CC BY
2
УДК 622.834:622.831.6
АНАЛИЗ ОСТАТОЧНОЙ ПУСТОТНОСТИ СТАРЫХ ГОРНЫХ
ВЫРАБОТОК ПОСЛЕ ЗАКРЫТИЯ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
П. Н. Должиков, Д. В. Пронский, Н. В. Пронская
Проведен анализ остаточной пустотности пространств отработанных лав и капитальных выработок угольных шахт Восточного Донбасса, закрытых методом мокрой консервации. Установлены факторы, влияющие на величину остаточной пустотности в выработках. На основании скважинных исследований по четырем углепромышленным районам выявлены зависимости коэффициента остаточной пустотности от глубины ведения горных работ и прочностных характеристик пород кровли. Важнейшим фактором активизации опасных деформаций породного массива является его пустотность и обводненность. Предложена формула для расчета объема остаточной пустотности в породном массиве закрытых угольных шахт.
Ключевые слова: закрытая шахта, выработанное пространство, остаточная пустотность, обводненность, скважинные исследования, деформации, провалы.
Введение. При ведении подземных горных работ по добыче угля на различных глубинах происходит обрушение пород в выработку и сдвижение литологических слоев. Обрушение и сдвижение пород развивается во времени и этот вопрос недостаточно изучен для условий пологого залегания пластов в Восточном Донбассе. Многие исследователи полагают, что процесс сдвижения породного массива развивается в две стадии и активизируется при закрытии шахт методом мокрой консервации [1 - 4]. В связи с разнообразием горно-геологических условий подземной разработки необходимо проведение дальнейших исследований деформаций поверхности, особенно в местах промышленно-городской застройки и технической инфраструктуры.
Известно, что скорость оседания земной поверхности зависит от вынимаемой мощности пласта, способа управления кровлей, скорости по-двигания забоя и положения точки в мульде сдвижения. Предполагается, что практически от этих же факторов зависит и остаточная пустотность в выработках [4]. Однако здесь еще нужно добавить важный фактор - крепость кровли. Также необходимо учитывать общее количество отработанных пластов и степень их взаимовлияния, коэффициент тектонической нарушенности шахтного поля, степень метаморфизма пород, глубину отработки каждого пласта, гидрогеологические условия.
Цель работы - анализ остаточной пустотности старых горных выработок закрытых шахт по материалам бурения скважин.
Методы исследований. Изучение состояния породного массива после подработки выполнялось по разведочным, гидрогеологическим и техническим скважинам (материалы предприятий «Востокгеология», «Спецтампонажгеология», «Геотехника» и «Геолсервис»). Объемы иссле-
довательских работ по основным углепромышленным районам приведены в табл. 1.
Таблица 1
Объемы скважинных исследований по углепромышленным районам
Углепромышленный район Общее количество скважин Количество скважин с поглощением промывочной жидкости Количество скважин с провалом бурового инструмента Количество провалов Примечание
Алмазно-Марьевский 18 10 10 9 Провалы над капитальными выработками
Селезневский 24 17 12 11
Боково-Хрустальский 36 29 26 8
Должано-Ровенецкий 142 103 98 23
Результаты исследований. Скважинные исследования позволили установить, что пространство отработанных лав и капитальных горных выработок закрытых шахт обладает значительной остаточной пустотно-стью. Даже через 50 - 100 лет и на глубинах свыше 100 - 500 м в них имеются полости значительных объемов - 1000.. .2000 тыс. м3.
Также установлено, что состояние участков шахтных полей, отработанных лавами в разное время, существенно отличается от состояния капитальных горных выработок. Отработанные лавами участки обычно почти полностью зажаты обрушенной породой и обладают остаточной пу-стотностью 20...40 %. Однако распределение этой пустотности по выработкам имеет большой разброс по шахтному полю. Анализ результатов бурения проводился более чем по 200 шахтам Донбасса, работавших в разных горно-геологических условиях. Поэтому в общем случае был получен коэффициент остаточной пустотности в выработанном пространстве от 0,15 до 0,70 в зависимости от горно-геологических факторов [2, 4].
В интервалах глубин 5 - 80 м наблюдалось обрушение и заполнение выработок разуплотненной породой. Зоны разуплотнений пород над выработками имели мощность 0,5 - 15,0 м в зависимости от мощности покровных отложений. В четвертичных и неогеновых породах наблюдалось структурное разуплотнение, а в породах карбона - расслоение. Иногда на малых глубинах наблюдалось частичное или полное зависание пород кровли, что устанавливалось по провалам бурового инструмента. При этом мощность пустот составляла от 0,3 до 2,0 м. Такие провалы фиксировались в старых горных выработках на глубинах 25 - 60 м, что объясняется развитием в Донбассе зоны интенсивного физико-химического выветривания
пород карбона. На глубинах более 60 - 80 м развивающееся горное давление вызывает частичное обрушение кровли.
Обобщение материалов бурения по различным углепромышленным районам с погрешностью 10...15 % (рис. 1) показало, что при глубинах отработки пластов угля до 80 - 100 м средний коэффициент остаточной пу-стотности не превышает 0,3...0,4. На глубинах 100 - 500 м коэффициент остаточной пустотности снижается, что связано с горным давлением и прочностью пород кровли, и составляет не более 0,25... 0,40.
Весьма показательно, что коэффициент остаточной пустотности возрастает с увеличением степени метаморфизма горных пород - от марок углей Д, Г к антрацитам. Для средней прочности горных пород кровли остаточная пустотность для лав составляет 0,20.0,25, а для слабых пород - снижается до 0,15 (рис. 1). На антрацитовых шахтах для крепкой кровли из мощных песчаников коэффициент остаточной пустотности по очистным выработкам преимущественно составляет 0,35... 0,40.
Также установлена зависимость коэффициента остаточной пустот-ности от прочности пород кровли на растяжение, поскольку деформирование верхних слоев пород при обрушении происходит в форме растяжения (рис. 2). Для прочных пород кровли антрацитовых шахт после обрушения коэффициент остаточной пустотности составляет 0,30. 0,35.
20 30 40 50 60 70 сс,МПа т0, д. ед.
0,4
0,3
0,2
0Л
0 100 200 300 400 500 Ь, м
Рис. 1. Зависимость коэффициента остаточной пустотности от: 1 - глубины;
2 - прочности пород кровли
По капитальным горным выработкам коэффициент остаточной пустотности повышается до 0,6.0,7. Это означает, что при эксплуатационном сечении основных выработок шахты 8 - 12 м2 остаточное сечение будет равно 5 - 8 м2. Учитывая протяженность этих выработок по шахте (до 800 м), они являются мощным коллектором подземных вод с фильтрационными перетоками на разные горизонты, что активизирует процесс сдви-
жения пород. Следует отметить, что при этом развиваются новые гидродинамические эффекты, деформационно проявляющиеся на поверхности. Поэтому при активных деформациях поверхности полное погашение таких выработок требует проведения тампонажно-закладочных работ с применением ресурсосберегающих материалов [6, 9, 10, 12].
т0, д. ед.---
0,3 0,2 0,1
4 5 6 ор, МПа
Рис. 2. Зависимость коэффициента остаточной пустотности от прочности пород кровли на растяжение
Также многими исследованиями и фактическим материалом доказано, что при отработке угольных пластов на малых глубинах, пройденные горные выработки в условиях высокого метаморфизма горных пород длительное время представляют опасность и над ними могут образовываться значительные провалы (рис. 3) [5,7 - 9,13].
Рис. 3. Провал над стволом шахты им. Володарского
Важнейшим геологическим фактором образования провала является обводнение горных пород, что вызывает резкое ухудшение их деформационно-прочностных свойств и преодоление критической скорости сдвига пород. Экспериментально установлена зависимость скорости сдвижения пород от влажности (рис. 4). Наиболее опасными участками на шахтных полях являются выработки, выходящие на поверхность, находящиеся в состоянии гидроактивизации; особо опасными для эксплуатации и застройки поверхности являются погашенные подготовительные выработки шахт с локальными участками обрушения [9, 12, 14].
Оценку объема остаточной пустотности У0 в породном массиве закрытых шахт можно выполнить по формуле
п
уо = Бп т1 +... + ког т)+Кув + к нУн, /=1
где п - коэффициент горно-геологических условий, п = 1,0.1,2; £ - показатель отработки шахтного поля, £ = 0,7. 0,9; Бп - площадь шахтного поля, м2; ко - коэффициент обрушения кровли пласта; т - мощность пласта, м; кв - коэффициент пустотности вертикальных выработок; Ув - объем вертикальных выработок, м3; кн - коэффициент пустотности наклонных выработок; Ун - объем наклонных выработок, м3.
V, 10 ' мм/мин
15 10
5
20 30 40 \¥,%
Рис. 4. Зависимость скорости формирования провала от влажности
пород: 1 - суглинка; 2 - глины
Для примера сделаем оценку остаточных пустот в породном массиве после очистных работ на примере шахты им. Ленина (ПО «Луган-скуголь»). Шахтой им. Ленина отрабатывались угольные пласты /21, /11, к7н, кв и £зв.
Угольный пласт /21 отрабатывался на глубинах 30 - 500 м. Он имеет мощность 1,2 - 1,5 м. Залегание угольного пласта, в пределах шахтного поля, изменяется от пологого (0.40) до крутонаклонного (40 . 500). Пло-
щадь отработки составляет порядка 12000 тыс. м2, объем выработанного пространства - 15000 тыс. м3, поэтому объем остаточных пустот 1500.1600 тыс. м3.
Угольный пласт /11 отрабатывался на глубинах 410 - 490 м, имеет мощность 0,75 м и пологое залегание под углами 2.50. Площадь отработки составляет порядка 260 тыс. м2, объем выработанного пространства 195 тыс. м3, возможный объем закладки - 20.30 тыс. м3.
Угольный пласт к7н отрабатывался на глубинах 20 - 390 м. Имеет мощность 0,75 - 0,80 м и угол падения 38.400. Площадь отработки составляет порядка 715 тыс. м2, объем выработанного пространства 550 тыс. м3, возможный объем закладки - 120. 125 тыс. м3.
Угольный пласт кв отрабатывался на глубинах 20 - 380 м, имеет мощность 0,65 - 0,70 м и угол залегания 35.420. Площадь отработки составляет порядка 500 тыс. м2, объем выработанного пространства 350 тыс. м3, возможный объем закладки - 85.90 тыс. м3.
Угольный пласт к3в отрабатывался на глубинах 20 - 400 м, имеет мощность 0,90 - 0,95 м и углы залегания 35.450. Площадь отработки составляет порядка 1500 тыс. м2, объем выработанного пространства 1350 тыс. м3, возможный объем остаточных пустот - 150. 200 тыс. м3.
Всего по шахте им. Ленина объем выработанного пространства составляет 17445 тыс. м3, поэтому оценочный возможный объем тампонаж-но-закладочных работ - 1875 . 2045 тыс. м3.
Выводы. Таким образом, по результатам скважинных исследований установлено, что потенциально опасными по возможности активизации деформаций и образования провалов являются антрацитовые районы и шахты с углями марки Д, Т. В этих районах (Алмазно-Марьевский, Селезневский, Боково-Хрустальский, Должано-Ровенецкий и др.) целесообразно проведение специальных работ по выявлению деформационно-опасных зон с последующим выполнением тампонажно-закладочных работ.
Установлено, что в условиях затопленнных шахт наибольшее влияние на деформирование поверхности имеют горные породы, залегающие до 80 - 100 м. На антрацитовых шахтах для крепкой кровли из мощных песчаников коэффициент остаточной пустотности по очистным выработкам преимущественно составляет 0,35.0,40. При этом в породной толще развиваются зоны структурного разуплотнения или расслоения; зоны третичной трещиноватости в породах карбона; зоны крупнообломочного обрушения. Гидроактивизированные процессы сдвижения слабоустойчивых пород над выработками приводят к формированиям провалов.
Предложенная в исследовании формула позволяет рассчитать объем остаточных пустот в породном массиве закрытых шахт и, соответственно, оценить необходимый объем тампонажно-закладочных работ для стабилизации деформаций поверхности.
Список литературы
1. Шашенко А. Н., Пустовойтенко В. П. Механика горных пород. Киев: Новый друк, 2004. 400 с.
2. Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины: монография / под ред. Ю. Н. Гавриленко, В. Н. Ермакова. Донецк: Норд-Пресс, 2004. 631 с.
3. Должиков П. Н., Рябичев В. Д. Развитие геомеханических процессов в техногенном горизонте закрываемых шахт // Современные проблемы шахтного и подземного строительства. Донецк: Норд-Пресс, 2006. Вып. 7. С. 49-54.
4. Геомеханические и технологические проблемы закрытия шахт Донбасса: учеб. пособие / под общ. ред. С. С. Гребенкина, В. Н. Ермакова. Донецк: ДонНТУ, 2002. 266 с.
5. Гавриленко Ю. Н., Улицкий О. А., Шиптенко А. В. Об условиях образования провалов на земной поверхности над горизонтальными и наклонными выработками // Проявление горного давления: сб. науч. тр. Донецк. 1999. № 3. С. 110-115.
6. Должиков П. Н., Дмитриева Л. Н., Сергиенко Р. Н. Региональные изменения геомеханических и гидрогеологических условий на полях закрытых шахт // Науковий вюник НГУ. Дншропетровськ, 2007. № 5. С. 911.
7. Косов О. И. Провалоопасность территорий закрытых шахт Восточного Донбасса // Эколого-экономические проблемы природопользования в горной промышленности. Шахты: ЮРО АГН РФ, 2006. № 9. C. 145.
8. Белодедов А. А., Должиков П. Н., Легостаев С. О. Анализ механизма образования деформаций земной поверхности над горными выработками закрытых шахт // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле, 2017. Вып. 1. С. 160-169.
9. Феофанов А. Н. Обоснование параметров учета старых горных выработок на малой глубине для охраны поверхностных объектов: авто-реф. дис. ... канд. техн. наук. Донецк, 2003. 16 с.
10. Кипко Э. Я., Должиков П. Н., Рябичев В. Д. Комплексная технология ликвидации наклонных горных выработок: монография. Донецк: Норд-Пресс, 2005. 220 с.
11. Belodedov A. A., Dolzhikov P. N., Legostaev S. O. Research into dangerous surface deformations over inclined shafts of abandoned coal mines // Scientific Reports on Resource Issues. Freiberg, Germany: TU Bergakademie, 2016. V. 1. P. 159-165.
12. Мохов А. В. Трансформация гидродинамических характеристик горного массива на участках освоения каменноугольных залежей подземным способом: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Новочеркасск, 2015. 32 с.
13. Должиков П. Н., Прокопова М. В., Хамидуллина Н. В. Натурные исследования провалов над горными выработками закрытых шахт // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018. Вып. 4. С. 3-11.
14. Investigations of the regularity of the formation of a dip over the mine / P. Dolzhikov, A. Prokopov, M. Prokopova, N. Hamidullina // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 196. Article 03008. (XXVII R-S-P Seminar, Theoretical Foundation of Civil Engineering).
Должиков Петр Николаевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Пронский Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук, доц., dmtproarambier.ru, Россия, Алчевск, Донбасский государственный технический университет,
Пронская Наталья Викторовна, ассист., [email protected], Россия, Алчевск, Донбасский государственный технический университет
ANALYSIS OF THE RESIDUAL HOLLOWNESS OF OLD MINE WORKINGS AFTER THE CLOSURE OF COAL MINES
P. N. Dolzhikov, D. V. Pronsky, N. V. Pronskaya
The analysis of the residual hollowness of the spaces of worked-out longwalls and capital workings of coal mines in the Eastern Donbass, closed by the wet conservation method, was carried out. The factors influencing the value of residual hollowness in workings are established. On the basis of borehole studies in four coal-mining regions, the dependences of the coefficient of residual hollowness on the depth of mining and the strength characteristics of the roof rocks were revealed. The most important factor in the activation of dangerous deformations of the rock mass is its hollowness and watering. A formula is proposed for calculating the volume of residual hollowness in the rock mass of closed coal mines.
Key words: closed mine, stoped-out area, residual hollowness, watering, borehole studies, deformations, dips.
Dolzhikov Petr Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Pronsky Dmitry Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Alchevsk, Donbass State Technical University,
Pronskaya Natalya Viktorovna, assistant, doctressa@,mail.ru, Russia, Alchevsk, Donbass State Technical University
Reference
1. Shashenko A. N., Pustovoitenko V. P. Mechanics of rocks. Kiev: Novy druk, 2004. 400 p.
2. Technogenic consequences of the closure of coal mines in Ukraine: monograph / edited by Yu. N. Gavrilenko, V. N. Ermakov. Donetsk: Nord-Press, 2004. 631 p.
3. Dolzhikov P. N., Ryabichev V. D. Development of geomechanical processes in the technogenic horizon of closed mines // Modern problems of mine and underground construction. Donetsk: Nord-Press, 2006. Issue 7. pp. 49-54.
4. Geomechanical and technological problems of closing the mines of Donbass: studies. manual / under the general editorship of S. S. Grebenkin, V. N. Ermakov. Donetsk: DonNTU, 2002. 266 p.
5. Gavrilenko Yu. N., Ulitsky O. A., Shiptenko A.V. On the conditions of the formation of sinkholes on the Earth's surface above horizontal and inclined workings // Manifestation of mountain pressure: collection of scientific tr. Donetsk. 1999. No. 3. pp. 110-115.
6. Dolzhikov P. N., Dmitrieva L. N., Sergienko R. N. Regional changes in geome-chanical and hydrogeological conditions in the fields of closed mines // Naukoviy visnik NSU. Dnipro, 2007. No. 5. pp. 9-11.
7. Kosov O. I. Failure hazard of the territories of closed mines of Eastern Donbass // Ecological and economic problems of nature use in the mining industry. Atyrau: Law of the Academy of Sciences of the Russian Federation, 2006. No. 9. p. 145.
8. Belodedov A. A., Dolzhikov P. N., Legostaev S. O. Analysis of the mechanism of formation of deformations of the Earth's surface over the mine workings of closed mines // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences, 2017. Issue 1. pp. 160-169.
9. Feofanov A. N. Justification of the parameters of accounting for old mine workings at shallow depth for the protection of surface objects: abstract. dis. ... candidate of Technical Sciences. Donetsk, 2003. 16 p.
10. Kipko E. Ya., Dolzhikov P. N., Ryabichev V. D. Complex technology of elimination of inclined mine workings: monograph. Do-netsk: Nord-Press. 2005. 220 p.
11. Belodedov A. A., Dolzhikov P. N., Legostaev S. O. Investigation of dangerous surface deformations over inclined shafts of abandoned coal mines // Scientific reports on resource problems. Freiberg, Germany: TU Bergakademie, 2016. Vol. 1. pp. 159-165.
12. Mokhov A.V. Transformation of hydrodynamic characteristics of the mountain massif in the areas of development of coal deposits by underground method: abstract. dis. ... doctor of technical sciences. Novocherkassk, 2015. 32 p.
13. Dolzhikov P. N., Prokopova M. V., Khamidullina N. V. Full-scale studies of sinkholes over mining workings of closed mines // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2018. Issue 4. pp. 3-11.
14. Studies of the regularity of the formation of a sinkhole over a mine / P. Dolzhikov, A. Prokopov, M. Prokopova, N. Khamidullina // Web-conference MATEC. 2018. Volume 196. Article 03008. (XXVII scientific and practical seminar "Theoretical foundations of civil engineering").
