МЕТОДИКА ОБСЛЕДОВАНИЯ ЗДАНИЙ В ЗОНАХ ВЛИЯНИЯ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ВЫЗВАННЫХ ПОДРАБОТКОЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИКВИДАЦИЕЙ УГОЛЬНЫХ ШАХТ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ISSN 0136-4545 ^Курнал теоретической и прикладной механики.

№3 (76) / 2021.

ГЕОМЕХАНИКА, РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД, РУДНИЧНАЯ АЭРОГАЗОДИНАМИКА И ГОРНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА

УДК УДК 622.831, 622.23.02

©2021. Ф.М. Голубев, Л.А. Иванова

МЕТОДИКА ОБСЛЕДОВАНИЯ ЗДАНИЙ В ЗОНАХ ВЛИЯНИЯ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ВЫЗВАННЫХ ПОДРАБОТКОЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИКВИДАЦИЕЙ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

В настоящей статье описан механизм деформационных процессов, проявляющихся на земной поверхности при отработке горных выработок и затоплении угольных шахт в Центральном районе Донбасса. Разработана методика определения мест проявления наиболее опасных деформаций и предложена методика проведения обследований зданий в зонах влияния сосредоточенных деформаций земной поверхности, которая может быть использована при проведении обследований зданий при их подработке и в условиях ликвидации шахт.

Ключевые слова: сдвижения земной поверхности, затопление горных выработок, ликвидация шахт, сохранность зданий, образование уступа.

Введение. Влияние горных работ на подрабатываемые здания в Центральном районе Донбасса имеет свои специфические особенности. При отработке свиты крутопадающих пластов угля в Центральном районе Донбасса (ЦРД) на земной поверхности проявляются сосредоточенные деформации в виде уступов, вызывающих существенные повреждения объектов поверхности. Практика обследования зданий и сооружений показывает, что сдвижения и деформации земной поверхности от активизации геомеханических процессов при затоплении горных выработок ликвидированных шахт в Центральном районе Донбасса также носят сосредоточенный характер, а проявление уступообразования происходит в тех же местах, где они были зафиксированы при подработке. Актуальность работы обусловлена необходимостью фиксации повреждений конструкций в зонах сосредоточенных деформаций для своевременной разработки локальных мер защиты зданий и других объектов поверхности, для обеспечения их безопасной эксплуатации после ликвидации шахты. Основным вопросом на начальном этапе такой работы является правильный выбор обследуемых объектов, которые должны располагаться в районах, наиболее подверженных влиянию сдвижений земной поверхности.

1. Выбор объектов обследования. Исходными материалами для проведения выбора обследуемых объектов, согласно [1, 2], являются данные о кон-

структивной характеристике обследуемых зданий и сооружений, данные о месте расположения объектов на плане поверхности, а также планы горных работ шахты, в пределы отвода которой попадает рассматриваемый район города, геологическая карта района с выходами пластов на поверхность. Как показывает практика, в пределах ЦРД где пласты отрабатываются свитами, одно здание могут пересекать два и более уступа. Пример зафиксированных уступов в городе Горловка приведен на рисунке 1 .

Рис. 1. Выкопировка с плана поверхности города Горловки с нанесенными трассами уступов

Данные о расположении обследуемых зданий на плане поверхности включают: данные о наличии трасс уступов в основании зданий, установленных по ранее проведенным инструментальным наблюдениям за деформациями земной поверхности, или по характерным повреждениям конструкций при предыдущих обследованиях зданий; наличие выходов под наносы угольных пластов в основании зданий, старых горных выработок, имеющих выход на дневную поверхность возле места расположения зданий (в радиусе до 20 м от шурфа), наличие зоны влияния тектонических нарушений (100 - 150 м от выхода под наносы тектонического нарушения). Определение ожидаемой высоты уступов производится согласно [3] по следующим формулам

Ь = а |12| I • 8та: < 0.3пт, (1)

1

(2)

1.69 -0.02а' 7

где - максимальная величина ожидаемого или вероятного наклона в месте прогнозирования уступа; а - угол падения пласта (градус); пт- максимальное ожидаемое оседание земной поверхности; а - эмпирический коэффициент вычисляемый по формуле (2); I - расстояние между уступами, которое следует определять из результатов натурных наблюдений или принимать равным 30 м в

районе залегания углей марки Д, ДГ, Г; равным 20 м в районе залегания углей марки Ж, К, ОС, Т; равным 15 м - в районе залегания антрацитов.

Также при выборе зданий для обследования следует учитывать расположение зон максимальных деформаций определяемых согласно [3, 4] (рис. 2). Стоит отметить, что при затоплении, зоны максимальных деформаций могут несколько смещаться относительно их расположения при подработке за счет масштабного эффекта.

Рис. 2. Пример определения зон максимальных деформаций при затоплении горных выработок шахты «Кочегарка»

В связи с тем, что большинство городов ДНР были подработаны горными работами по более чем пяти пластам, рельеф местности за последние 30 лет существенно изменился. Данный факт делает не актуальным использование планов земной поверхности составленных до распада СССР, так-как они не позволяют определить прогнозируемые деформации с необходимой точностью. По этой причине, исходные данные для построения цифровой модели земной поверхности (рис. 3) извлекаются из актуальных космических снимков. В процессе подготовки исходных данных производится построение цифровых моделей каждого из отработанных пластов в пределах исследуемого участка (рис. 4). Качество моделей напрямую зависит от плотности точек сетки, по которой модель будет построена. Исходные данные для построения цифровых моделей пластов берутся из планов горных работ.

2. Методика и критерии обследования. Обследование здания заключается в визуальном осмотре с фиксацией всех имеющихся дефектов и повреждений конструкций на зарисовках фасадов здания и фотографической фиксацией фасадов и мест повреждений конструкций здания, а также в проведении инструментальных замеров (ширина раскрытия трещин, отклонение стен и цоколя в вертикальной и горизонтальной плоскости и др.). Обследование здания начинают с главного фасада. На зарисовку фасада наносятся все имеющиеся трещины с указанием их раскрытия и следы заделанных трещин с указанием материала

Рис. 3. Пример определения зон максимальных деформаций при затоплении горных выработок шахты «Кочегарка»

заделки и величины нового раскрытия трещины (если оно имеется). Отмечается место изгиба цоколя, срез кладки под опорными частями перемычек, перекос оконных и дверных проемов, изгиб (прогиб) оконных перемычек и поясов кладки под окнами (при наличии влияния сосредоточенных деформаций). Также проводится обследование правого, дворового и левого фасадов.

Рис. 4. Пример подготовки моделей угольных пластов для расчета деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок и подработке земной поверхности

Данные о конструктивной характеристике здания включают: назначение (жилой дом, здание общественного назначения), этажность, год строительства, конфигурация (простой, усложненной, сложной формы в плане - прямоугольное, Г

- образное, П - образное и др.), размеры в плане (длина, ширина), высота, наличие подвала (под всем или под частью здания в плане), размеры и высота подвала, строительный объем здания, подвала, конструктивная схема (бескаркасное, каркасное, для каркасных зданий - количество и величина пролетов, шаг колонн каркаса), количество квартир и подъездов (для жилых домов). Описывается материал основных конструкций зданий: фундаментов, стен, перекрытий, каркаса (для каркасных зданий), лестничных площадок и маршей, крыши (форма двухскатная, многоскатная, плоская и др.) и кровли (шифер, черепица, рулонное покрытие и др.). Отмечается наличие конструктивных мер защиты от влияния горных работ (разрезка зданий деформационными швами на отсеки, наличие фундаментных, цокольных и поэтажных поясов и др.). По выявленным местам влияния сосредоточенных деформаций в стенах и по цоколю на фасадах здания на плане здания устанавливается трасса уступа (соединяются линией отмеченные места перегибов цоколя и перекосов оконных и дверных проемов по фасадам) и сверяется с планом поверхности, где отмечены возможные расположения трасс уступов. Как правило, трассы уступов формируются по линиям параллельным выходам под наносы угольных пластов, расстояния между трассами уступов до 20-30 м, поэтому на протяженных зданиях возможно проявление трасс 2-3 уступов. По выявленным местам трасс уступов отмечают зону влияния сосредоточенных деформаций (трещины в стенах сосредоточенные в одном месте), которая, как правило, составляет 5-10 м, иногда до 15-20 м, и в этой выявленной зоне проводят обследования внутренних помещений, в том числе подвала, лестничных клеток подъездов и квартир. Фотографическую фиксацию проводят после зарисовки фасада. Фотографируется весь фасад, или частями, если не помещается в кадр, также фиксируются отдельные участки стен, цоколя, карнизов с максимальными повреждениями, осадочные и деформационные швы. Съемка здания, как и визуальное обследование, проводится начиная с главного фасада в определенном направлении (слева направо или наоборот).

На рисунках 5, 6, показаны характерные повреждения конструкций кирпичных зданий.

Для обеспечения сохранности зданий, подвергшихся влиянию деформаций подобного рода необходимо применение мер защиты, которые назначаются по результатам обследования. К наиболее распространенным из них относятся: ремонт с расшивкой и заделкой трещин в наружных стенах, заделка трещин поли-мерцементным раствором, усиление участков стен в зонах максимальных трещин армированной штукатуркой, усиление перекошенных оконных проемов металлической рамой, усиление стен металлическими поясами и др. При этом рекомендуется поэтапное применение мер защиты. Очередность применения мер защиты устанавливается по результатам инструментальных наблюдений и визуальных обследований перечисленных зданий в рамках проведения мониторинга деформаций земной поверхности и состояния объектов поверхности. Особое внимание при выборе мер защиты уделяется состоянию стенных марок.

Рис. 5. Повреждение участка стены главного фасада жилого дома по ул. Первомайской, 31 в г. Горловка в зоне влияния сосредоточенных деформаций

Рис. 6. Повреждение участка стены главного фасада жилого дома по ул. Стожка, 69 в г. Горловка в зоне влияния сосредоточенных деформаций

Выводы. По данным выполненных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Разработана методика проведения обследования здания в зонах влияния максимальных и сосредоточенных деформаций земной поверхности, которая может быть использована при обследовании подработанных зданий и на горных отводах ликвидированных шахт.

2. Характерные повреждения зданий в зонах влияния сосредоточенных деформаций представляют существенную угрозу для сохранения целостности жилого фонда городов и поселков ЦРД. Это подчеркивает необходимость своевременного назначения и применения мер защиты, что возможно исключительно при наличии постоянного мониторинга за состоянием объектов поверхности.

1. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланцевых месторождениях. - Утв. Минуглепром СССР 30.12.87. - М.: Недра, 1989. - 96 с.

2. Методические указания по наблюдениям за сдвижением горных пород и за подрабатываемыми сооружениями. - Л.: ВНИМИ, 1987. - 183 с.

3. ГСТУ 101.00159226.001-2003 Правила подработки зданий, сооружений и природных объектов при добыче угля подземным способом / Введ. 01.01.04. - К.: Мшпаливенерго Украши, 2004. - 127 с.

4. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми объектами на угольных и сланцевых месторождениях - Утв. МУП СССР 30.12.87. - М.: Недра, 1989. - 17 с.

5. Гавриленко Ю.Н. Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины / Ю.Н. Гавриленко, В.Н. Ермаков. - Донецк: НОРД-ПРЕСС, 2004. - 631 с.

F.M. Golubev, L.A. Ivanova

Methods for inspecting buildings in zones of influence of concentrated deformations of the earth's surface caused by underworking the earth's surface and the flooding of mine workings.

This article describes the mechanism of deformation processes that appear on the earth's surface during mining and flooding of coal mines in the Central region of Donbass. A method for determining the places of manifestation of the most dangerous deformations has been developed and a method has been proposed for conducting surveys of buildings in the zones of influence of concentrated deformations of the earth's surface, which can be used when conducting surveys of buildings during their part-time work and in conditions of mine liquidation.

Keywords: displacement of the earth's surface, flooding of mine workings, liquidation of mines, preservation of buildings, formation of a ledge.

Республиканский академический научно-исследовательский и Получено 27.10.2021

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

Republican Academic Research and Design Institute of

Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying

(RANIMI), Donetsk

den92kytepov@mail.ru