CC BY
0УДК 622.841.2.001.5
П. Г. Артеменко, А. Б. Ягмур, Н. А. Дроздова, О. И. Краскова
К ВОПРОСУ ИЗУЧЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ БАЛАНСА ГРУНТОВЫХ ВОД ПРИ ЗАТОПЛЕНИИ ШАХТ В ДОНБАССЕ
В статье рассмотрены основные факторы формирования техногенного режима грунтовых вод на территории Донбасса, подработанной горными выработками шахт.
Ключевые слова: техногенный режим, баланс грунтовых вод, подработка горными работами, подтопленные участки, застроенные территории.
Введение
Развитие техногенного режима подземных вод на подрабатываемых территориях в Донбассе происходит в силу различных причин, обусловленных промышленным освоением территории.
Подъём уровня грунтовых вод происходит как в период застройки территорий, так и после неё - вследствие ухудшения условий поверхностного и подземного стока, сокращения площади испарения под зданиями, сооружениями, различными строительными конструкциями, асфальтными и бетонными покрытиями земной поверхности.
На застроенных территориях (объекты гражданского и промышленного строительства) широко развита подземная система водонесущих коммуникаций и канализации, которые, по мере износа, содержат в себе потенциальную угрозу увеличения обвод-няемости грунта и опасность повышения уровня грунтовых вод.
Характер влияния подработки на режим подземных вод может быть весьма разнообразным. Для подработанных территорий Донбасса одним из факторов влияния следует считать деформации земной поверхности. Как показывают исследования, в результате подработки в Донбассе произошли оседания земной по-
верхности величиной до 5 - 6 м, которые, в меньшей степени, продолжаются до сих пор в связи с затоплением большинства шахт и активизацией процесса сдвижения массива горных пород [1].
Таким образом, целью исследования является определение влияния подработки на формирование положения уровня грунтовых вод и развитие подтопления на застроенных территориях Донбасса.
Изменение баланса грунтовых вод на застроенных территориях. Условия и причины формирования баланса грунтовых вод для районов промышленной и жилой застройки достаточно изучены [2] - [4].
Рассматриваемая территория характеризуется водораздельным рельефом, расчлененным густой овражно-балочной сетью. Наиболее крупные и протяженные водотоки и балки - Кальмиус-ская, Бахмутская, Богодуховская, Дурная, Лозовая, Игнатьевская.
В естественных условиях на застроенных территориях грунтовые воды могут отсутствовать или залегать на глубине от 2 до 16 м и более. Подъём уровня грунтовых вод происходит как в период застройки территории - в результате раскрытия котлованов, недоуплотнения обратной засыпки грунтов в пазухах котлованов и траншей, несвоевременного выполнения планировочных работ, так и в процессе эксплуатации - вследствие ухудшения условий поверхностного стока, сокращения площади испарения под зданиями и различными покрытиями, неудовлетворительной работы ливнестоков, несвоевременного удаления больших масс снега, скапливающегося на площадках.
Данные приходных и расходных частей баланса грунтовых вод на застроенных территориях (промплощадках) центра и юга России, в том числе Донбасса, представлены в таблице 1 [5]. Физико-географические, гидрогеологические условия и режим грунтовых вод рассматриваемых территорий соответствуют условиям промплощадки № 2.
Таблица 1 - Водный баланс грунтов застроенных территорий
№ промплощадки Составляющие баланса, мм/год
Приходные части Сумма приходных частей Расходные части Сумма расходных частей
атмосферные осадки утечки из подземных коммуникаций испарение и транспирация сток
поверхностный подземный
норма для районов застройки с учетом застройки норма для районов застройки с учетом застройки
Центр и юг европейской части России
1 401,4 152,0 553,4 490 416,5 25 21,2 32 469,7
2 401,4 166,0 567,4 490 401,8 25 20,5 32 454,3
3 401,4 79,5 480,9 490 401,8 25 20,5 32 454,3
4 401,4 216,0 617,4 490 411,6 25 21,0 32 464,6
5 401,4 228,0 629,4 490 451,5 25 21,5 32 505,0
6 438,0 191,0 629,0 486 388,8 25 20,0 32 440,8
7 462,0 162,0 624,0 486 437,4 25 22,5 32 491,9
8 462,0 137,0 599,0 486 442,3 25 22,8 32 497,1
9 462,0 40,0 502,0 486 442,3 25 22,8 32 497,1
10 396,0 — — 490 451,5 25 21,5 32 505,0
11 592,0 — — 481 370,4 48 37,0 40 447,4
Согласно таблице 1, одним из основных источников обводнения грунтов на застроенных территориях (приходные части баланса) являются атмосферные осадки, а также утечки воды и канализации. Особенно велико влияние осадков в районах с избыточным увлажнением.
Основные показатели формирования горизонта грунтовых вод в естественных условиях и на застроенных территориях обычно приводятся в водном балансе, который состоит из приходных и расходных частей [5].
Используя данные о факторах, составляющих баланс грунтовых вод на застроенных территориях, а также данные о подработке земной поверхности горными работами, выявлено влияние подработки в развитии подтопления.
При расчете баланса средние многолетние величины атмосферных осадков, а также средние многолетние значения испарения, поверхностного и подземного стоков в районах принимаются по данным наблюдений, расположенных вблизи метеостанций, и данным гидрогеологических организаций. Допустимые величины утечек из водоводов и канализации определяются в соответствии с СП 3.05.04-85 [6] и рассчитываются на 1 м2 застроенной территории.
Основными расходными частями баланса являются испарение и транспирация и, в меньшей степени, поверхностный и подземный стоки. В условиях застройки перечисленные факторы существенно снижаются из-за асфальтирования и других покрытий земной поверхности, уплотнения грунтов, создания барраж-ного эффекта заглубленными фундаментами зданий и сооружений.
Таким образом, на застроенных не подработанных территориях суммарная приходная часть баланса грунтовых вод, как правило, преобладает над расходной частью, что способствует развитию подтопления, если при проектировании застройки не предусмотрены защитные дренажные мероприятия.
Влияние подработки на баланс грунтовых вод. В результате исследований, выполненных на территории городов Донецка и Белозерска, установлены подтопленные участки с залеганием уровня грунтовых вод на глубине менее 2 м от поверхности
[7] - [9].
До недавнего времени считалось, что одна из основных причин подтопления города Донецка - интенсивная подработка, которая может способствовать образованию многочисленных мульд и впадин на земной поверхности и, таким образом, препятствовать подземному и поверхностному оттоку воды.
Однако, более детальный анализ факторов подтопления показал, что оседание земной поверхности не является главной причиной подъема уровня грунтовых вод. При сопоставлении совмещенных планов горных работ с контурами участков подтопления установлено совпадение этих участков с подработанными площадями (3 - 5-кратная подработка) лишь в 10 % случаев.
Известно, что подработка негативно влияет на состояние водонесущих коммуникаций и канализации и часто вызывает резкое возрастание утечек подземных трубопроводов. В балансе годового инфильтрационного питания грунтовых вод на многих застроенных территориях систематические утечки могут составить до 50-70 %. Подработка горными работами усугубляет положение, особенно при значительном износе трубопроводов.
Наиболее подвержены деформациям стыки чугунных трубопроводов. В качестве примера рассматриваются подрабатываемые территории города Белозерска.
Водопроводные и канализационные сети города не пригодны к эксплуатации в условиях подработки. Компенсационная способность чугунных труб водопровода составляет всего 2 мм/п.м, что в несколько раз меньше реальных деформаций от подработки.
Массовые утечки из водонесущих коммуникаций и канализации являлись одним из определяющих факторов подтопления города Белозерска. Отсутствие закольцованных участков на водопроводе не позволили производить ремонтные работы без нарушения режима снабжения города водой.
При ликвидации аварий вода сбрасывалась из водопроводной системы, что предопределяло высокий уровень грунтовых вод и выход их на поверхность в паводковый период.
Помимо утечек из-за подработки и износа труб неблагоприятным фактором являлось образование обратных уклонов в результате ведения горных работ, что приводило к значительному количеству пробок. Величина утечек из канализационной сети заметно повлияла на режим грунтовых вод.
К числу других факторов техногенного воздействия горного производства на режим грунтовых вод на подрабатываемых территориях можно отнести расположение отвалов и терриконов на путях естественного дренирования поверхностных вод, сооружение отстойников, неорганизованный сброс шахтных вод.
Однако, перечисленные факторы играют, как правило, второстепенную роль в развитии подтопления застроенных территорий.
Рассмотрим влияние подработки на изменение уровня грунтовых вод на примере города Белозерска [7, 8].
В общем виде уравнение баланса грунтовых вод имеет вид:
^инф. ос. + ^уг. = ^исп. тр. + Жюдз. ст. + НДр., (1)
где Wинф. ос. - инфильтрация атмосферных осадков, мм/год;
"^^ут. - утечки из водонесущих коммуникаций и канализации, мм/год;
"исп. тр. - испарение с земной поверхности и транспирация, мм/год;
"подз. ст. - подземный сток грунтового потока, мм/год;
"др. - отвод части грунтового потока дренажными устройствами и канализацией, мм/год.
При расчете баланса средние многолетние величины атмосферных осадков, а также средние многолетние значения испарения, поверхностного и подземного стока для города Белозерска были приняты по данным наблюдений метеостанций, расположенных вблизи, и данных гидрогеологических организаций, и имели следующие значения: "инф. ос = 130 мм/год; "исп. тр = 200 мм/год; "подз. ст= 80 мм/год; "др = 50 мм/год.
Наиболее трудноопределимой из составляющих водного баланса для территории города Белозерска является величина утечек из водонесущих коммуникаций и канализации ("ут), которую можно определить по уравнению 1.
Таким образом, роль утечек из водонесущих коммуникаций и канализации довольно высока, а их долевая часть в общем балансе грунтовых вод по городу Белозерску ("ут.) составила 200 мм/год, что намного превышает другую величину приходной части баланса грунтовых вод - атмосферные осадки ("инф. ос), равную 130 мм/год [10].
Для сравнения, на рассмотренных выше застроенных площадках (см. табл. 1) величина атмосферных осадков во много (2 -10 раз) превышает утечки трубопроводов.
Анализ баланса грунтовых вод города Белозерска показал, что превышение его приходной части над расходной произошло преимущественно за счет возрастания инфильтрации утечек из водонесущих коммуникаций и канализации.
Обусловлено это не только естественным износом трубопроводов, но и нарушением их целости в результате подработки горными работами.
Подработка земной поверхности также приводит к изменению рельефа, образованию искусственных его форм, затрудняющих поверхностный отток атмосферных вод. При этом явного влияния изменения рельефа города Белозерска на развитие подтопления не отмечено.
Максимальные оседания земной поверхности от ведения горных работ шахтой «Белозерская» составляли 2,4 м. Но не они явились главной причиной развития подтопления территории города Белозерска, а массовое возрастание утечек изношенных коммуникаций, особенно чугунных трубопроводов, которые наиболее подвержены деформациям.
Следует отметить, что в городе Белозерске более половины труб водопроводов чугунные, компенсационная способность которых рассчитана только на температурные колебания. Стальные трубы менее подвержены деформациям от подработки, что подтверждается анализом аварий на водопроводах. Отсюда - преобладание в инфильтрационном питании грунтовых вод утечек из сети водоснабжения города Белозерска, что привело к более высокой степени подтопления его территории при сходном литоло-гическом строении толщи горных пород.
Выводы
Особенностью Донбасса является преобладающая застройка его территорий, значительная часть которых подработана горными выработками действующих и закрытых шахт. Для застроенных территорий характерно преобладание суммарной приходной части баланса грунтовых вод над расходной частью, что способствует развитию подтопления.
Влияние подработки застроенных территорий негативно сказывается на состоянии водонесущих коммуникаций и канализации. Изменение баланса годового инфильтрационного питания грунтовых вод приводит к возрастанию систематических утечек до 50-70 %.
Непосредственно оседание земной поверхности, как правило, не является основной причиной подъема уровня грунтовых
вод, поскольку параллельно оседают и водоупорные слои, при этом сохраняются необходимые градиенты подземного стока, что характерно для водораздельных и склоновых участков земной поверхности. На равнинных участках местности подработка иногда способствует образованию бессточных мульд и впадин и соответственно - появлению участков подтопления.
Авторами установлена зависимость величины инфильтрации утечек из водонесущих коммуникаций в результате подработки и соответствующий ей подъем уровня грунтовых вод.
Результаты работы могут быть использованы для мониторинга и прогноза процесса подтопления урбанизированных территорий. Описанные в данной статье результаты могут применяться специализированными службами, строительными и геологическими организациями.
Исследования проведены в рамках выполнения фундаментальной научно-исследовательской работы БЯ8Я - 20230006 «Исследование устойчивости и трансформации напряженно- деформированного состояния обводненных массивов горных пород».
ЛИТЕРАТУРА
1. Гавриленко, Ю. Н. Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины: Монография / Под ред. Ю. Н. Гавриленко, В.Н. Ермакова. - Донецк, 2004. - 631 с.
2. Гридневский, А. В. Анализ подтопления города Зерно-града методом численного гидрогеологического моделирования / А. В. Гридневский, А. Ю. Прокопов // Известия ТулГУ: Наука о земле. - Тула, 2019. - № 1. - С. 78 - 91.
3. Яковенко, С. Г. Оценка гидрогеологических условий при определении зон подтопления городских территорий с использованием численных моделей / С. Г. Яковенко, В. И. Заносова // Известия АО РГО. - М.: - 2021. - № 4 (63). - С. 56 - 75.
4. Анпилов, В. Е. Особенности формирования режима уровней грунтовых вод на застроенных территориях гражданскими зданиями и промышленными сооружениями // Труды ин-та «ВИОГЕМ». - Белгород, 1971.- № 14. - С. 60 - 68.
5. Анпилов, В. Е. Формирование и прогноз режима грунтовых вод на застраиваемых территориях. - М.: Недра, 1976. -183 с.
6. СП 129.13330.2019 Наружные сети и сооружения водоснабжения и канализации: актуализированная редакция СНиП 3.05.04-85: утв. и введен в действие Министерством строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации 01.07.2020. - Москва: Стандартинформ, 2020. - 94 с.
7. Артеменко, П. Г. О характере и причинах подтопления подрабатываемых территорий и при ликвидации // Уголь Украины. - 1993. - № 2. - С. 38 - 39.
8. Артеменко, П. Г. Оценка влияния подработки на развитие подтопления г. Белозерска // Уголь Украины. - 1989. - № 1. -С. 21 - 22.
9. Абрамов, С. К. Проблема подтопления промышленных площадок и городских территорий и пути ее решения. - В кн.: Проблемы прогнозирования повышения уровня грунтовых вод на застроенных территориях и борьба с их подтоплением. - Белгород, 1972. - С. 3 - 5.
10.Янукович, В.Ф. Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины: Монография / Под ред. Ю.Н. Гаврилен-ко, В.Н. Ермакова. - Донецк, 2004. - 631 с.
Артеменко Петр Григорьевич, старший научный сотрудник отдела гидро-геомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, e-mail: arpetr@yandex.ru.
Ягмур Анна Борисовна, научный сотрудник отдела гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, e-mail: iagmuranna@mail.ru.
Дроздова Наталья Александровна, младший научный сотрудник отдела гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк.
Краскова Ольга Игоревна, ведущий инженер отдела гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, e-mail: o.i.kraskova@mail.ru.
ON THE ISSUE OF STUDYING THE COMPONENTS OF THE GROUNDWATER BALANCE DURING THE FLOODING OF MINES IN DONBASS
The article considers the main factors of the formation of the technogenic regime of groundwater in the territory of Donbass, which was worked out by mining mines.
Key words: technogenic regimen, groundwater balance, part-time mining work, flooded areas, built-up areas.
Artyomenko Peter Grigoryevich, Senior Researcher of Hydrogeomechanical Survey and Protection of Subsurface Resources Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, e-mail: arpetr@yandex.ru.
Yagmur Аnna Borisovna, Researcher of Hydrogeomechanical Survey and Protection of Subsurface Resources Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, e-mail: iagmuranna@mail.ru.
Drozdova Natalya Аlexandrovna, Junior Researcher of Hydrogeomechanical Survey and Protection of Subsurface Resources Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk.
Kraskova Olga Igorevna, Lead Engineer of Hydrogeomechanical Survey and Protection of Subsurface Resources Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, e-mail: o.i.kraskova@mail.ru.
