ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАТОПЛЕНИЯ ВЕРХНИХ ГОРИЗОНТОВ ЛИКВИДИРУЕМЫХ ШАХТ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ISSN 0136-4545 !Ж!урнал теоретической и прикладной механики.

№4 (81) / 2022.

ГЕОМЕХАНИКА, РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД, РУДНИЧНАЯ АЭРОГАЗОДИНАМИКА И ГОРНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА

УДК 622.831, 622.23.02 ё<эк10.24412/0136-4545-2022-4-77-85 EDN:UUIIVU

©2022. Ф.М. Голубев, Е.А. Бардакова

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАТОПЛЕНИЯ ВЕРХНИХ ГОРИЗОНТОВ ЛИКВИДИРУЕМЫХ ШАХТ

В настоящей статье описан механизм деформационных процессов, происходящих в горном массиве при его намокании с применением экспериментальных и лабораторных исследований. Установлена возможность активизации процесса сдвижения от верхних горных выработок, отрабатываемых камерным способом и не учитываемых при расчете по классическим методикам. Описан принципиальный подход к моделированию геомеханических процессов, связанных с многократной подработкой целиков и ликвидацией угледобывающих предприятий.

Ключевые слова: сдвижения земной поверхности, затопление горных выработок, камерная система отработки, целики, ликвидация шахт, МКЭ модели.

Введение. Масштаб геомеханических, и как следствие, экологических последствий ликвидации угольных шахт сложно прогнозировать. Помимо загрязнения подземных вод и сокращения количества пригодных для земледелия земель, вред наносится в результате активизации геомеханических процессов, и как следствие, длительного процесса сдвижения, несущего опасность для зданий, сооружений и коммуникаций. Характер деформаций горного массива при активизации геомеханических процессов в результате затопления напрямую связан с особенностями разрушения горного массива при подработке.

Процесс сдвижения горных пород при подработке изучается уже долгие годы. Существующие исследования детально описывают основные процессы, происходящие в массиве горных пород в процессе добычи угля лавами, при этом абсолютно не учитывая их влияние на устойчивость выработок (камер) в приповерхностной зоне. При затоплении же горных выработок анализ базовых зависимостей сдвижения, даже от лав, проводился существенно меньшим количеством ученых, а полученные по существующим методикам расчета результаты могут отличаться в несколько раз.

Стоит отметить, что большинство существующих исследований влияния затопления горных выработок на характер сдвижения проводилось для средних глубин 300-500 метров, где расположен основной объем горных работ. Между

тем, снижение количества рабочих водоотливов и переход на мощные водоотливы для ряда гидравлически связанных шахт сделал актуальным вопрос уточнения прогноза затопления очистных выработок верхних горизонтов шахт, а также определения особенностей процесса сдвижения земной поверхности при затоплении очистных горных выработок с глубинами менее 100 метров и влияния этих выработок на объекты поверхности.

Высокая плотность застройки в сложных горно-геологических условиях Донбасса приводит к повсеместному разрушительному влиянию на здания и сооружения различных факторов, таких как мезорельеф, просадочные грунты и др. В таких условиях существенное влияние на устойчивость объектов поверхности оказывает насыщение горных пород под ними водой в результате затопления угледобывающих предприятий. По данным исследований [1], насыщение аргиллитов и алевролитов водой приводит к резкой потере их прочности на одноосное сжатие. Для сланцев этот показатель может снижаться в 2-2,5 раза, для углей - до 3-х раз. При этом, с ростом степени метаморфизма снижение прочностных свойств углей при затоплении происходит менее интенсивно. Стоит отметить, что песчаники, глинистые и песчаные сланцы составляют от 90 до 96 % горного массива в условиях Донбасса. Характер распределения горных пород в различных районах Донбасса представлен на рисунке 1. Данные по маркам углей, содержащимся в различных районах Донбасса, приведены на рисунке 2.

Рис. 1. Процентный состав основных типов горных пород в различных районах Донбасса

Стоит отметить, что существующие методики прогноза деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок, приведенные в [1-2], обладают рядом существенных ограничений и практически не связаны с гидрогеологическими параметрами процесса затопления.

Более того, существующие подходы полностью или частично игнорируют влияние на сдвижение таких факторов, как многократная подработка и воз-

действие на поверхность старых очистных горных выработок, отрабатываемых камерным способом (рис. 3).

Распределение марок угля п ра ; |нчи и\ районах Донбасса

120 . ^^^ ^^^ ^^^ ^^^

■ А ■ НА ЯГ+К ■ ! ■ :К ад НОС ■ ГГС Г1Ж

Рис. 2. Распределение марок угля в различных районах Донбасса

Между тем, в процессе добычи угля некоторые шахты Донбасса отрабатывали более 25 пластов (например, шахта им. Ю.А. Гагарина, «Кочегарка», ряд других угледобывающих предприятий Центрального района Донбасса). У целого ряда шахт Донбасса на малых глубинах присутствуют выработки отработанные в начале и середине ХХ века камерным способом.

Многократная подработка сопровождается постоянными воздействиями на массив деформаций сжатия и растяжения, что ведет к разрушению горных пород, в том числе и целиков. Для определения степени воздействия деформаций горного массива на разрушения межкамерных целиков была разработана конечно-элементная модель.

Создание конечно-элементной модели производилось в программном комплексе А^УВ.

Рассматриваемая модель имеет плоскости симметрии - вдоль лавы (учитывая, что длина столба превышает глубину работ), и по средней оси лавы (допуская, что лава одиночная в пределах каждого пласта, следовательно, жесткость заделки одинакова и нагрузки симметричны).

Стоит отметить, что горный массив является анизотропной средой и применение для его описания моделей изотропных геоматериалов не позволяет объективно оценивать характер протекания процессов в нем, так как физико-механические свойства горного массива в различных направлениях могут отличаться в несколько раз. Поэтому при описании горных пород предпочтительней использовать модели ортотропных геоматериалов. У материалов этого класса анизотропии через каждую точку проходит три взаимно перпендикулярные плоскости упругой симметрии. Согласно исследованиям [3], уравнение обобщенного закона Гука для ортотропной среды можно представить в следующем виде:

Рис. 3. Расположение старых горных выработок верхних горизонтов шахты им. Ю.А. Гагарина

"V /'., • р ■ ех • • р ■ , • • р ■ е2; ту2 = С>, ■ Ъг]

/;2 ' тЬ ' £х + + Тх* = «13 •

.т. /••:<• 7Т-- £х • • тН • • /:.■, • тН • ^ = «12 • 7®«;

где Е\,Е2,Ез - модули упругости для растяжения-сжатия вдоль главных направлений упругости X, У, Z соответственно; С2з, С\2 - модули сдвига для главных плоскостей YOZ,XOZ,XOY.

Для описания модели использовался ряд следующих параметров: модуль Юнга (Е), коэффициент Пуассона; модуль сдвига, плотность, коэффициент сцепления, коэффициент сцепления.

Граничные условия подразумевали, согласно принципу суперпозиций сил,

закрепление по осям крайних площадок модели в направлении простирания пластов.

Моделировалась последовательная подработка земной поверхности и горного массива камерами на глубине 100 метров и далее лавами на глубинах 200 и 300 метров.

Распределение вызванных подработкой деформаций в модели горного массива можно видеть на рисунках 4, 5.

Рис. 4. Распределение оседаний от одиночной горной выработки

Рис. 5. Распределение горизонтальных сдвижений от одиночной горной выработки Указанные схемы распределения деформаций горного массива соответству-

ют классическим представлениям о деформациях, приведенным в работах [4-5].

При повторной подработке деформации в модели распределяются согласно рисунку 6.

Рис. 6. Распределение оседаний при повторной подработке горной выработкой межкамерных

целиков

Данный подход последовательного моделирования сдвижений горного массива и земной поверхности при их многократной подработке позволяет определять момент предельного деформирования целика. Стоит отметить, что в зависимости от глубины расположения очистной горной выработки, предельные показатели деформаций, согласно моделированию (2 мм/м и более), могут быть достигнуты уже после отработки второго или третьего пласта, о чем свидетельствует резкий всплеск величины сдвижения после моделирования последовательной отработки второй лавы на глубине 300 метров (рис. 7).

Опасность данного явления лежит в непрогнозируемом процессе сдвижения, который может проявиться как в процессе отработки выемочных мощностей шахты, так и при затоплении горных выработок.

Подобные процессы неоднократно фиксировались над старыми очистными выработками (камерами), сопряжёнными с протяжёнными выработками. Например, локальное оседание в виде стакана размером 3 х 5 ми глубиной 1,5 м было зафиксировано, согласно [6], на шахте № 173 ПО «Краснодонуголь» над сопряжением старой лавы и западной сбойки. Ввиду резкой перемены знака деформаций такие мульды, представляют существенную опасность для поверхностных сооружений, попадающих в зону их влияния. Например, при зафиксированном минимальном оседании в 280 мм (наблюдательная станция № 172

£ S

-ч

в: S х ф ï s m ci

0 <и л

1 Л t; (О t-X

о m х о. о

100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250

Отработка камер и лавы на rnuFuAua ЭПП Art

.отработка камер и двух лав на глубине 200 м и 300 м.

Ol/lOunOl/lOUlOLTlLT) О m о m о m о ю о гм ф н <ю О S cri па оо гя

T-fT-irNfNrrjmT'iTLr)

Длина зоны влияния горных выработок, м

Рис. 7. Прирост горизонтальных сдвижений при повторной подработке горной выработкой

межкамерных целиков

шахты № 6 Капитальная ПО «Донецкуголь») измеренные максимальные деформации в мульде составили 4,0 мм/м [6].

Согласно нормативному документу [4], каждая последующая отработка очистной горной выработки приводит к активизации сдвижений земной поверхности от ранее отработанной лавы. Таким образом, величина оседаний в месте расположения межкамерных целиков может составлять при многократной подработке от нескольких метров до нескольких десятков метров и будет определяться такими параметрами, как количество отработанных пластов, их мощность, угол падения и глубина расположения горных выработок. Пример изменения величины оседаний при различных глубинах отработки одиночной лавы показан на рисунке 8.

Стоит отметить, что непосредственное влияние на характер деформаций оказывает не столько глубина расположения горной выработки, сколько отношение технических параметров лавы к глубине, характеризующее степень подработан-ности горного массива. Зависимость влияния отношения размеров лавы (Б1) к глубине (Н) на размеры оседаний приведена на рисунке 9.

При таких величинах оседаний величины относительных деформаций будут являться разрушительными для угольных целиков. Особую опасность данное явление несет при затоплении верхних горизонтов шахт, когда агрессивные шахтные воды заполняют пространство между угольными целиками, и происходит их увлажнение до полного влагонасыщения, а, как следствие, снижение несущей способности.

Снижение несущей способности угольных целиков, ранее разрушенных подработкой, способствует непрогнозируемым процессам сдвижения земной поверх-

1200

1000

£ 800 (5

I 600

ъ

£ 400 200 0

0,83 0,78 0,5 0,38 0,33 0,28 Прогнозные максимальные оседания, м

Рис. 8. Распределение оседаний при подработке межкамерных целиков горной выработкой на

различных глубинах

0,80 0,70

ос

i 0,60 го

SF 0,50 и

S 0,40

I 0,30 и

Ц 0,20

£ 0,10 О

0,00

1 0,5 0,33 0,25

Отношение D1/H

Рис. 9. Распределение оседаний при подработке земной поверхности горной выработкой различной ширины на различных глубинах

ности, что несет непосредственную опасность для жилого фонда и других инфраструктурных объектов Донбасса.

Выводы. Полученная в результате проведенной работы модель позволяет осуществлять расчет максимальных оседаний с учетом влияния верхних горизонтов, отработанных камерно-столбовым способом, а также может использоваться для учета влияния затопления на характер деформаций земной поверхности и горного массива. При этом определяющими параметрами в процессе дальнейшего развития модели должны стать такие факторы, как высота зоны водопроводящих трещин; тип горных пород, залегающих в кровле пласта; глу-

бина отработки ликвидируемых горных выработок; угол падения и мощность пласта. Полученные результаты позволяют с большей объективностью определять показатели деформаций и учитывать влияние старых горных выработок, расположенных в приповерхностной зоне.

1. Гавриленко Ю.Н. Техногенные последствия закрытия угольных шахт: Монография / Ю.Н. Гавриленко, В.Н. Ермакова. - Донецк, 2004. - 631 с.

2. Ликвидация угольных шахт. Защита земной поверхности от затопления горных выработок. Рекомендации: КД 12.12.004 - 98: Утв. Министерством угольной промышленности Украины 20.12.98. - Донецк, 1998. - 46 с.

3. Корнев Е. С. Разработка комплекса программ и численное моделирование геомеханических процессов в углепородном массиве: Автореф. дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук по специальности 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ. - Новокузнецк, 2013. - 19 с.

4. ГСТУ 101.00159226.001-2003. Правила подработки зданий, сооружений и природных объектов при добыче угля подземным способом. - Введ. 01-01-2004. - К.: Мшпаливенерго Украши, 2004. - 127 с.

5. Иконников М.Ю. Математическое моделирование в задачах оценки эффективности и безопасности горных работ / М.Ю. Иконников, Ю.Р. Иконников, Е.А. Слащева, И.Н. Слащев, А.А. Яланский. - Днепропетровск: НГУ, 2015. - 215 с.

6. Феофанов А.Н. О параметрах повреждения земной поверхности над заброшенными горными выработками / А.Н. Феофанов // Науков1 пращ УкрНДМ1 НАН Украши: сб. науч. тр. - Донецк: УкрНДМ! НАНУ, 2013. - №12 - С. 62-81.

P.M. Golubev, E.A. Bardakova

Geomechanical consequences of flooding of the upper horizons of liquidated mines.

This article describes the mechanism of deformation processes occurring in a mountain massif when it gets wet using experimental and laboratory studies. The possibility of activating the process of displacement from the upper mine workings worked out by the chamber method and not taken into account when calculating according to classical methods is established. A principled approach to modeling geomechanical processes associated with multiple part-time work of tselikov and liquidation of coal mining enterprises is described.

Keywords: displacement of the earth's surface, flooding of mine workings, liquidation of mines, chamber system of working out, FEM models.

Республиканский академический научно-исследовательский Получено 29.11.2022

и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ), г. Донецк

Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying (RANIMI), Donetsk

[email protected]