CC BY
3УДК 622.831
И. В. Антипов, В. И. Домарев
К ВОПРОСУ О СДВИЖЕНИИ ГОРНОГО МАССИВА В ДЕЙСТВУЮЩИХ И ЗАКРЫТЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ
Проанализированы результаты научных исследований за последние 15 лет и выявлены наиболее актуальные и перспективные направления исследований в области изучения процесса сдвижения горного массива в действующих, закрывающихся и закрытых угольных шахтах.
Ключевые слова: действующая шахта, закрытая шахта, сдвижение горного массива, горное давление, периодическая разгрузка.
Введение
Аналитические решения геомеханических задач интенсивного сдвижения горного массива в действующих шахтах получены на основе упрощенных расчетных схем и преимущественно относятся к линейно-упругим, или упругопластическим средам. В данной сфере достигнуты значимые успехи благодаря работам Руппенейта К. В. [1], Докукина А. В. [2], Канлыбаевой Ж. М. [3] (слоистый массив), Петухова И. М. и Линькова А. М. [4], Кузнецова С. В. [5] (свиты пластов), Борисова А. А. [6], Лобкова Н. И. [7] (расчет слоистой кровли), Дрибана В. А. [8] (напряженно-деформированное состояние тяжелой слоистой полуплоскости с разрезом), Комиссарова С. Н. [9], Черняка И. Л. [10] (состояние горного массива впереди очистного забоя) и др.
Приблизить расчетную схему к реальному объекту помогают численные (приближенные, дискретные, эмпирические) методы решения систем дифференциальных уравнений: методы конечных и граничных элементов, конечных разностей. Созданные на их основе расчетные алгоритмы учитывают немало влияющих факторов, таких как физическая нелинейность среды (Ержа-
нов Ж. С. [11], Фадеев А. Б. [12], Усаченко Б. М. [13]), надработ-ку и подработку пластов (Зборщик М. П. и Назимко В. В. [14], Наливайко Я. М. [15]), реологические свойства пород и скорость подвигания лавы (Бузило В. И. [16], Губанов В. А. [17]), форму залегания пласта (Пилюгин В. И. [18]), изменение напряженного состояния основной и непосредственной кровли лавы при подви-гании лавы (Хозяйкина Н. В. [19]) и др.
Однако, из-за рассмотрения в задачах о горном давлении ограниченной области массива вокруг очистной выработки при любом методе решения (аналитическом или численном) определяемые напряжения и деформации, а значит и установленные параметры системы разработки и технологических процессов (ожидаемый шаг обрушения кровли, усилия в гидростойках механизированной крепи, скорость выемки угля и крепления лавы) не согласуются со смещениями и деформациями земной поверхности при закрытии шахт.
Целью исследования является изучение процесса интенсивного сдвижения горного массива для совершенствования управления технологическими процессами в действующих шахтах.
Анализ современных исследований процесса сдвижения горного массива в угольных шахтах. Закрытие шахты - это заключительный и специфический этап её существования. Он неразрывно связан с этапами её строительства и эксплуатации, а технологически во многом определяется горно-геологическими и горнотехническими условиями действующей шахты.
К настоящему времени выполнен значительный объем исследований в области сдвижений горного массива в действующих, закрывающихся и закрытых шахтах. Эти исследования неоднократно анализировались, поэтому далее будет изложен анализ только наиболее важных исследований, которые были выполнены за последние 15 лет.
В 2010 г. сотрудник Института угля и углехимии РАН Шин-кевич М. В. выдвинул гипотезу о том, что угольный пласт подвергается периодической разгрузке от геостатического горного давления (рис. 1), т.е. механическое давление на пласт имеет знакопеременный характер [20]. Это явление было также зафиксировано другими исследователями [21].
Впоследствии сотрудники этого института провели натурные и лабораторные исследования и подтвердили гипотезу [22].
1 - отрабатываемый пласт; 2 - очистной забой; 3 - эпюра горного давления; уИ - геостатическое давление, Па
Рис. 1 - Схема изменения горного давления впереди
очистного забоя
Периодические изменения высоты сводов давления были зафиксированы на шахте «Алардинская» (рис. 2) в Кемеровской области [23].
В 2017 г. сотрудники Кузбасского государственного технического университета под руководством Дырдина В. В. [24] получили аналитическое решение изменения горного давления и рассчитали вертикальные смещения кровли (рис. 3). Тем самым аналитически подтвердили гипотезу о знакопеременном характере горного давления.
Яворский А. В. в диссертации рассмотрел плоскую геомеханическую задачу применительно к горно-геологическим условиям шахт Западного Донбасса с учетом существующей математической аналогии между сдвижением горных пород и теплопроводностью на основе двух положений [25]:
1) напряженно-деформированное состояние подрабатываемого массива адекватно описывается моделью двухслойной среды «наносы-карбон» (рис. 4) с ядром ползучести Абеля, жесткость которой является кусочно-линейной функцией вертикальной координаты у;
2) опускание кровли по мере перемещения очистного забоя происходит по экспоненциальному закону в зависимости от отношения максимальной скорости оседания кровли и к скорости
2
подвигания лавы V и от расстояния очистного забоя до разрезной печи Ь.
¡1. м
Рис. 2 - Периодичность изменения высоты сводов давления на крепь при движении очистного забоя 3-32 шахты
«Алардинская»
-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Х.м
1 -
2 -
3 -
4 - Y, мм
Рис. 3 - Расчетная кривая вертикальных смещений кровли
Благодаря использованию в алгоритме соотношений задачи Крауча, справедливых для полуплоскости, граничные условия на земной поверхности выполняются автоматически и дискретизации подвергаются только внутренние границы изучаемой области. В этом преимущество алгоритма Яворским А. В. [26].
уИ - вертикальные напряжения, Па; ХуИ - горизонтальные напряжения, Па; а - длина выработанного пространства, м; Ь - мощность угольного пласта, м; И - мощность непосредственной кровли, м
Рис. 4 - Расчетная схема слоистого массива с выработкой
В Тульском государственном университете (2015 г.) под руководством Рыбака Л. Л. разработан новый подход и усовершенствована система прогнозирования аэрогазодинамических и теп-лофизических процессов, обусловленных закрытием шахт Кузбасса [27]. Разработаны математические модели и программные средства, позволяющие оценить эффективность профилактических мероприятий, что повышает достоверность геотехнической экспертизы на всех этапах проектирования и эксплуатации территорий ликвидируемых шахт.
В 2016 г. в Кемеровском государственном университете Степановым Ю. А. защищена докторская диссертация [28], в которой представлена методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива, включающая процедуру настройки алгоритма прогнозного моделирования на основе ретроспективных данных, что позволяет минимизировать отклонения вычисленных значений от фактических.
Комплекс исследований, выполненных 2018 г. (Должи-ков П. Н., Прокопова М. В., Хамидуллина Н. В.), включал в себя визуальные наблюдения за состоянием поверхности над закры-
тыми шахтами, инструментальные наблюдения с последующей камеральной обработкой и анализ горно-геологических условий техногенно опасных участков земной поверхности [29].
Китайскими исследователями (Цзяньюн Ц., Лицзян Ю., Цзинли Ч. и др.) совместно с исследователями из России (Бату-гин А. С., Батугина И. М.) проведены масштабные исследования проявления геодинамических явлений на шахте Хуафэн на востоке Китая [30], где происходит большинство техногенных землетрясений. Карта техногенных землетрясений на востоке Китая приведена на рисунке 5. Исследования выполнены на основе данных геодинамического районирования в рамках международного проекта № TS2010ZGKY[BJ]018 силами Исследовательского центра геодинамики России и Китая в Китайском горном университете [31]-[34].
По результатам исследования установлено, что трещины образуются, когда деформация земной поверхности превышает предел прочности на растяжение. Отмечено также, что при комплексно-механизированной выемке угля длинными очистными забоями возникающие трещины шире и глубже, чем при работе короткими лавами с индивидуальной крепью.
К моменту закрытия шахт многократно подработанный массив имеет зоны расслоений, зависаний, не полностью уплотненных обрушенных пород, участки с техногенными разрывами.
В процессе затопления прочностные свойства, особенно глинистых пород, уменьшаются, что приводит к потере установившегося равновесия толщи горных пород и к активизации процессов сдвижения, в результате чего возникнут дополнительные сдвижения и деформации земной поверхности.
Физическая модель развития гидрогеомеханических процессов в техногенно нарушенных массивах шахтных полей формулируется следующим образом. При выемке угля во вмещающих породах образуется обширная область со сниженными напорами подземных вод - шахтная депрессия. После закрытия шахты происходит естественное затопление выработанного пространства, сокращение депрессии, сопровождающееся постепенным ростом гидростатического давления воды в сдренированных слоях и их
декомпрессионным расширением, что проявляется на земной поверхности в виде провалов, техногенных землетрясений и др.
О I @ 2 □ 3 тптпг 4 0 5
1 - землетрясения с магнитудой > 8; 2 - землетрясения с магнитудой 7-8; 3 - землетрясения с магнитудой < 7; 4 - дата землетрясения; 5 - район шахты Хуафэн
Рис. 5 - Техногенные землетрясения на востоке Китая
Активизация процесса сдвижения на ликвидируемых шахтах обусловлена снижением прочностных свойств горных пород при увлажнении и наличием сохранившихся пустот и расслоений в подработанной толще.
В 2017 г. РАНИМИ проведены исследования по обеспечению безопасной эксплуатации объектов поверхности от влияния подработки и закрытия шахт в зонах влияния мелкоамплитудных нарушений [35].
С использованием результатов проведенных ранее исследований в 2021 г. была решена задача обеспечения безопасных условий эксплуатации здания старого корпуса школы № 145 города Донецка, выполнен анализ влияния подработки и закрытия
шахт «Мушкетовская» и «Заперевальная» на техническое состояние здания школы № 145 [36].
Были разработаны рекомендации по усилению цокольной части здания железобетонной обоймой и рекомендации по усилению отдельных конструктивных элементов.
Грищенков Н. Н. полагает, что «в Донбассе имеются перспективные наработки и программные средства, которые позволяют автоматизировать выполнение значительной части работ по сбору информации, расчёту деформаций земной поверхности, анализу результатов расчётов, выбору мер защиты для конкретных объектов. Интеграция указанных средств позволяет создать компьютерную технологию прогноза деформаций земной поверхности, оценки последствий подработки и назначения соответствующих мер защиты» [38].
Ликвидация шахт в Донецкой Народной Республике грозит подтоплением более 1000 га застроенных территорий и сельскохозяйственных земель [39]. В эту зону попадает более 3000 жилых домов, дачных участков и промышленных объектов, а также водозаборные сооружения питьевого водовода, системы канализации и очистки бытовых стоков. Если не будет установлен эффективный контроль за процессом выведения шахт из эксплуатации, может оказаться затопленной территория площадью до 15 000 км2 в течение следующих 10 лет, вследствие чего значительная ее часть станет непригодной для жизни.
Заключение
Проведенные исследования показали актуальность дальнейшего изучения процесса сдвижения горного массива с целью совершенствования управления технологическими процессами. Интенсивные сдвижения горного массива в закрытых шахтах не происходят, поэтому отсутствует предмет исследования.
Для изучения прогноза и предупреждения неблагоприятных изменений на земной поверхности необходимо организовать постоянный мониторинг территорий действующих, закрывающихся и закрытых шахт.
Результаты исследований могут использоваться горными предприятиями, научно-исследовательскими институтами, высшими учебными заведениями горного профиля, которые решают
вопросы обеспечения безопасной жизнедеятельности в условиях техногенно нагруженных территорий Донбасса и горнодобывающих регионах Российской Федерации.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020600011-02.7.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Руппенейт, К. В. Давление и смещение горных пород в лавах полого-падающих пластов / К. В. Руппенейт. - Москва: Уг-летехиздат, 1957. - 228 с.
2. Докукин, А. Ф. Механизированные крепи и их развитие / А. Ф. Докукин, Ю. А. Коровкин, Н. И. Яковлев. - Москва: Недра, 1984. - 288 с.
3. Канлыбаева, Ж. М. Закономерности и методика изучения процесса сдвижения горных пород в массиве и некоторые вопросы подземных разработок: на примере Карагандинского бассейна: специальность 05.00.00 «Техника»: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Канлыбаева Жамал Мусагалиевна; Институт горного дела имени А. А. Скочинского. -Москва, 1965. - 333 с.
4. Петухов, И. М. Механика горных ударов и выбросов / И. М. Петухов, А. М. Линьков. - Москва: Недра, 1983. - 280 с.
5. Методология расчета горного давления / С. В. Кузнецов [и др.]. - Москва: Недра, 1981. - 103 с.
6. Борисов, А. А. Расчеты горного давления в лавах пологих пластогв / А. А. Борисов. - Москва: Недра, 1964. - 168 с.
7. Лобков, Н. И. Развитие научных основ прогноза сдвижения кровли в выемочном поле лавы пологого пласта: специальность 05.15.02 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Лобков Николай Иванович; Институт физики горных процессов. - Донецк, 2011. - 315 с.
8. Дрибан, В. А. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород при ведении очистных работ [Текст] /
В. А. Дрибан // A Guide to international Society for mine surveying (ISM) XII international congress. - Fuxin-Beijing, China, 2004.
9. Комиссаров, С. Н. Управление массивом горных пород вокруг очистных выработок / С. Н. Комиссаров. - Москва: Недра, 1983. - 237 с.
10. Черняк, И. Л. Периодические проявления горного давления при разработке угольных пластов / И. Л. Черняк. - Москва: МГИ, 1992. - 69 с.
11. Ержанов, Ж. С. Аналитические вопросы механики горных пород / Ж. С. Ержанов, Ш. М. Айталиев, Н. Ж. Жубаев [и др.]. - Алма-Ата: Наука, 1969. - 144 с.
12. Фадеев, А. Б. Метод конечных элементов в геомеханике / А. Б. Фадеев. - Москва: Недра, 1987. - 224 с.
13. Усаченко, Б. М. Свойства пород и устойчивость горных выработок / Б. М. Усаченко. - Киев: Наукова думка. - 1979. -135 с.
14. Зборщик, М. П. Охрана выработок глубоких шахт в зонах разгрузки / М. П. Зборщик, В. В. Назимко. - Киев: Техника, 1991. - 247 с.
15.Наливайко, Я. М. Обоснование параметров разработки сближенных угольных пластов механизированными комплексами в условиях Львовско-Волынского месторождения: специальность 05.15.02 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Наливайко Ярослав Михайлович; Национальная академия Украины. - Днепропетровск, 2002. - 214 с.
16. Разработка сближенных угольных пластов механизированными комплексами в условиях шахт Львовско-Волынского бассейна: монография / В. И. Бузило, Я. М. Наливайко, А. Г. Кошка [и др.]. - Днепропетровск: НГУ, 2012. - 132 с.
17.Губанов, В. А. Обоснование геомеханических параметров охраны и поддержания подготовительных и очистных выработок: специальность 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Губанов Вячеслав Андреевич; Московский государственный открытый университет. - Москва, 2006. - 324 с.
18. Пилюгин, В. И. Прогнозирование геомеханических условий отработки пологих угольных пластов в природных аномальных зонах: специальность 05.15.09 «Геотехническая и горная механика»: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Пилюгин Виталий Иванович; Национальный горный университет. - Днепропетровск, 2008. - 312 с.
19. Хозяйкина, Н. В. Обрушение пород кровли в лавах поло-гопадающих угольных пластов: монография / Н. В. Хозяйкина. -Днепропетровск: НГУ, 2012. - 160 с.
20. Шинкевич, М. В. Расчеты параметров метановыделения при отработке пласта высокопроизводительным выемочным участком с учетом геомеханического процесса впереди очистного забоя / М. В. Шинкевич // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2010. - № 1. -С. 35-39.
21. Антипов, И. В. Закономерности изменения напряженно-деформированного состояния горного массива в зоне выемки угля и крепления очистного забоя / И. В. Антипов // II Международная научно-практическая конференция Инновационные перспективы Донбасса, том 1 Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве. - Донецк: ДонНТУ, 2016. - С. 25-30.
22. Полевщиков, Г. Я. Фрактальная особенность структуризации массива горных пород в изменениях давления на приза-бойную часть угольного пласта, отрабатываемого длинным очистным забоем / Г. Я. Полевщиков, М. В. Шинкевич, А. В. Радченко, А. В. Черепов, Е. В. Леонтьева // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2013. - № 1-1. - С. 16-23.
23. Полевщиков, Г. Я. «Деформационно-волновые» процессы в массиве горных пород при движении очистного забоя в угольных пластах / Г. Я. Полевщиков // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2013. - № 5. -С. 50-60.
24.Дырдин, В. В. Образование «газового мешка» в зоне опорного давления угольного массива впереди забоя очистной выработки / В. В. Дырдин, А. А. Фофанов, В. Г. Смирнов,
А. В. Дягилева // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - 2017. - № 4. - С. 41-46.
25. Яворский, А. В. Закономерности изменения напряженно-деформированного состояния породного массива при отработке пологого угольного пласта под охраняемыми объектами: специальность 05.15.09 «Геотехническая и горная механика»: автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук / Яворский Андрей Васильевич; Национальный горный университет. - Днепропетровск, 2009. - 18 с.
26. Яворский, А. В. Определение ожидаемых показателей деформации земной поверхности для условий шахт Западного Донбасса / А. В. Яворский // Вестник Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры. - 2012. -№ 5(170). - С. 11-18.
27. Рыбак, Л. Л. Развитие аэрогазодинамических и тепловых процессов, и прогноз их последствий при закрытии шахт Кузбасса: специальность 25.00.36 «Геоэкология (в горно-перерабатывающей промышленности)»: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук / Рыбак Леонид Львович; Тульский государственный университет. - Тула, 2015. - 16 с.
28. Степанов, Ю. А. Разработка методологии проектирования геоинформационных систем для прогнозирования динамики состояния углепородного массива при ведении очистных работ: специальность 25.00.35 «Геоинформатика»: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Степанов Юрий Александрович; Кемеровский государственный университет. - Новокузнецк, 2016. - 32 с.
29. Должиков, П. Н. Натурные исследования провалов над горными выработками закрытых шахт / П. Н. Должиков, М. В. Прокопова, Н. В. Хамидуллина // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. - 2018. - № 4. -С. 3-11.
30. Условия проявления геодинамических явлений на шахте Хуафэн в Китае / Ц. Цзяньюн и [др.]. - Москва: Спутник. -2016. - 144 с.
31. Батугин, А. С. Геодинамическая опасность как разновидность экологической опасности / А. С. Батугин, А. С. Алферова // Труды ГИАБ. - 2011. - № 8. - С. 297-304.
32. Батугина, И. М. Воздействие горных работ на геоэкологическую ситуацию и комплексное управление им на примере шахты Хуафэн в Китае / И. М. Батугина, Ю. Лицзян, А. С. Батугин // Труды ГИАБ. - 2013. - № 7. - С. 281-287.
33. Лань, Т. Изучение геодинамических условий проявления горных ударов на угольных шахтах месторождения Цзинси в Китае / Т. Лань, Х. Чжан, И. М. Батугина // Труды ГИАБ. - 2014. -№ 7. - С. 247-257.
34. Лицзян, Ю. Исследование причин образования трещин на земной поверхности и повышения удароопасности на шахте Хуафэн // Ю. Лицзян // Маркшейдерский вестник. - 2014. - № 2.-С. 42-44.
35.Грищенков, Н. Н. Анализ методик расчета активизации сдвижений земной поверхности при затоплении массива горных пород на ликвидируемых угольных шахтах / Н. Н. Грищенков, Ф. М. Голубев // Инновационные перспективы Донбасса. - 2017.
- С. 99-108.
36. Меры защиты здания нового корпуса школы № 145 города Донецка от влияния горных работ и закрытия шахты «Мушке -товская» / Н. Н. Грищенков, Л. А. Иванова, Т. И. Рахманова, Е. Т. Сушко, В. П. Сажнев // Проблемы горного давления. - 2021.
- № 1-2(40-41). - С. 16-29.
37. Грищенков, Н. Н. Перспективные технологии прогноза последствий подработки объектов инфраструктуры Донбасса подземными горными работами / Н. Н. Грищенков // Инновационные перспективы Донбасса. - 2015. - С. 18-22.
38. Бондаренко, Е. С. Гидрогеологические проблемы закрытия угольных шахт / Е. С. Бондаренко, В. Г. Ефимов // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. - 2020. - С. 82-84.
Антипов Игорь Владиславович, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник отдела управления геомеханическими и технологическими процессами, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, e-mail: [email protected].
Домарев Владимир Игоревич, инженер I категории отдела управления геомеханическими и технологическими процессами, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, e-mail: [email protected].
ON THE ISSUE OF DISPLACEMENT OF ROCK MASS IN OPERATING AND CLOSED COLLIERIES
The results of scientific research over the past 15 years have been analyzed and the most relevant and promising areas of research in the field of studying the process of rock mass displacement in operating, closing and closed collieries have been identified.
Keywords: operating colliery, closed colliery, displacement of rock mass, rock pressure, periodic unloading.
Antipov Igor Vladislavovich, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Leading Researcher of Geomechanical and Technological Processes Management Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, e-mail: [email protected].
Domarev Vladimir Igorevich, Category I engineer of Geomechanical and Technological Processes Management Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, e-mail: [email protected].
