрогеомеханических процессов. В статье рассмотрены актуальные проблемы геомеханики и геофильтрации, возникающие при обеспечении вопросов устойчивости и безопасной эксплуатации обводненных горных массивов.
Ключевые слова: ликвидация угольных шахт, проблемы геомеханики, проницаемость, провалы земной поверхности.
Введение. В рамках реструктуризации угольной промышленности Донбасса осуществляется остановка работы подземных водоотливных комплексов ликвидируемых шахт с переходом на управление гидродинамическим режимом с помощью погружных насосов, предполагающая частичное или полное затопление выработанного пространства. Высокая степень техногенной нагрузки и чрезвычайная плотность горных работ, когда за весь период развития Донбасса из недр было извлечено около 11,5 км3 пород, в результате чего было деформировано более 600 км3 породного массива на площади 8 тыс. км2, обусловили необходимость более тщательного изучения геомеханических проявлений последствий обводнения. Подобные проблемы распространены повсеместно в основных угледобывающих регионах РФ и актуальны не только для Донбасса, но и для Кузнецкого угольного бассейна, Приморского края и пр.
При этом значительное количество затапливаемых горнодобывающих предприятий, расположено в пределах городских аг-
ломераций с высокой плотностью жилой и промышленной застройки, что создает угрозу безопасности, как объектам поверхности, так и смежным горнодобывающим предприятиям.
На данный момент, недостаточно изучены как вопросы свойств и поведения обводненных массивов, так и вопросы ведения горных работ в условиях обводнения. Например, используемый подход к определению параметров активизации процесса сдвижения вследствие затопления учитывает лишь значения остаточной мощности отработанных пластов, что не в полной мере отражает реальное поведение массива. При этом численные значения этого показателя в ряде нормативных документов различны либо определены без учета всех влияющих факторов. Также, требует изучения вопрос изменения углов и объема мульды сдвижения в условиях обводнения, что особенно важно для безопасной подработки. Более того, вследствие высокой техногенной проницаемости подработанных массивов, следует ожидать принципиального изменения распределения деформационных полей при водонасыщении, что потребует новых подходов к решению целого класса геомеханических и геофильтрационных задач.
Затопление выработанного пространства приводит к водо-насыщению и обводнению нарушенных массивов и изменению физико-механических свойств вмещающих горных пород. Это неизбежно влечет за собой активизацию негативных геомеханических и гидрогеологических процессов. При этом проявление негативного влияния обводнения проявляется в направлениях, которых условно можно разделить на три большие группы:
- изменение напряжённо-деформированного состояния массивов пород в связи с обводнением;
- динамические процессы и явления в массивах горных пород, инициированные обводнением;
- активизация процессов сдвижения горных пород вследствие обводнения.
Частными случаями указанных негативных последствий обводнения являются процессы активизации сдвижений и деформаций земной поверхности над затопленными горными выработками, проявляющиеся, как в виде оседаний, так и поднятия зем-
ной поверхности; интенсификация процессов массопереноса, включая миграцию вредных загрязняющих веществ; изменение гидродинамического режима подземных вод и, как следствие, подтопление и заболачивание территорий вплоть до самоизлива шахтных вод на земную поверхность; возникновение сейсмической активности, проявляющееся в виде внезапных горных ударов; угроза смежным действующим горнодобывающим предприятиям в виде внезапных прорывов воды.
Особенности формирования напряженно-
деформированного состояния обводненных горных массивов. Вопрос о напряженно-деформированном состоянии массива горных пород и угля является одним из наиболее важных и сложных вопросов горной геомеханики. От того, насколько полно и объективно он решается, зависит обоснованность мероприятий по управлению горным давлением в очистных забоях, охране и поддержанию горных выработок и шахтных стволов, находящихся в сложных горно-геологических условиях.
Поэтому аналитические исследования распределения напряжений в горном массиве имеют не только очевидное теоретическое значение, но и часто являются практически единственным способом при интерпретации результатов натурных наблюдений, получении общей оценки состояния массива и постановке новых экспериментов на моделях и в шахтных условиях.
Разработана аналитическая модель формирования и трансформации напряженного состояния обводненного массива горных пород при отработке свиты пластов с учетом основных влияющих факторов [1] - [6].
Указанная модель сводится к определению напряженного состояния тяжелой полуплоскости в которой проведен ряд прямолинейных разрезов высотой равной мощности отрабатываемых пластов, нагруженных самоуравновешивающимися силами, с учетом восстановления нагрузок за счет смыкания кровли и почвы.
Построенная аналитическая модель дает эффективную возможность анализа трансформации НДС подработанного массива при его обводнении, что в первую очередь связано с тем обстоятельством, что указанная модель впервые увязывает деформаци-
онные характеристики массива и мощность разрабатываемого пласта, которые оказывают существенное влияние на распределение напряжений. И, как следствие, на принципиальные решения по вопросам охраны горных выработок и шахтных стволов как в подрабатываемом, так и в надрабатываемом массиве.
При этом следует иметь ввиду следующие обстоятельства:
- обводненный массив существенным образом (до 60 % и более) теряет свои прочностные и деформационные характеристики;
- повышение влажности горных пород приводит к активизации реологических процессов.
Например, как показали исследования Н. Ф. Ренжиглова скорость ползучести водонасыщенных образцов аргиллитов, алевролитов и песчаников в начальной стадии в 2-9 раз больше, чем в сухих. В исследованиях Aires B. L. было установлено, что процесс ползучести пород ускоряется и при принудительной фильтрации жидкости через породу, что постоянно имеет место при последовательном затоплении горных выработок.
Функция ползучести может быть использована непосредственно в расчетах проявления горного давления при постоянных граничных условиях. В этом случае обычно используемые в теории линейно-наследственной ползучести интегральные операторы могут быть заменены переменными модулями, применение которых в задачах геомеханики обосновано Б. З. Амусиным и А. М. Линьковым.
Решение вопроса разработки аналитической модели формирования и трансформации напряженного состояния обводненного массива горных пород при отработке свиты пластов, строилось методом последовательных приближений.
Как показывает ряд расчетов в качестве первого приближения можно использовать следующие зависимости.
= YnYHnRe
(1 + SiijAnik)
N
z °n,fc _ 1
z^—a.
n,k
(1)
И, в случае обводненных массивов дополнительные напряжения определяться по формуле 2:
= InY^nRe
(1 + SijAnt)
M
—j(1 + SijAWnk)
an,k
AJ
Jw n,k
~an,k
(2)
где ах, Сту, Тху - горизонтальные, вертикальные и касательные напряжение соответственно, МПа;
Е- модуль упругости, МПа;
п - коэффициент Пуассона;
ъ - точка комплексной плоскости;
2а - длина выемочного столба, м;
2Ь - величина области «упругого» смыкания пород кровли и почвы в выработанном пространстве, м;
у - объемный вес пород, МН/м3;
т - мощность разрабатываемого пласта, м;
Н - глубина очистных выработок.
Параметр А определяется из выражения (3):
^ = г(а2-Ь2)(г-г) г1 / ¡г2-а2 _ <Л = ЕтКт _
2(г2-а2)(г2-Ь2) ^а 1-г2 I 4ауНК0(1-у2) ^ '
где а - отношение Ь к а.
Кт и Ко определяются формулами (4):
Кт = 1 _ —, К0 = ^. (4)
171 ЗН' и ЗН+а 4 '
Переменные модули основных деформационных постоянных имеют вид:
Ег = Е(1 + щ)"1,V; =0,5 _ (0,5 _у)(1 + щ)"1. (5)
Таким образом, полученные соотношения позволяют вести расчеты для различных глубин, деформационных характеристик массива, мощностей пласта и размеров целиков в обводненных массивах, не прибегая к мощным программным средствам.
Проведенные расчеты показывают принципиальное изменение картины распределения НДС.
На рисунках 1 - 3 приведены изолинии дополнительных напряжений в обводненном массиве.
Рис. 1 - Изолинии дополнительных вертикальных напряжений
Рис. 2 - Изолинии дополнительных горизонтальных напряжений
Рис. 3 - Изолинии дополнительных тангенциальных
напряжений
Геодинамический мониторинг в условиях обводнения.
Как известно, потенциальным источником образования провалов являются старые горные выработки, имеющие выход на земную поверхность, которых на территории Донбасса насчитывается более 13 тысяч. В силу давности ведения горных работ, информация о местоположении многих из них была безвозвратно утеряна [7]. Поэтому, проблема образования провалов на земной поверхности никогда не теряла свою актуальность и особенно обострилась в последние годы, в связи с массовым затоплением шахт, оказавшихся нерентабельными или подвергшихся значительным повреждениям в результате боевых действий.
Массовое затопление шахт привело к кардинальному перераспределению гидродинамического режима подземных вод, что повлекло за собой активизацию процессов сдвижения горного массива с последующей самоликвидацией пустот и старых горных выработок, что в свою очередь, привело к образованию про-
валов и нарушению эксплуатационных способностей объектов на земной поверхности вплоть до их полного разрушения.
Повышение рисков нарушения условий эксплуатации зданий и сооружений приводит к невозможности их полноценного использования, создавая угрозу жизни и безопасности людей. Поэтому достоверная оценка вероятности и времени возникновения провала обеспечит своевременность принятия мер по минимизации или предотвращению негативны последствий.
Одним из ключевых элементов, позволяющим предотвратить или минимизировать негативные последствия провалообра-зования является геодинамический мониторинг [8], [9].
Методики проведения геодинамического мониторинга регламентируется нормативно-методическими документами [10] -[14].
За последние 4 года методика обследования провалоопас-ных зон опробована при анализе и обобщении геомеханической ситуации на полях 100 шахт Донбасса. Так, на 26 шахтах Киров-ско-Шахтерского угленосного района зафиксировано 592 горных выработки, имевших выход на земную поверхность, выделено и картировано 415 провалоопасных зон земной поверхности, общей площадью 6,42 км2 и протяженностью маршрута обследования 508,8 км, обнаружено 17 провалов земной поверхности. На полях 22 шахт Торезско-Снежнянского угленосного района зафиксирована 841 горная выработка, имевшая выход на земную поверхность, выделена и картирована 521 провалоопасная зона земной поверхности, общей площадью 8,44 км2 и протяженностью маршрута обследования 609,3 км, обнаружен 41 провал земной поверхности. На полях 20 шахт Центрального угленосного района зафиксировано 10 654 горных выработки, имевших выход на земную поверхность, выделено и картировано 862 провалоопас-ные зоны земной поверхности, общей площадью 26,27 км2 и протяженностью маршрута обследования 2 354,1 км, обнаружено 90 провалов земной поверхности. На полях 32 шахт Донецко-Макеевского угленосного района зафиксировано 1 522 горных выработки, имевших выход на земную поверхность, выделено и картировано 1 029 провалоопасных зон земной поверхности, об-
щей площадью 5,96 км2 и протяженностью маршрута обследования 470,6 км, обнаружено 25 провалов земной поверхности.
При этом нормативная методика расчета параметров зон, опасных по провалам земной поверхности, нуждается в доработке ввиду изменившихся условий поддержания горных выработок. В первую очередь, это касается изменения уровня грунтовых вод вследствие ликвидации угледобывающих предприятий. Горные выработки, сохранявшие устойчивость в сдренированном массиве, в обводненном массиве горных пород начинают деформироваться и разрушаться, что в свою очередь негативно сказывается и на земной поверхности.
Еще одним существенным фактором является возраст горной выработки. Обнажившиеся в результате проведения горных работ участки породных слоев подвергаются разрушительному воздействию окружающей среды, и чем дольше длится этот процесс, тем больше изменяются физико-механические свойства горных пород. В результате снижения их прочности происходит формирование новых и развитие уже существующих трещин в породном массиве. Таким образом, постепенно накапливающаяся «усталость» горных пород может повлечь за собой обрушение свода горной выработки с последующей активизацией процесса сдвижения вышележащих пород даже спустя десятилетия после окончания активной стадии сдвижения. Колебания гидродинамического режима подземных вод только дополнительно усугубляют ситуацию, ускоряя процессы повреждения земной поверхности и увеличивая ущерб.
Таким образом, дальнейшее изучение влияния обводнения на геомеханические процессы в подработанном массиве позволит повысить точность прогноза рисков повреждения земной поверхности и более эффективно внедрять меры по защите техногенно-нагруженных территорий от негативных последствий ведения горных работ. Также, это позволит более точно определять размеры провалоопасных зон, что даст возможность произвести переоценку и вернуть в обиход дополнительные участки земной поверхности, ранее считавшиеся опасными и непригодными для эксплуатации.
Особенности процессов фильтрации в подработанном массиве горных пород. Процессы фильтрации воды в подработанном горном массиве при затоплении шахт имеют ту особенность, что сеть крупных каналов, окружает структурные блоки массива, массоперенос в которых также существенно сказывается на общей картине. По отношению к крупным каналам блоки играют роль дополнительных стоков. Своеобразие таких стоков состоит в том, что движение между наружной поверхностью блоков и их внутренними частями развивается во времени, создавая запаздывание реакции блока на изменения в окружающих его крупных каналах или трещинах. Это существенно осложняет решение геофильтрационных задач, так как приходится рассматривать перенос и в крупных трещинах, и внутри блоков. Для упрощения решения геофильтрационных задач в настоящее время используются две модели: модель вложенных сред и модель с типовым блоком. Однако обе они применимы лишь для линейных задач и при условии, когда напор в крупных трещинах репрезентативного объема среды, содержащего множество структурных блоков, можно считать одинаковым. В реальных задачах выполнение этих условий не всегда соблюдается и требуется иной подход, учитывающий возможность нетривиального характера взаимодействия флюида и фильтрующей среды. В связи с этим в [15] был предложен феноменологический подход, состоящий в использовании теории последействия Больцмана - Вольтерра, учитывающий старение блоков, нелинейность и запаздывание их реакции. Эта модель получила название - модель фильтрации с источниками наследственного типа.
Применительно к изучению процессов затопления подработанного горного массива, роль крупных транспортных каналов играют горные выработки ликвидируемой шахты и связанные с этими выработками зоны водопроводящих трещин (ЗВТ). Функцию сорбирующих воду блоков в этом случае выполняют отдельные сохранившие сплошность элементы подработанного массива горных пород. При этом горные выработки и связанные с ними зоны водопроводящих трещин, как правило, не превышают 5 % от объема всего подработанного массива. Скорость процессов фильтрации в горных выработках и зонах водопроводящих
трещин определяется величиной внешнего водопритока и на несколько порядков превышает скорость сорбционно-кинетических процессов в слагающих горный массив блоках. Такое соотношение скоростей процессов приводит к дифференциации распределения напоров в блоках и трещинах. Это соответствует случаю достаточно быстрого затопления горных выработок всей шахты до уровня грунтовых вод, но в виду запаздывания процессов мас-сопереноса в структурных элементах среды, обводненная часть массива при этом будет составлять не более 5 %. Таким образом, говорить об изменении физико-механических свойств всего подработанного массива горных пород в этом случае не приходится.
Водонасыщение же составляющих структурных элементов (блоков) подработанного массива имеет существенную задержку по времени по отношению к процессам в горных выработках и продолжается в течение длительного периода времени после их затопления. На этом временном этапе процессы водонасыщения горных пород имеют квазистационарный характер и не влияют на уровень затопления горных выработок шахты, а следовательно, оценка параметров их интенсивности не может быть выполнена путем натурных наблюдений. При этом следует отметить, что именно процессы водонасыщения всего массива подработанных горных пород имеют определяющее значение при изменении его деформационных, реологических и прочностных свойств, которые могут спровоцировать активизацию процессов сдвижения земной поверхности.
Тем не менее, предложенная в [15] феноменологическая модель фильтрации может стать основой для оценки временного вклада перечисленных факторов при изменении свойств подработанного горного массива. Указанная задача может быть решена с помощью разработки специальной методики по проведению опытов для определения сорбционно-кинетических свойств подработанных горных пород, которая на основании полученных результатов позволит дать оценку временных параметров проявления максимальной активности процессов сдвижения земной поверхности при затоплении угольных шахт.
Заключение. Ключевым вопросом устойчивости и безопасной эксплуатации горных массивов является понимание особен-
ностей его поведения, как в процессе обводнения, так и в условиях долговременного пребывания в водонасыщенном состоянии. Как показывают отдельные расчеты, имеет место принципиальное изменение картины распределения НДС. Поэтому, именно выявление и учет факторов, явлений и признаков несвойственных классическим теоретическим представлениям о геомеханике горных массивов, но присущих водонасыщенным массивам, являются предметом фундаментальных, и, отчасти, поисковых исследований в текущей работе. Понимание происходящих при обводнении процессов, причин их возникновения, влияющих факторов и ожидаемых последствий, позволит обосновать граничные условия и выбрать рациональные параметры для разработки достоверных гидрогеомеханических моделей, учитывающих реальные геомеханические и геофильтрационные процессы, возникающие при обводнении подработанного горного массива. Выявленные особенности этих процессов позволят определить методические подходы и необходимые технические мероприятия по предотвращению негативных последствий, как при затоплении горных выработок, так и восстановлении угольных шахт.
Исследования выполнены в рамках научной темы FRSR-2024-0001 «Изучение геомеханических и геофильтрационных процессов в подработанных обводненных массивах».
ЛИТЕРАТУРА
1. Дрибан, В. А. Общие закономерности формирования напряженно-деформированного состояния массива // Проблеми прського тиску. - Донецк: ДонНТУ. - 2003. - № 10. -С.198 - 210.
2. Дрибан, В. А. О напряженно-деформированном состоянии массива горных пород // Проблеми прського тиску. -Донецк: ДонНТУ. - 1999. - № 2. - С. 89 - 103.
3. Driban, V. On stress-deformed state of rock mass // 8-th International Scientific Conference Modern Management of Mine Producing, Geology and Environmental Protection SGEM. - Albena, Bulgaria - 2008 - V2. - Pp. 493-498.
4. Дрибан, В. А. Анализ объемного напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг очистной выработки / В. А. Дрибан, А. Г. Петрушин // Труды РАНИМИ: сб. научных трудов - Донецк, 2018. - № 20. -С.176 - 195.
5. Дрибан, В. А. Особенности решения систем линейных алгебраических уравнений для метода конечных элементов в геомеханике / В. А. Дрибан, А. Г. Петрушин // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2021. - № 12-13 (27-28). - С. 172-184.
6. Дрибан, В. А. Влияние обводненности массива горных пород на НДС при подземной разработке угольных пластов в пространственной постановке задачи/ В. А. Дрибан, А. Г. Петрушин // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2022. - № 18-19 (33-34). - С. 117-159.
7. Дрибан, В. А. Мониторинг вертикальных горных выработок, имеющих выход на земную поверхность, при реструктуризации горных предприятий / В. А. Дрибан, Б. В. Хохлов // Материалы 3-й Международной научно-практической конференции «Инновационные перспективы Донбасса» Том 1. "Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве". - Донецк, 2017. -С. 41-46.
8. Driban, V. Vorhersage des erdoberflächeabsturzes oberhalb der alten kohlengrubenräumen / V. Driban V. Nazimko, A. Feofanov, I. Khalymendyk // Altbergbau - Kolloquium - Freiberg. - 04. bis 06. November 2010. - Pp. 391-400.
9. Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины / Ю. Н. Гавриленко, В. Н. Ермаков, Ю. Ф. Кренида, О. А. Улицкий, В. А. Дрибан: монография. - Донецк: Норд Пресс, 2004. - 631 с.
10. НПАОТ 10.0-1.01-16 Правила безопасности в угольных шахтах [Текст]. - опубл. 20.05.2016 г. с изменениями, внесенными на основании Приказа Министерства угля и энергетики Донецкой Народной Республики, Государственного Комитета горного и технического надзора Донецкой Народной Республики от 07.07.2016 г. № 63/319, от 20.06.2017 г. № 157/291. - Донецк, 2016. - 217 с.
11. ГСТУ 101.00159226.001-2003. Правила подработки зданий, сооружений и природных объектов при добыче угля подземным способом [Текст]. - Введен 01.01.2004 - К., 2004. - 128 с.
12. КД 12.12.005-2001. Правила ликвидации стволов угольных шахт [Текст]. - Утв. Министерством топлива и энергетики Украины 15.02.2001 г. - Донецк, 2001. - 122 с.
13. Методическое руководство «О порядке выделения про-валоопасных зон и выбора комплекса технических мероприятий по выявлению и ликвидации пустот на ликвидируемых шахтах Восточного Донбасса». - М.: ИПКОН РАН, 2007. - 34 с.
14. Отраслевая инструкция о порядке ликвидации и консервации предприятий по добыче угля (сланца) [Текст] // Сборник нормативных материалов по маркшейдерскому и геологическому обеспечению горных работ в угольной отрасли России. -М.: ИПКОН РАН, 1998. - С. 453-471.
15. Линьков, А. М. Об источниках наследственного типа в задачах переноса [Текст] / А. М. Линьков, Е. Д. Ходырев // Доклады АН СССР. Механика.: 1988. - Т. 302, № 2. - С. 280 - 283.
Дрибан Виктор Александрович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, и.о. директора института, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, viktor-driban@yandex.ru.
Дуброва Наталья Александровна, кандидат технических наук, зав. отделом проблем геомеханики обводненных горных массивов ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, dubrovan@mail.ru.
Ходырев Евгений Дмитриевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник отдела проблем геомеханики обводненных горных массивов, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, hodyrev_ed@mail.ru.
Антипенко Антон Викторович, младший научный сотрудник отдела проблем геомеханики обводненных горных массивов, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, ministrxp@mail.ru.
ACTUAL PROBLEMS OF GEOMECHANICS OF WATER-SATURATED ROCK MASS
Tpygti PAHHMH, № 2 (40), 2024 Transactions of RANIMI, № 2 (40), 2024
The massive liquidation of mining enterprises in Donbass led to water saturation of the undermined mass and a change in the physical and mechanical properties of the rock mass, provoking the intensification of negative geomechanical and hydrogeomechanical processes. The actual problems of geomechanics and geofiltration that arising when ensuring issues of stability and safe operation of water-satureted rock mass are considered.
Keywords: liquidation of coal mines, problems of geomechanics, permeability, sinkholes of land surface.
Driban Viktor Alexandrovich, Doctor of Engineering Sciences, Senior Researcher, Acting Director of the Institute, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, viktor-driban@yandex.ru.
Dubrova Natalia Aleksandrovna, Ph. D. in Engineering Sciences, Head of the Department of Geomechanics of Watered Mountain Massifs, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk dubrovan@mail.ru.
Khodyrev Evgeny Dmitrievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher, Leading Researcher of Department of Geomechanics of Watered Mountain Massifs, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, hodyrev_ed@mail.ru.
Antypenko Anton Viktorovich, Junior Researcher of the Department of Geomechanics of Watered Mountain Massifs, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, ministrxp@mail.ru.
