CC BY
0УДК 622.83: 622.268
Б. В. Хохлов, М Д. Рожко, Л. А. Камбурова, Л. Н. Крижановская
К ВОПРОСУ СДВИЖЕНИЯ И ДЕФОРМИРОВАНИЯ ОБВОДНЕННОГО ГОРНОГО МАССИВА В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ
Собраны и проанализированы данные о наблюдениях за процессом сдвижения и деформирования горного массива в современных условиях, осложненных обводнением при ликвидации горных предприятий.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, обводненные горные породы, ликвидация угольных шахт.
Введение. Данных о результатах наблюдения за процессом сдвижения в условиях затопления угольных шахт немного. Поэтому были проанализированы работы различных лет в условиях ликвидации и затопления как угольных, так и рудных горных предприятий (Лебяжинское железорудное месторождение, Нижний Тагил; Высокогорское железорудное месторождение, Сара-новское месторождение хромитов, Средний Урал).
Консервация и ликвидация угольных шахт с затоплением горных выработок («мокрая» консервация) сопровождается различными негативными для природной среды и инженерных объектов последствиями. Они могут иметь масштабные проявления, часто выходящие за пределы горного отвода затапливаемой шахты, и проявляться как сразу, так и через годы. При этом происходит преобразование сплошности и напряженного состояния массива горных пород, о чем свидетельствуют разные проявления и признаки трансформации, связанной с затоплением.
Развивающиеся при затоплении шахт процессы протекают в техногенно-нарушенной и, во многих случаях, - существенно преобразованной среде. Учет подобной трансформации произво-
дится с использованием специфических для условий данной шахты и общих геомеханических закономерностей.
Нарушения состояния окружающей среды под воздействием различных техногенных факторов возникают еще до начала строительства шахты, но наиболее интенсивно они развиваются в период ее эксплуатации и продолжаются в ходе затопления и после его завершения.
Одним из весомых факторов преобразований служит проходка горных выработок и скважин, осушение и водопонижение, сдвижение, а в период затопления - заполнение водой горных выработок и пустот во вмещающем массиве.
В большинстве случаев наиболее влияющим фактором является сдвижение. Генерируемые им процессы развиваются в условиях применения любых систем разработки, особенно интенсивно при управлении горным давлением способом полного обрушения кровли.
Результаты исследований. По данным ВНИГРИуголь в условиях полных сдвижений максимальное оседание песчано-глинистых массивов с несклонными к зависанию слоями в течение активной стадии сдвижения может считаться прямо пропорциональным вынутой мощности и содержанию глинистых пород в подработанной толще при величине первого фактора не более 1,4 - 1,5 м. В случаях интенсивного самоподбучивания массива максимальное оседание поверхности составляет приблизительно 1,25 м. При недостаточном развитии самоподбучивания прилегающая к земной поверхности часть толщи пород испытывает в разной степени выраженное оседание или проваливание.
При наличии склонных к зависанию слоев песчаника величина максимального оседания стремится к 0,30-0,35 м в случае итогового оседания хотя бы одного из таких слоев [1].
Мохов А. В. (ВНИГРИуголь) считает, что важная роль в процессах трансформации массива принадлежит влиянию воды, которое способствует проявлению и активизации действия различных факторов, в частности, облегчая уплотнение нарушенной толщи [2]. На месторождениях углей средней степени метаморфизма глинистые породы склонны к практически полному слеживанию и быстрому восстановлению водоупорных свойств даже после обрушения. А. В. Мохов упоминает опыт откачки затопленных в годы Великой Отечественной войны шахт Центрально-
го Донбасса, когда породные завалы в капитальных и подготовительных выработках довольно часто оказывались водонепроницаемыми перемычками.
Актуальным моментом, по его мнению, является определение коэффициента заполнения массива водой [2]. Решение этого вопроса он предлагает искать путем комплексного учета различных геомеханических преобразований среды. Образующаяся в толще массива и на его поверхности мульда сдвижения служит «слепком» вторичной техногенной структуры массива, несущим информацию о величине и динамике пустотного пространства. Использование представлений о количественном совпадении пустотного сдвижения с разницей объемов выработанного пространства и мульды сдвижения позволяет приблизиться к решению данной проблемы. Такой подход является особенно оправданным в условиях высокой устойчивости вмещающих пород по отношению к горному давлению и увлажняющему действию воды.
Сдвижение земной поверхности при разработке твердых полезных ископаемых служит объектом многолетних натурных и теоретических исследований. Специалисты УрО РАН на примере локального участка Высокогорского железорудного месторождения показали результаты мониторинга процесса сдвижения от подземных работ комплексом геодезических и геофизических методов [3]. При этом использовались как традиционные наблюдения за деформированием земной поверхности, так и наблюдения за изменением структуры подработанного горного массива с помощью метода спектрального сейсмопрофилирования. Итогом работы стало установление пространственных параметров дезинтеграции горных пород, рекомендации по охране объектов в мульде сдвижения, а также определение причин, вызвавших потерю устойчивости вмещающих пород (на этом участке произошло обрушение поверхности).
При ликвидации и затоплении рудника в Нижнем Тагиле были проведены наблюдения за процессом сдвижения [4]. Использовались визуальные наблюдения, глобальные навигационные спутниковые системы. В результате было установлено, что с началом затопления началось трендовое поднятие поверхности, продолжающееся в течение пяти лет. Стагнация сдвижения ожидается через 12-15 лет после прекращения водоотлива. Общий
период затухания деформаций, проявляющихся в стабильном трендовом режиме для общей площади Лебяжинского месторождения, составляющей 3,5 км2 будет около 12 лет. После этого геомеханические процессы на поверхности перейдут в стадию периодического проявления, связанную с разрушением пропласт-ков и технологических целиков, суффозией обрушенного материала, и будут продолжаться десятилетиями, но реализовываться на локальных участках. Окончательное прекращение провалов также будет носить мозаичный характер по территории месторождения. Создана локальная геоинформационная система (ГИС), которая стала базой для принятия решений о возможностях экономической реабилитации подработанной территории.
Трендовые поднятия поверхности происходят не только при ликвидации и затоплении подземного рудника, но и при затоплении угольных шахт и разрезов. Аналогичный эффект отмечают на территориях вокруг водохранилищ при повышении в них уровня воды (Богучанская и Саяно-Шушенская ГЭС). Уса-нов С. В. (УрО РАН) предполагает, что поднятия инициируются вследствие водонасыщения и разбухания пород. Происходит выдавливание вмещающего водный объем горного массива за счет увеличения гравитационной нагрузки от аккумулирующейся в выработках воды. Также может оказывать воздействие эффект памяти формы горного массива, который испытал оседания и сжатия при формировании депрессионной воронки во время ведения горных работ, а при восстановлении гидрорежима - расширяется и поднимается. Стагнация поднятий должна пройти после полной ликвидации водной депрессии.
В комплексе научно-исследовательских задач по прогнозированию последствий затопления шахт и карьеров важное практическое значение имеет разработка методики прогноза деформаций земной поверхности, вызванных изменением НДС породных массивов при восстановлении гидродинамического режима подземных вод. Закономерности развития гидромеханических процессов при затоплении шахт изучены и сформулированы на основании результатов мониторинга, выполненного ВНИМИ в 1999 - 2005 гг. на геодинамическом полигоне, созданном в г. Анжеро-Судженске (северный Кузбасс) [5]. Кутепова Н. А. (Научный центр геомеханики и проблем горного производства СПГГИ) предложила методологический подход к решению задач
по прогнозу деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок, который состоит в выполнении последовательных геофильтрационных и геомеханических посторенний по схеме: прогноз восстановления напоров подземных вод в сдрени-рованных слоях массива, затем перерасчет полей геомеханических напряжений с учетом изменившихся гидростатических давлений и, наконец, - оценка величин и направленности деформаций на базе соответствующих геомеханических моделей.
Данный подход в настоящее время полностью обеспечивается только в геофильтрационной части благодаря имеющимся методическим разработкам в области прогнозирования гидрогеологических условий затопления горных выработок на базе методов численного моделирования. Применение программных комплексов, позволяющих моделировать НДС водонасыщенных породных массивов с использованием МКЭ ограничено областями, в которых деформирование пород при декомпрессии описывается упругой или упруго-пластической моделью с общей направленностью к расширению. При наличии в массиве зон упруго-пластического деформирования с преобладающей консолидацией целесообразно применять принцип суперпозиции, выполняя геофильтрационную часть прогнозной задачи численными методами, а геомеханическую - аналитическим расчетом в рамках одномерных схем.
Степень приближения результатов моделирования при решении задач горной геомеханики к реальному характеру деформирования зависит, прежде всего, от правильности представления о происходящих в углепородном массиве процессах. В связи с этим, особое внимание следует уделить описанию основных структурных элементов области исследования [6].
Авторы [6] предложили технологию моделирования различных уровней обводненности без изменения геометрической расчетной схемы путем кусочной аппроксимации. В результате изучения полученных изолиний напряжения установлено, что обводнение, прежде всего, изменяет их количественные параметры. Качественные изменения наблюдаются в почве выработанного пространства и выражаются в пучении почвы. Также установлен локальный характер проявления влияния обводненности на качественную картину в непосредственной близости очистной выработки.
Выводы. Таким образом, как показал обзор литературных источников, теоретических основ надежного прогнозирования процессов деформирования и разрушения горных выработок и массивов горных пород при интенсивной подземной добыче полезных ископаемых в сложных горно- и гидро-геологических условиях нет. При изменении геологических и горно-технических условий подземной разработки угольных пластов существующие методы теряют точность и требуют постоянной корректировки, осуществляемой на основе регулярных исследований.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700021-4-2.7.1;2.7.5)
ЛИТЕРАТУРА
1. Мохов, А. В. К вопросу о закономерностях сдвижения земной поверхности на участках подземной разработки твердых пластовых полезных ископаемых [Текст] / А. В. Мохов // ГИАБ. -М: изд-во МГГУ, 2000. - № 12. - С. 145-151.
2. Мохов, А. В. Геомеханические аспекты консервации и ликвидации каменноугольных шахт с затоплением горных выработок [Текст] / А. В. Мохов // ГИАБ. - М: изд-во МГГУ, 2000. -№ 5. - С. 196-198.
3. Усанов, С. В. Мониторинг трансформации структуры горного массива под влиянием процесса сдвижения [Текст] / С. В. Усанов, В. В. Мельник, А. Л. Замятин // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.- Новосибирск: изд-во Сиб. отд. РАН, 2013. - № 6. - С. 83-89.
4. Усанов, С. В. Сдвижение земной поверхности при затоплении железорудной шахты [Текст] / С. В. Усанов, А. В. Усанова // Проблемы недропользования. - 2015. - № 1. - С. 55-64.
5. Кутепова, Н. А. Изучения закономерностей развития гидрогеомеханических процессов с целью прогноза деформаций земной поверхности при затоплении угольных шахт [Текст] / Н. А. Кутепова // ГИАБ. - М: изд-во МГГУ, 2000. - № 5. -С. 142-153.
6. Дрибан, В. А. Влияние обводненности массива горных пород вокруг выработок на НДС при подземной разработке
угольных пластов в пространственной постановке задачи / В. А. Дрибан, А. Г. Петрушин // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр.-Донецк, 2022. - № 18-19 (33-34). - С. 39-81.
Хохлов Борис Валентинович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, зав. отделом горного давления, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, hbv@bk.ru.
Рожко Марина Дмитриевна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела горного давления, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, mdr6464@msil.ru.
Камбурова Лариса Алексеевна, научный сотрудник отдела гидрогеомеха-нических исследований и охраны недр, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк.
Крижановская Лариса Николаевна, ученый секретарь, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, lnk_ukrnimi@mail.ru.
ON THE ISSUE OF DISPLACEMENT AND DEFORMATION OF A WATERED MOUNTAIN MASSIF IN MODERN MINING CONDITIONS
Collected and analyzed data on observations of the process of displacement and deformation of the mountain range in modern conditions, complicated by flooding during the liquidation of mining enterprises.
Keywords: stress-strain state, watered rocks, liquidation of coal mines.
Khokhlov Boris Valentinovich, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher, head. of the Department of Mining Pressure, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, hbv@bk.ru.
Rozhko Marina Dmitrievna, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher at the Mining Pressure Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, mdr6464@msil.ru.
Kamburova Larisa Alekseevna, Researcher at the Department of Hydrogeome-chanical Research and Protection, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk.
Krizhanovskaya Larisa Nikolaevna, Scientific Secretary, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, lnk_ukrnimi@mail.ru.
