CC BY
113
ГЕОМЕХАНИКА
УДК 556.3: 622.831.6
АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НАД ГОРНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ ЗАКРЫТЫХ ШАХТ
А.А. Белодедов, П.Н. Должиков, С.О. Легостаев
На основе анализа архивных материалов и литературных источников выделены особенности процесса образования провалов над наклонными выработками закрытых угольных шахт, выделены состояния породного массива, нарушенного подземными горными работами. Дана оценка вероятности образования провалов земной поверхности. Приведены характерные примеры.
Ключевые слова: закрытые угольные шахты, старые наклонные горные выработки, тампонаж горных выработок.
Ликвидированные, законсервированные (изолированные), брошенные, неэксплуатируемые наклонные выработки закрытых угольных шахт представляют большую опасность для земной поверхности и жизнедеятельности человека, что неоднократно отмечалось в работах отечественных и зарубежных специалистов [1-4, 8-10].
К рассматриваемым наклонным горным выработкам относятся стволы, бремсберги, сбойки, ходки, то есть протяженные выработки, предназначенные для вскрытия шахтного поля и эксплуатации угольной шахты.
Опасность заключается в непрогнозируемом ускорении процесса сдвижения горных пород над выведенными из эксплуатации и неликвидированными должным образом горными выработками малого заложения и сохранившихся в них пустотами из-за значительной протяженности. Наклонные вскрывающие горные выработки в течение всего срока службы угольной шахты являются основными транспортными магистралями, связывающими земную поверхность с малыми глубинами отработки, а затем и с большими. Ввиду значительного срока службы эти выработки могут неоднократно подвергаться ремонту путем перекрепления, зачастую от-
дельными участками, с заменой одного типа крепи на другой, с выпуском обрушенных пород, оставлением за крепью куполообразных вывалов и пустот, нарушая тем самым элемент взаимодействия системы «массив -крепь».
Цель работы - изучить механизм образования опасных деформаций участков земной поверхности в виде провалов над вскрывающими наклонными горными выработками закрытых угольных шахт.
Различными исследованиями установлено, что каждому виду старых горных выработок присущи определённые виды и формы повреждений на земной поверхности, предопределенных типом, назначением, пролётом горной выработки, применяемым креплением, системой разработки, условиями залегания и поддержания, временем эксплуатации с момента проведения, способом погашения и прочностью пород подработанной толщи.
Повреждения земной поверхности могут возникать над наклонными выработками вне зависимости от их возраста (срока эксплуатации с момента проведения), дореволюционными, современными или ликвидированными 10 - 20 лет назад.
Актуальность данной проблемы определяется тем, что вскрытие большинства шахтных полей (72 % от общего числа) угольных шахт, построенных в начале XIX - середине XX века, осуществлялось двумя центральными спаренными наклонными стволами глубиной свыше 600 м (52 % от общего числа). Это являлось обычным способом вскрытия для угольных шахт, заложенных в юго-восточном секторе Донецкого угольного бассейна (Восточный Донбасс) [5].
а б
Рис. 1. Провалы земной поверхности над наклонными вскрывающими горными выработками закрытых угольных шахт: а - над устьем наклонного ствола шахты № 39 шахтоуправления «Бургустинское»; б - над устьем наклонного ствола № 32 шахты ДАО «Шахта имени Артема» ООО «Ростовуголь»
Основным видом опасных деформаций земной поверхности над наклонными стволами являются провалы (рис. 1, а), круглой, а затем из-за обрушений стенок воронки в наносах и породах, близкой к эллиптической форме, вытянутой по оси выработки (рис. 1, б). В большинстве случаев провалы в плане совпадают с местоположением горной выработки.
Чаще всего процесс образования провалов земной поверхности развивается с глубин 10 - 60 м. Размеры воронок на поверхности могут достигать 20 - 40 м [3]. Образование провалов в устьевой части происходит реже, так как эта часть выработок, имеющая армокаменную, бетонитовую или кирпичную крепь, менее подвержена разрушению и имеет длительную устойчивость. Основными причинами таких провалов являются неудовлетворительное погашение и некачественный тампонаж устьев выработок либо их отсутствие. При этом размеры воронок небольшие и сопоставимы с пролётом выработки.
На горных отводах закрытых угольных шахт ООО «Ростовуголь», ликвидировано 98 вскрывающих выработок, являющихся провалоопасны-ми зонами. Также в черте города Шахты выделено 11 провалоопасных зон общей площадью 47,6 га, имеется 213 вскрывающих горных выработок, ликвидированных до 1993 г. (до начала реструктуризации угольной промышленности Российской Федерации) путем сооружения полков перекрытия устьев. Архивная маркшейдерская документация, фиксирующая тип выработки, год и способ ликвидации отсутствует, данные площади также являются потенциально провалоопасными. В настоящее время на территории Восточного Донбасса известно местонахождение более 1320 ликвидированных вертикальных и наклонных стволов, которые были ликвидированы в течение последних 150 лет, в разное время, разными способами и с различным качеством. Маршрутные обследования их незначительной части показывают, что состояние более 40 % стволов является неудовлетворительным, более 15 % полков перекрытия, перемычек, вентиляционных каналов разрушено либо вскрыто с целью незаконной добычи угля или металлолома. На ряде стволов произошли провалы земной поверхности, в которые попадали люди, животные и транспортные средства. По состоянию на 01.07.2013 г. сотрудниками ЦСЭМ ВД в Восточном Донбассе зафиксировано 424 провала общим объемом 163710 м , причем, несмотря на их постоянную ликвидацию, вблизи погашенных вскрывающих выработок ежегодно возникают десятки новых провалов. Под полками перекрытия устьев фиксируется взрывоопасная концентрация метана или наличие «мертвого воздуха». Состояние, а зачастую и местоположение подавляющего большинства ликвидированных горных выработок, имеющих выход на земную поверхность, остается неизвестным.
Стоит отметить, что для Восточного Донбасса образование провалов над старыми горными выработками, выходящими на поверхность - явление распространенное. Сбор фактических данных о них представляет
достаточно сложную задачу: обнаружение провалов возможно в ходе маршрутных обследований выработок либо аэрофотосъемки.
В последнее время проблема несанкционированного доступа в старые наклонные горные выработки с целью извлечения лома черных и цветных металлов, незаконной добычи полезных ископаемых или из любопытства становится весьма актуальной и свидетельствует о том, что данная выработка погашена неудовлетворительно.
В октябре 2010 г. авторами статьи совместно с сотрудниками ФГУП «ННЦ ГП - ИГД имени А. А. Скочинского» был обследован провал земной поверхности в 30 м от устья вспомогательного наклонного ствола закрытой шахты № 2-бис ШУ «Горняцкое» ООО «Ростовуголь» (рис. 2). Провал представляет существенную опасность для местного населения, осуществляющего сельскохозяйственную деятельность в районе породного отвала № 2 и работников свалки поселка Горняцкий Белокалитвинского района. Визуальный осмотр провала отчетливо показал трещины, указывающие на скорое развитие провала, участками объемом от 1,0 до 3,0 м . С целью определения состояния приповерхностного массива горных пород, определения фактического положения ствола в июне - июле 2011 г. проводились экспериментальные исследования состояния ликвидированного ствола методом георадиолокационного приповерхностного зондирования с применением георадаров ГРОТ - 10 и ГРОТ - 12. Применение прибора позволило обнаружить пустоты, зоны разуплотнения грунтов и определить усадку закладочного материала. Результаты исследования позволили дать прогноз развития провала и разработать проект гарантированной его ликвидации.
Рис. 2. Провал над вспомогательным наклонным стволом закрытой шахты № 2-бис ШУ «Горняцкое.» ООО «Ростовуголь»
Основными причинами образования провалов земной поверхности над погашенными вскрывающими наклонными выработками являются:
- влияние гидрогеологических и геомеханических факторов;
- разрушение крепи, наличие куполов обрушения в старых горных выработках, слабая устойчивость боковых пород выработок малого заложения и перепуск их по падению;
- несоответствие технологических решений, принимаемым при ликвидации выработок конкретным горнотехническим и горно-геологическим условиям;
- неполная, некачественная засыпка горных выработок пород, либо отсутствие засыпки, усадка (до 50 %) и уплотнение засыпанной в выработку породы;
- выдавливание и вынос засыпанной породы в прилегающие выработки;
- наведенное перекрытие выработок полками и перемычками;
- сочетание вышеперечисленных факторов.
Старые горные выработки, к которым относятся ликвидационные интервалы вскрывающих наклонных выработок, залегающие на малых глубинах и представляющие опасность для земной поверхности, располагаются в прилегающей к земной поверхности выветрелой толще горных пород карбона, подверженной влиянию гидрогеологического фактора, основными предпосылками для воздействия которого является малая глубина залегания этих выработок и изменение гидродинамического режима подземных вод. Компонентами гидрогеологического фактора являются:
- сезонные колебания уровня грунтовых вод;
- осушение или затопление горных выработок;
- аварии на сетях водопровода и канализации;
- ирригационные работы.
Гидрогеологический фактор не является единственным, который вызывает активизацию процессов сдвижения горных пород над старыми наклонными горными выработками, имеющими выход на земную поверхность, однако его значение резко увеличивается в связи с затоплением пустотного пространства закрытых угольных шахт.
Основное влияние на активизацию процесса образования провалов земной поверхности оказывает гидрогеологический фактор. Так как процесс формирования провала во вмещающем старую наклонную выработку массиве горных пород протекает в течение неопределенно длительного периода времени, то длительное меняющееся воздействие гидрогеологического фактора вносит коррективы в этот процесс.
В первую очередь, воздействие гидрогеологического фактора отразится на величине коэффициента остаточного разрыхления, отражающего увеличение объема пород, обрушенных на почву горной выработки по сравнению с массивом, сохранившим свою геомеханическую устойчивость. Важным является вопрос: какой будет величина коэффициента оста-
точного разрыхления для обрушенных горных пород, которые неоднократно подвергались обводнению и высыханию в ходе изменений гидрогеологических условий. Необходимо учитывать и тот факт, что процесс обрушения горных пород происходит поэтапно - послойно обрушаются различные по мощности и морфологии литологические разности, залегающие над пустотой и индивидуально взаимодействующие с водой. В качестве примера можно привести изменение угла естественного откоса различных обрушенных (разрыхленных) горных пород (табл. 1).
Исходя из этого, высота обрушенной на почву горной выработки породы при обводнении будет уменьшаться пропорционально уменьшению угла естественного откоса. Чем выше степень обводнения, тем меньше вероятность возможности «самоподбучивания» и тем выше опасность такой выработки (пустоты) для земной поверхности.
Таблица 1
Изменение угла естественного откоса породы, обрушенной на почву горной выработки, при изменении степени ее обводненности [4]
Материал Угол естественного откоса, градус Максимальное увлаж-нение,%
Сухой Влажный Обводненный
Почвенно-растительный слой 40 35 25 37,5
Гравий 35..40 35 30 25
Суглинок 40...50 35...40 25...30 50
Глина жирная 40...45 35 12...20 73
Глинистые породы 35...40 30...40 15...25 50
Песчано-глинистые породы 32...37 30...33 20...25 46
Уголь (разрыхленный) 50 40 30 40
Скальные породы 32...35 30...35 - 14
Применяемый в настоящее время расчетный метод оценки степени опасности разработан для условий одиночных горных выработок (пустот). Значения коэффициента остаточного разрыхления были получены для влажности литологичесих разностей в естественных условиях. Стоит отметить, что в действительности старые наклонные горные выработки локальными (обособленными) не являются, и имеют связь с остальными магистральными выработками (откаточными штреками), вентиляционными и калориферными каналами. Это обусловливает возможность перепуска обрушенных горных пород при их увлажнении по падению выработки с последующим их выносом в прилегающие горные выработки.
Кроме того, если величины коэффициентов остаточного разрыхления определены путем натурных исследований, то важным аспектом является определение момента этого исследования, то есть степень обводне-
ния, при которой эти значения были получены. Фактор времени является главенствующим в данном вопросе, и установить правильное значение коэффициента остаточного разрыхления для разуплотненной породы не представляется возможным ввиду изменения гидрогеологической ситуации.
Допустим, если при благоприятном стечении обстоятельств в старой наклонной горной выработке сработал принцип «самоподбучивания», то гарантии того, что с изменением гидрогеологических условий забутив-шаяся (заполненная) пустота не активизируется, отсутствуют (рис. 3).
Под воздействием гидрогеологического фактора и фактора времени произойдет частичное вымывание материала забутовки по макро- и микротрещинам, сохранившаяся часть материала забутовки уменьшится в объеме, образовав вторичный купол обрушения в массиве горных пород. При этом образовавшаяся пустота будет иметь еще меньшее заложение по отношению к земной поверхности, представляя угрозу для ее устойчивости.
а б в г
Рис. 3. Перемещение купола обрушения над старой наклонной горной выработкой во вмещающем массиве горных пород к земной поверхности: а - начальная стадия развития купола обрушения; б - «самоподбучивание» образовавшейся пустоты; в - уплотнение обрушенных обводненных пород с образованием вторичного купола обрушения; г - развитие вторичного купола обрушения с перемещением в массиве горных пород к земной поверхности
С данной позиции существующая в настоящее время методика оценки степени опасности старых горных выработок, основанная на применении вышеописанных расчетов, является не вполне корректной, так как не дает полной гарантии безопасности для земной поверхности «самопод-бутившихся» пустот. Причиной тому является то, что не учитываются
И
влияние фактора времени и фактическое состояние вмещающего старые наклонные горные выработки массива горных пород, которое определяется воздействием гидрогеологического фактора.
Выводы
1. Аналитические исследования факторов, влияющих на развитие нарушений земной поверхности в виде провалов, позволяют сделать вывод, что гидрогеологический фактор играет главенствующую роль в этом процессе.
2. В настоящее время острую актуальность приобретает вопрос разработки методики определения горнотехнического состояния ликвидируемых и повторно ликвидируемых наклонных горных выработок с учетом влияния гидрогеологического фактора на прочностные свойства массива горных пород для отдельно взятых районов угольных бассейнов.
3. Ликвидация и тем более повторная ликвидация вскрывающих наклонных горных выработок методом гидрозакладки обязательно требует принятия дополнительных мер по нагнетанию в зону активных деформаций ресурсосберегающих вязкопластичных глиноцементных тампонажных растворов по комплексному методу для укрепления боковых пород и пород кровли с целью предотвращения возможности развития существующих пустот, образования и развития вторичных куполов обрушения с целью подавления водопритоков в них и обеспечения длительной геомеханической устойчивости указанных горных выработок.
Список литературы
1. Семенов А.П., Ермаков В.Н., Петренко С.Я. О ликвидации шахт в Украине, Российской Федерации и Казахстане // Уголь Украины. 2003. № 2. С. 21-22.
2. Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины /Ю.Н. Гавриленко, В.Н. Ермаков, Ю.Ф. Кренида, О. А. Улицкий, В. А. Дри-бан // Донецк: Норд-Пресс, 2004. 631 с.
3. Дрибан В. А., Феофанов А. Н., Голдин С. В. Особенности развития провалообразования над наклонными стволами // Науковi пращ УкрНДМ1 НАН Украши. Донецк. 2010. Вып. 7. С. 14-21.
4. Феофанов А.Н. Переоценка влияния факторов на процесс активизации провалообразований // Науковi пращ УкрНДМ1 НАН Украши, Донецк. 2009. №5 (частина I). С. 18-32.
5. Муратов М.Л. К вопросу вскрытия и подготовки донной части угленосных мульд в условиях Юго - Восточного сектора Донецкого бассейна// Труды Новочеркасского политехнического института имени Серго Орджоникидзе. Т. 52/66. Работы кафедры строительства горных предприятий, посвященные пятидесятилетнему юбилею института (1907 - 1957 гг.). Краснодар: Изд-во «Советская Кубань», 1957. С. 18 - 60.
6. Кипко Э.Я., Должиков П.Н., Рябичев В.Д. Комплексная технология ликвидации наклонных горных выработок закрытых шахт: монография. Донецк: Норд-пресс, 2005. 218 с.
7. Должиков П.Н., Семирягин С.В., Кипко А.Э. Комплексный подход к решению экологических проблем в регионах закрытых шахт// Матер. IX Междунар. науч.-практ. конф. «Проблемы горного дела и экологии горного производства». Донецк: Донбасс, 2014. С. 54-61.
8. California's Abandoned Mines. A Report on the Magnitude and Scope of Issue in the State.Vol. I. Department of Conservation.Office of Mine Recla-mation.Abandoned Mine Lands Unit. June, 2000. 60 p.
9. Lee F.T., Abel J.F. Subsidence from Underground Mining: Environmental Analysis and Planning Considerations. Geological Survey Circular 876, 1983. 34 p.
10. Littlejohn G.S. Surface stability in areas underlying by old coal workings // Ground Eng. 1979. March. № 2. P. 22-30.
Белодедов Андрей Алексеевич, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Новочеркасск, Южно - Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова,
Должиков Петр Николаевич, д-р техн. наук, проф. [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Легостаев Станислав Олегович, горный инженер, [email protected], Россия, Шахты, ООО «ЮжПромГеология»
ANALYZING MECHANISM OF FORMING EARTH SURFACE DEFORMATIONS OVER LIQUIDATED MINES MINING WORKINGS
A.A. Belodedov, P.N. Dolzhikov, S.O. Legostaev
Estimating forming probability of the earth surface downfalls is given on the basis of the archives materials analysis and literature sources the peculiarities of the process of forming downfalls above the inclined underground workings of the closed coal mines, having heen disturbed by the underground mining, are detached, the conditions of the rock massive are revealed. Characteristic examples are given.
Key words: liquidated coal mines, old inclined underground workings, plugging up underground workings.
Belodedov Andrey Alexeevich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, a.a.helodedov@,mail.rн, Russia, Novocherkassk, Platov South Russian State Polytechnic University,
Dolzhikov Petr Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Legostaev Stanislav Olegovich, mine engineer, stas_legostaev@mail. ru, Russia, Shakhty, LLC "YuzhPromGeologia"
Reference
1. Semenov A.P., Ermakov V.N., Petrenko S.Ja. O likvidacii shaht v Ukraine, Rossi-jskoj Federacii i Kazahstane. Ugol' Ukrainy, 2003. № 2. S. 21-22.
2. Tehnogennye posledstvija zakrytija ugol'nyh shaht Ukrainy /Ju.N. Gavrilenko, V.N. Ermakov, Ju.F. Krenida, O.A. Ulickij, V.A. Driban// Doneck: Nord-Press, 2004. 631 s.
3. Driban V. A., Feofanov A. N., Goldin S. V. Osobennosti razvitija provaloobra-zovanija nad naklonnymi stvolami // Naukovi praci UkrNDMI NAN Ukraini. Doneck. Vyp. 7. 2010. S. 14-21.
4. Feofanov A.N. Pereocenka vlijanija faktorov na process aktivizacii provaloobra-zovanij // Naukovi praci UkrNDMI NAN Ukraini, Doneck. №5 (chastina I). 2009. S. 18-32.
5. Muratov M.L. K voprosu vskrytija i podgotovki donnoj chasti uglenosnyh mul'd v uslovijah Jugo - Vostochnogo sektora Doneckogo bas-sejna/ Trudy Novocherkasskogo politehnicheskogo instituta imeni Sergo Ordzhonikidze. Tom 52/66. Raboty kafedry stroitel'stva gornyh predprijatij, posvjashhennye pjatidesjatiletnemu jubileju instituta (1907 -1957 g.g.). Izd-vo «Sovetskaja Kuban'». Krasnodar. 1957. S. 18 - 60.
6. Kipko Je.Ja., Dolzhikov P.N., Rjabichev V.D. Kompleksnaja tehnologija likvidacii naklonnyh gornyh vyrabotok zakrytyh shaht. Monografija. Doneck: Nord-press, 2005. 218 s.
7. Dolzhikov P.N., Semirjagin S.V., Kipko A.Je. Kompleksnyj podhod k resheniju jekologicheskih problem v regionah zakrytyh shaht. Mater. IX mezhdunar. Nauch. - prakt. konf. «Problemy gornogo dela i jekologii gornogo proizvodstva». Doneck: Donbass, 2014. S. 54-61.
8. California's Abandoned Mines. A Report on the Magnitude and Scope of Issue in the State.Volume I. Department of Conservation.Office of Mine Reclamation.Abandoned Mine Lands Unit. June, 2000. 60 p.
9. Lee F.T., Abel J.F. Subsidence from Underground Mining: Environmental Analysis and Planning Considerations. Geological Survey Circular 876, 1983. 34 p.
10. Littlejohn G.S. Surface stability in areas underlying by old coal workings // Ground Eng. March 1979. № 2. P. 22-30.
