CC BY
0
19. Investigation of the rheological characteristics of a mixture as a way to create a new laying material with specified characteristics / Ch. Kongar-Suryun [et al.] // Materials today: Proceedings. 2021. vol. 38. pp. 2052-2054.
УДК 556.3:622.83
КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ТЕРРИТОРИЯХ ЗАКРЫТЫХ АНТРАЦИТОВЫХ ШАХТ
П.Н. Должиков, Д.В. Пронский, Н.В. Пронская
На основании комплексных исследований горно-геологических условий на территориях закрытых антрацитовых шахт выявлены исходные, сопутствующие и провоцирующие признаки гидроактивизации деформаций трансформированных породных массивов. По этим признакам разработана классификация горно-геологических условий на территориях закрытых угольных шахт, в которой выделены хорошие, удовлетворительные, плохие и аварийные состояния породного массива. Сделан вывод о необходимости проведения тампонажно-закладочных работ. Получена новая формула для определения вероятности аварийных деформаций поверхности закрытых шахт.
Ключевые слова: закрытая шахта, породный массив, геология, гидроактивизация, деформация поверхности, признаки, классификация, вероятность провала.
Введение
В результате закрытия угольных шахт Восточного Донбасса произошла повсеместная техногенная гидроактивизация деформаций породных массивов. Для горно-геологических условий антрацитовых шахт выявлены специфические закономерности их затопления и деформационного поведения гидроактивизированных пород, что потребовало классифицировать состояние подработанного породного массива. Такая классификация должна быть основана на комплексных исследованиях и суммарном анализе действующих факторов [1].
Классификация горно-геологических условий при разработке пластовых залежей угля рассматривалась исследователями много раз в зависимости от решаемых научных и инженерных задач. Отметим, что в основу известных классификаций, т. е. признаков деления на классы, как правило, закладывались один-три фактора. Такой подход предполагал узкое решение инженерных задач, учитывающий только главные признаки классификации горно-геологических условий: деформации поверхности, свойства горных пород, вероятность аварийных деформаций и т.д.[2-5].
Известно, что подрабатываемые территории в зависимости от горногеологических условий и особенностей сдвижения породной толщи следует подразделять на группы по показателям деформаций земной поверхности и свойствам пород кровли в соответствии с табл. 1.
Однако даже предварительный анализ деформирования поверхности на площадях закрытых шахт методом мокрой консервации показывает необходимость разработки новой классификации с учетом влияния новых процессов и активизирующих факторов.
Таблица 1
Деформации земной поверхности на подрабатываемых территориях
Группа Деформации земной поверхности подрабатываемых территорий
территорий относительная горизонтальная, в, мм/м наклон, 1, мм/м радиус кривизны, Я, км
I 12 >в> 8 20 > 1 > 10 1 < Я < 3
II 8 >в> 5 10 > 1 > 7 3 < Я < 7
III 5 >в> 3 7 > 1 > 5 7 < Я < 12
IV 3 >8> 0 5 > 1 > 0 12 < Я < 20
Здесь в первую очередь следует выделить специфичность геологического строения, сложный гидродинамический режим подземных вод и развитие новых геодинамических процессов. Только всесторонний анализ и учет новых геомеханических и гидродинамических процессов в породном массиве позволит выработать концептуальную оценку и прогнозирование современных стадий активизации деформирования поверхности.
Цель работы - разработать классификацию горно-геологических условий на территориях закрытых антрацитовых шахт.
Методы научных исследований основаны на комплексном подходе при изучении состояния и деформирования гидроактивизированного породного массива закрытых шахт:
- анализ геолого-маркшейдерской документации;
- натурные наблюдения;
- лабораторные исследования;
- компьютерное моделирование;
- расчет вероятности аварийных деформаций и классификация горно-геологических условий на территории закрытых шахт.
Результаты исследований
Натурные исследования на территориях 28 закрытых антрацитовых шахт показали, что наиболее опасными деформациями поверхности при гидроактивизации пород являются активизация мульды сдвижения и формирование провалов с выходом подземных вод.
Классификация геологических условий формирования провала над ликвидированными выработками была разработана ранее, она оценивает вероятность провальных деформаций и основана на материалах натурных
исследований [6]. В дополнение к этой классификации рассматривается горнотехническое состояние ликвидированных выработок. Такой натурно обоснованный подход имеет высокую достоверность и может использоваться на практике (табл. 2, 3).
Таблица 2
Состояние подработанного породного массива
Состояние массива горных пород Геологические условия Вероятность образования провалов
Устойчивое Породы не имеют зон ослабления, трещиноватости (коэффициент крепости пород Г = 6), нет подтопления и обрушений в выработку Низкая (0,0.0,2)
Относительно устойчивое Глинистые породы находятся на глубине 25...30 м со средней крепостью Г = 4, породы влажные, возможно подтопление Средняя (0,2.0,5)
Неустойчивое Глинистые породы имеют зоны ослабления и частичные обрушения в выработку, обводнены и с крепостью Г< 4, выработка затоплена Высокая (0,5.0,8)
Аварийное В породах имеются тещины и провалы над затопленными выработками, породы кровли обводнены, крепость уменьшилась (Г = 2) Абсолютная (0,8.1,0)
Таблица 3
Горнотехническое состояние наклонных горных выработок
Класс Состояние выработки Характеристика состояния Количество выработок, шт. Вероятность образования провала
1 2 3 4 5
I Хорошее Выработка закреплена, деформаций кровли нет, засыпка выполнена на 100 % 2 Низкая (0,00.0,25)
II Удовлетворительное Крепь выработки нарушена, деформации кровли нет, засыпка выполнена на 100 % 6 Средняя (0,25.0,50)
III Неудовлетворительное Крепления выработки нет, имеются купола обрушений кровли, засыпка частичная, влажная. Возможно затопление 18 Высокая (0,50.0,80)
IV Аварийное Крепления выработки нет, множество куполов обрушений кровли, засыпки нет, выработка затоплена 34 Абсолютная (0,80.1,00)
Следовательно, широкомасштабными натурными исследованиями доказано, что основными факторами влияния на процесс аварийных деформаций пород над горной выработкой есть - геологическое состояние вышележащих горных пород и горнотехническое состояние выработки.
Этот вывод сделан на основе детального анализа состояния ликвидированных выработок по результатам бурения скважин или по проектным и архивным документам. По результатам исследований, а также с учетом известных публикаций [7], установлены критерии состояния выработок и породного массива. Это позволило сделать вывод, по фактическим данным, о вероятности образования провала над выработкой. Однако в приведенных таблицах для антрацитовых шахт не учитывается ряд факторов, например, зона влияния выработки, ее глубина.
В дополнение к этим работам в Боково-Хрустальском и Должано-Ровенецком углепромышленных районах также были проанализированы 51 случай формирования провалов над старыми горными выработками на площадях 28 закрытых шахт. При этом в анализ были вовлечены все факторы гидроактивизации деформаций поверхности. Однако, следует подчеркнуть, главным фактором влияния на деформирование породной толщи является гидроактивизация массива с измененным фильтрационным режимом. Также немаловажно учитывать фактор современной геотектоники [8, 9].
Анализ полученных данных по активизации деформаций земной поверхности над затопленными старыми горными выработками позволяет сделать следующие выводы:
- геометрическая форма воронки провала близка к усеченному конусу с углом наклона боковых обнажений а = 70... 86°;
- глубина провала зависит от горно-геологических свойств вмещающего массива горных пород, горнотехнических условий проведения, поддержания и охраны горной выработки и напрямую связана с резким изменением гидрогеологической обстановки;
- глубина провалов земной поверхности варьирует в пределах от 1,0 - 1,2 м до 6,0 - 12,0 м и связана с развитием зоны покровных отложений, наличием зон разуплотнений и физико-механическими свойствами коренных горных пород;
- активизация деформаций непосредственно зависит от особенностей напряженно-деформированного состояния породного массива и проявления горных ударов.
Характерной особенностью горно-геологических и горнотехнических условий исследованных провалов на площадях закрытых антрацитовых шахт Восточного Донбасса является расположение приустьевых частей вскрывающих наклонных горных выработок в неустойчивых четвертичных и неогеновых покровных отложениях. Они имеют повсеместное распространение и представлены слабоустойчивыми элювиальными и делювиаль-
ными образованиями - песчано-глинистым породами (суглинками, песками) мощностью, не превышающей 30 - 50 м. Во многих случаях старые выработки имели неглубокое заложение, а мощность наносов была незначительной. Потеря устойчивости приустьевых частей указанных выработок с образованием провалов земной поверхности прямо связана с зонами разуплотнений или потерей несущей способности крепи при провоцирующем давлении пород наносов и при увеличении степени обводнения в результате воздействия поверхностных и шахтных вод.
По результатам натурных исследований основными причинами образования провалов земной поверхности над погашенными вскрывающими наклонными и очистными выработками являются:
- влияние гидрогеологических и геомеханических факторов;
- разрушение крепи, наличие куполов обрушения в старых горных выработках, слабая устойчивость боковых пород выработок неглубокого заложения и перепуск их по падению;
- несоответствие технологических решений, принимаемым при ликвидации выработок конкретным горнотехническим и горно-геологическим условиям;
- увеличение зоны влияния выработки и переход основной кровли выработок в неустойчивое состояние;
- развитие неотектонических процессов.
Как уже отмечалось, подработанные территории закрытых угольных шахт по степени опасности условно подразделяются на 5 категорий в зависимости от состояния массива горных пород: благоприятные, относительно благоприятные, неблагоприятные, угрожаемые и непригодные. В дальнейших исследованиях первые две категории были объединены. Отметим, что при натурных исследованиях горнотехническое состояние старых выработок оценивалось по показателю ликвидации Пл, который изменяется от 1 до 0.
Результаты бурения разведочных скважин, лабораторные исследования свойств углевмещающих пород и компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния породного массива различной структуры полностью подтверждают выводы по натурным исследованиям [9-12].
Таким образом, при разработке классификации горно-геологических условий на территориях закрытых антрацитовых шахт необходим комплексный подход на основе всесторонней оценки сложившегося принципиально нового напряженно-деформированного состояния породного массива. Такая методика разработки классификации обязательно требует учета многих факторов и показателей:
- характеристика деформирования поверхности;
- мощность и свойства покровных отложений;
- глубина и количество отработанных пластов;
- свойства пород кровли;
- состояние горной выработки, остаточная пустотность, размеры зоны влияния;
- обводненность породного массива;
- наличие дизъюнктивных нарушений и проявление опасных геодинамических процессов.
Исходя из изложенной методики учета классификационных признаков, среди них следует выделять: исходные - геологические и горнотехнические признаки; сопутствующие - геотехнологические; провоцирующие -гидродинамические и гидрогеотектонические. В соответствии с принятой методикой и выполненным анализом горно-геологических условий на площадях закрытых шахт Боково-Хрустальского и Должано-Ровенецкого районов была разработана новая классификация по 15 признакам, которая представлена в табл. 4.
Классификация отражает состояние трансформированных гидроак-тивизированных породных массивов после закрытия шахт.
Анализ результатов выполненных работ и разработанной классификации показывает, что вероятность активных деформаций поверхности зависит от соотношения мощности наносов к глубине горных работ (кп/к) и мощности зоны влияния выработки к уровню затопления пород подземными водами (Из/И-Ив). Также необходимо учесть гидрогеотектоническое состояние породного массива и его активность через коэффициент кг. Поэтому вероятность развития аварийных деформаций поверхности на площадях закрытых антрацитовых шахт оценивается по формуле
Рп = (1 кг) ■ т г,
к -{к - кв )
где кг - коэффициент гидрогеотектонического состояния массива (принимается для I класса -1,0.0,9; для II класса - 0,9.0,7; для III класса -0,7.0,3; для IV класса - меньше 0,3); кп - мощность наносов, м; кз - мощность зоны влияния выработки, м; к - глубина расположения выработки, м; кв - глубина подземных вод, м.
Например, выполненные расчеты вероятности развития активных деформаций поверхности по предложенной формуле составили: для I класса горно-геологических условий - 0,01; для II класса - 0,20; для III класса -0,33; для IV класса - 0,85. Следовательно, IV класс горно-геологических условий всегда является аварийным с вероятностью высокой.
Таблица 4
Классификация горно-геологических условий на территориях закрытых _антрацитовых шахт_
Наименование признака Значение признака для класса условий
I (хорошие) II (удовлетворительные) III (плохие) IV (аварийные)
Относительная горизонтальная деформация, мм/м > 3 > 5 > 8 > 12
Мощность покровных отложений, м 0...1 1.5 5.20 > 20
Степень влажности дисперсных пород, % 0,5 0,5.0,8 0,8.1,0 1,0
Выходы воды на поверхность Нет Нет Локально Обширно
Наличие и мощность зон разуплотнений, м Нет Нет 0,5.1,5 1,5.15,0
Глубина подработки, м 60.100 40.60 30.40 20.30
Обводненность трещиноватых пород, м3/ч < 1 1.2 2.3 > 3
Прочность скальных пород кровли, МПа 50.74 35.46 22.32 < 20
Раскрытие трещин, мм 1..2 2.3 3.5 > 5
Уровень подземных вод, м > 30 10.30 0.10 0.1
Показатель ликвидации выработки, д. ед. 1,0 0,5.1,0 0,0.0,5 0,0
Остаточная пустотность, % 20 20.25 25.40 > 40
Размеры зоны влияния выработки, м 10.20 20.30 30.40 20.30
Наличие дизъюнктивных нарушений Нет 1 1.2 > 2
Проявления НДС Нет Вероятно Единично Периодически
Также в соответствии с представленной классификацией можно считать, что горно-геологические условия на территориях закрытых антрацитовых шахт для III и IV классов являются практически всегда аварийными. Для этих условий с целью безопасной эксплуатации поверхностных объектов принимается обоснованное решение о проведении тампонажно-закладочных работ с применением ресурсосберегающих суспензий [13-15].
Выводы
Таким образом, на основании комплексных исследований разработана классификация горно-геологических условий территорий закрытых антрацитовых шахт, которая является методической основой оценки состояния гидроактивизированного породного массива. Классификация позволяет оценить потенциальную опасность территории закрытых шахт. Суперпози-
ция классификации и геолого-физической модели деформирования гидро-активизированного и трансформированного породного массива и поверхности является основой для разработки методики прогнозирования активных деформаций поверхности в районах закрытых антрацитовых шахт.
Список литературы
1. Должиков П. Н, Леонов А. А., Пронская Н. В. Факторы активизации деформаций породного массива закрытых шахт // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2024. Вып. 1. С. 493-502.
2. Ткачев В. А., Страданченко С. Г. Геомеханика: учеб. пособие / Южно-Российский государственный технический университет (НПИ). Новочеркасск : Лик, 2008. 151 с.
3. Килячков А. П. Технология горного производства. Москва: Недра, 1985. 400 с.
4. Шашенко А. Н., Пустовойтенко В. П. Механика горных пород. Киев : Новый друк, 2004. 400 с.
5. 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.
6. Должиков П. Н., ПрокоповаМ. В., Хамидуллина Н. В. Натурные исследования провалов над горными выработками закрытых шахт // Тульского государственного университета. Науки о Земле, 2018. Вып. 4. С. 3-11.
7. 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).
8. Мохов А. В. К вопросу о трансформации горного массива под влиянием затопления каменноугольных шахт // Маркшейдерия и недропользование. 2008. № 5. С. 44-50.
9. Пронская Н. В. О фильтрационных свойствах трансформированного породного массива после закрытия шахт // Сб. науч. тр. «Научные достижения и разработки современности: проблемы, пути совершенствования»: XIX Всерос. науч.-практ. конф. Ростов-на-Дону: Изд-во «Манускрипт», 2023. С. 220-222.
10. Должиков П. Н, Кипко А. Э., Должиков Ю. П. Гидроактивизация деформаций породного массива при закрытии шахт: монография. Днепропетровск: Журфонд, 2015. 216 с.
11. Косов О. И. Провалоопасность территорий закрытых шахт Восточного Донбасса // Эколого-экономические проблемы природопользования в горной промышленности. Шахты: ЮРО АГН РФ, 2006. № 9. C. 145.
12. Гавриленко Ю. Н., Улицкий О. А., Шиптенко А. В. Об условиях образования провалов на земной поверхности над горизонтальными и наклонными выработками // Проявление горного давления: Донецк. 1999. № 3. С. 110-115.
13. Belodedov A. A., Dolzhikov P. N., Legostaev S. O. Research into Dangerous surfase deformations over inclined shafts af Abandoned Coalmines // Scientific Reports on Resource Issues. Freiberg, Germany: TU Bergakademie, 2016. V. 1. P. 159-165.
14. Dolzhikov P., Semiriagin S. Investigation and technical decisions of the mining and ecological problems while closing coal mining // Progressive Technologies of Coal, Coalbed Methane and Ores Mining. Leiden, Netherlandes: CRS Press. Balkema, 2014. Р. 147-151.
15. Должиков П. Н., Пронский Д. В., Легостаев С. О. Тампонажно-закладочные работы в регионах закрытия шахт: монография. Ростов-на-Дону : ООО «ДГТУ-Принт», 2020. 290 с.
Должиков Петр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Пронский Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Алчевск, Донбасский государственный технический университет,
Пронская Наталья Викторовна, ассистент, [email protected], Россия, Алчевск, Донбасский государственный технический университет
CLASSIFICATION OF MINING AND GEOLOGICAL CONDITIONS IN THE TERRITORIES
OF CLOSED ANTHRACITE MINES
P. N. Dolzhikov, D. V. Pronsky, N. V. Pronskaya
On the basis of complex studies of mining and geological conditions in the territories of closed anthracite mines, the initial, concomitant and provoking signs of hydroactivation of deformations of transformed rock massifs have been identified. According to these signs, a classification of mining and geological conditions in the territories of closed coal mines has been developed, in which good, satisfactory, bad and emergency conditions of the rock mass are allocated. The conclusion is made about the need for grouting and laying works. A new formula has been obtained to determine the probability of accidental deformations of the surface of closed mines.
Key words: closed mine, rock mass, geology, hydroactivation, surface deformation, signs, classification, probability of sinkhole.
Dolzhikov Petr Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Pronsky Dmitry Vladimir ovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Alchevsk, Donbass State Technical University,
Pronskaya Natalya Viktorovna, assistant, [email protected], Russia, Alchevsk, Donbass State Technical University
Reference
1. Dolzhikov P. N., Leonov A. A., Pronskaya N. V. Factors of activation of deformations of the rock mass of closed mines // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2024. Issue 1. pp. 493-502.
2. Tkachev V. A., Stradanchenko S. G. Geomechanics: textbook. manual / South Russian State Technical University (NPI). Novocherkassk : Lik, 2008. 151 p.
3. Kilyachkov A. P. Mining technology. Moscow: Nedra, 1985. 400 p.
4. Shashenko A. N., Pustovoitenko V. P. Mechanics of rocks. Kiev : Novy Druk, 2004. 400 p.
5. Belodedov A. A., Dolzhikov P. N., Legostaev S. O. Analysis of the mechanism of formation of deformations of the Earth's surface over the rock formations of closed mines // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2017. Issue 1. pp. 160-169.
6. Dolzhikov P. N., Prokopova M. V., Khamidullina N. V. Natural investigations of sinkholes over mining workings of closed mines // Tula State University. Earth Sciences, 2018. Issue 4. pp. 3-11.
7. 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).
8. Mokhov A.V. On the transformation of a mountain range under the influence of flooding of coal mines // Surveying and subsoil use. 2008. No. 5. pp. 44-50.
9. Pronskaya N. V. On the filtration properties of a transformed rock mass after the closure of mines // Collection of scientific tr. Scientific achievements and developments of modernity: problems, ways of improvement: XIX all-Russian scientific and practical conference. Rostov-on-Don: Publishing house "Manuscript", 2023. pp. 220-222.
10. Dolzhikov P. N., Kipko A. E., Dolzhikov Yu. P. Hydroactivation of deformations of rock mass during mine closure: monograph. Dnepropetrovsk: Journalfond, 2015. 216 p.
11. Kosov O. I. The sinkhole hazard of the territories of closed mines in Eastern Donbass // Ecological and economic problems of environmental protection in the mining industry. Mines: YURO AGN RF, 2006. No. 9. C. 145.
12. Gavrilenko Yu. N., Ulitsky O. A., Shiptenko A.V. On the conditions of formation of sinkholes on the Earth's surface above horizontal and inclined workings // Manifestation of mountain pressure: Donetsk. 1999. No. 3. pp. 110-115.
13. Belodedov A. A., Dolzhikov P. N., Legostaev S. O. Research into Dangerous surfase deformations over inclined shafts af Abandoned Coalmines // Scientific Reports on Resource Issues. Freiberg, Germany: TU Bergakademie, 2016. V. 1. P. 159-165.
14. Dolzhikov P., Semiriagin S. Investigation and technical decisions of the mining and ecological problems while closing coal mining // Progres-sive Technologies of Coal, Coal-bed Methane and Ores Mining. Leiden, Neth-erlandes: CRS Press. Balkema, 2014. pp. 147151.
15. Dolzhikov P. N., Pronsky D. V., Legostaev S. O. Grouting and laying works in the regions of mine closure: monograph. Rostov-on-Don : DSTU-Print LLC, 2020. 290 p.
