CC BY
9ISSN 0136-4545 !Ж!урнал теоретической и прикладной механики.
№2 (79) / 2022.
ГЕОМЕХАНИКА, РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД, РУДНИЧНАЯ АЭРОГАЗОДИНАМИКА И ГОРНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА
УДК 622.831, 622.23.02
doi:10.24412/0136-4545-2022-2-39-45
EDN:ELFNEE
©2022. Ф.М. Голубев, Е.А. Бардакова
МЕТОДИКА ПРОГНОЗА ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЗАТОПЛЕНИИ ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТОК ЛИКВИДИРУЕМЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
В статье представлены результаты исследований состояния зданий на горных отводах шахт, особенности расчета трубопроводов на устойчивость, зависимости оседаний земной поверхности от глубины затапливаемых горных выработок. Предложен новый подход к определению исходных параметров влияния затопления горных выработок на оседания земной поверхности. Обоснована важность визуального и инструментального мониторинга.
Ключевые слова: сдвижения земной поверхности, затопление горных выработок, ликвидация шахт, здания, трубопроводы.
Введение. В основных угледобывающих районах Донбасса в последние годы происходит массовое закрытие угольных шахт и восстановление природного гидрогеологического баланса. При "мокрой консервации"неизбежно происходит увлажнение трещиноватых горных пород над очистными выработками и последующая потеря ими значительной доли своих прочностных свойств. Это, в свою очередь, приводит к повторной активизации процесса сдвижения земной поверхности и может вызвать деформации, расположенных на этой территории зданий, сооружений, коммуникаций и природных объектов. Величина такой активизации связана с объёмами выработанного пространства. В зависимости от геологических и горнотехнических условий существующие и ликвидированные шахты ДНР отрабатывают от 1 до 28 пластов. С 2016 года по настоящий момент прогнозы активизации деформаций земной поверхности, вызванной затоплением горных выработок, с определением предельно допустимой глубины затопления и оценка безопасной эксплуатации зданий и сооружений выполнены для более 60 шахт (рис. 1).
Величины оседаний, зафиксированные при инструментальных наблюдениях над затопленными выработками, невелики, однако следует учитывать тот факт, что, даже в результате первичной подработки земной поверхности, горизонтальные деформации для целого ряда коммуникаций и зданий приближа-
Рис. 1. Расположение планируемых к ликвидации и ликвидированных угледобывающих предприятий ДНР
ются к предельным, и их увеличение на 10-15% может привести к нарушению эксплуатационной пригодности объектов поверхности. Результаты обследования нескольких тысяч зданий, расположенных в различных районах ДНР, показывают, что существенная часть жилого фонда республики серьезно пострадала при подработке очистными выработками угольных шахт (табл. 1).
Таблица 1.
Деформационный ресурс зданий в различных районах ДНР
кр Торез, Снежное, % Горловка, % Енакиево, %
0 7 2 3
0,1-0,3 13 12 17
0,45-0,75 78 76 78
1 2 10 1
По результатам обследования более 2000 зданий можно сделать вывод о том, что от 14% до 21% зданий и сооружений в городах Республики находятся в аварийном и предаварийном состоянии. При этом следует отметить, что согласно анализу составов горных массивов в различных районах Донбасса, более 65% горных пород, слагающих толщу основных угледобывающих районов ДНР, представлены песчаными и глинистыми сланцами (рис. 2). Исследованиями Е.И. Питаленко, В.В. Васютиной, Н.А. Кутеповой и ряда других авторов установлено, что при влагонасыщении прочностные свойства глинистых и песчаных сланцев снижаются в 1,5-2 раза. Это несомненно приведет к активизации геомеханических процессов, и окажет разрушительное воздействие на здания и сооружения, находящиеся в аварийном и предаварийном состоянии.
Не менее остро стоит вопрос с сохранностью коммуникаций. Нормативные допустимые показатели для ряда подземных коммуникаций не превышают
2 • 10"3 мм/м. При этом, стоит отметить, что во время подработки массивов под трубопроводами различного назначения, в городах более 30 лет оказывалось последовательное воздействие на небольшие участки коммуникаций, а нормативные показатели рассчитаны без учета влияния коррозии, технических дефектов и нарушений условий прочности и надежности эксплуатации.
Рис. 2. Процентный состав основных типов горных пород в различных районах Донбасса
1. Учет влияния и прогнозирование возможных оседаний. Наиболее перспективным способом определения устойчивости трубопровода является расчет его напряженного состояния и определение предельных параметров разрушения с учетом технических характеристик трубопроводных коммуникаций. Применение данного способа реализуется по следующему алгоритму:
Стпр < шЕу, (1)
где опр - максимальное продольное растягивающее напряжение в газопроводе от воздействия внутреннего давления, температурного перепада и влияния подработки, МПа; Ку - расчетное сопротивление материала труб и соединительных деталей по пределу текучести; т - коэффициент условий работы, учитывающий влияние подработки.
Продольное растягивающее напряжение в газопроводе от внутреннего давления определяется по формуле:
ц х рп х Бвн /гЛ
^ =-2*-' (2)
где ц - коэффициент поперечной деформации Пуассона в упругой стадии работы металла; рп - максимальное проектное давление газа; ^вн - внутренний диаметр газопровода; 5 - толщина стенок труб.
Продольное напряжение в газопроводе от температурного перепада определяется по формуле:
ог = Е0аМ, (3)
где Е0 - модуль упругости стали для труб; а - коэффициент линейного расширения; АЬ - температурный перепад газопровода, принимаемый равным разности между средней температурой наружного воздуха в теплое время года (28°С согласно ДБН В.1.2-2:2006, 18°С согласно данным эксплуатирующей организации) и температурой газа 10°С.
Если газопровод пересекает мульду сдвижения, то максимальные напряжения в газопроводе на растянутых участках определяются по формуле:
где Е - модуль упругости стали; Ао - максимальные перемещения газопровода на растянутых участках, м; 1т - участок безусловных деформаций с учетом изгиба трубы за зоной влияния горных работ, м.
Как для зданий, так и для трубопроводов в условиях массового закрытия шахт становится актуальной разработка мер защиты. Для зданий к таким мерам можно отнести усиление фундаментов, стяжку стен металлическими поясами, установку дополнительных опор, заделку повреждений полимерцементным раствором и др [3].
Для трубопроводов же к таким мерам можно отнести вскрытие, вварива-ние компенсационных катушек, замену проблемных участков на полиэтиленовые трубы нового образца.
Стоит также отметить важность проведения инструментальных и визуальных наблюдений за деформациями земной поверхности и объектами поверхности, для анализа негативного влияния на них ликвидируемых шахт в процессе затопления горных выработок. Ввиду того, что сроки и интенсивность влияния изучены крайне слабо, снижение деформационного ресурса ряда обследованных зданий может произойти задолго до поднятия шахтных вод на проектную отметку. В таких случаях для отдельных зданий необходимо назначение дополнительных оперативных мер защиты воизбежание аварийных ситуаций и сохранения жилого фонда республики.
Необходимость постоянного мониторинга при массовой активизации процесса сдвижений связана с проблематичностью прогноза мест и величины проявления максимальных сдвижений. Согласно нормативному документу [1] для расчета прогнозных оседаний используется классическая формула, приведенная в отраслевом стандарте «Правила подработки... » [2], при этом фактическая мощность пласта заменяется на остаточную мощность, которая вычисляется по формуле:
где К\ - коэффициент, зависящий от степени метаморфизма углей (угли марки А - К1 = 1,0; угли марок ТС, Т, ОС, КС, КЖ, К, Ж - К1 = 0,8; угли марок ГЖС, ГЖ, Г, ДГ, Д - К1 = 0, 6); К2 - коэффициент, зависящий от последующих подработок горной выработки нижележащими пластами (К2 = 1, 0, если выработка не была подработана; К2 = 0,8, если выработка подработана
(4)
то = К1 • К2 • К3 • К4 • К5 • тв,
(5)
одним пластом; К2 = 0, 5, если выработка была подработана 2-мя и более пластами); К3 - коэффициент, зависящий от наличия пустот и зон разуплотнений (принимается по результатам дополнительных исследований); К4 - коэффициент зависящий от обводнения горных пород (К4 = 0, 5, если горные выработки затоплены, и К4 = 1, 0, если горные выработки не затоплены); К5 - коэффициент, зависящий от глубины горных работ (К5 = 1, 0, если Н < 100м, К5 = 0, 5 при Н в пределах 101-200 м, К5 = 0, 3 при Н в пределах 201-300 м, К5 = 0,1 при Н в пределах 300-500 м, если > 500м, К5 = 0); тв - вынутая мощность пласта, м.
Результаты анализа существующей методики позволяют выделить ее следующие недостатки:
• отсутствие четких критериев использования коэффициента пустотности Кз;
• отсутствие возможности учета влияния глубоких горных выработок (при глубинах более 500 метров К5 = 0) при расчете вызванных затоплением угольных шахт оседаний земной поверхности, что опровергается исследованиями Е.И. Питаленко [4];
• отсутствие возможности учитывать воздействие литологического состава затапливаемого горного массива на характер деформаций;
• несоответствие параметров определения продолжительности процесса сдвижения и параметров расчета величины оседаний земной поверхности (продолжительность процесса сдвижения позволяет прогнозировать сроки активизации при затоплении выработок с глубиной до 1000 метров, а метод расчета максимальных оседаний позволяет учитывать лишь выработки с глубиной менее 500 метров).
Данные недостатки подтверждаются существующими визуальными наблюдениями за зданиями и сооружениями городов Центрального и Торезо-Снежнян-ского районов Донбасса с 2012 года по 2021 годы. Стоит отметить, что здания с наименьшим деформационным ресурсом расположены на территориях, подрабатываемых очистными выработками с глубинами более 500 метров, и даже незначительные сдвижения в этих районах могут вызвать аварийную ситуацию.
Отсутствие достаточного количества инструментальных наблюдений делает актуальным исследование вопроса влияния глубины отработки горных выработок на характер оседаний земной поверхности на конечно-элементных моделях.
Для определения принципиальной схемы модели использовались исследования Борисова А.А., Казаковского Д.А., Кузнецова Г.Н. и ряда других ученых. При проведении моделирования для получения адекватных результатов учитывалось наличие зон беспорядочного разрушения, упорядоченного обрушения, изгибов, в каждой зоне задавались соответственные свойства массива.
В зоне интенсивного разрушения массив моделировался материалом со свойствами разрушенной породы. В зоне упорядоченного обрушения моделировался
крупноблочный массив. В зоне изгибов моделировалась сплошная среда со свойствами пород согласно стратиграфическому разрезу.
Поскольку конечной задачей являлось моделирование поведения массива в результате затопления выработанного пространства, область упорядоченного обрушения задаётся тремя зонами, свойства массива в каждой зоне изменяются в зависимости от уровня затопления. Величина этих зон определялась на базе исследования [5].
Граничные условия модели задавались следующим образом: на нижней плоскости моделируемой области отсутствуют вертикальные перемещения; на боковых гранях отсутствуют перемещения в перпендикулярных направлениях; верхняя грань моделируемой области свободна.
По результатам моделирования были получены зависимости параметров оседаний земной поверхности от глубины затопления при различных размерах зон водопроводящих трещин над лавой, которые приведены в таблице 2:
Таблица 2. Зависимости величины оседаний земной поверхности от глубины отработки ликвидированной выработки Н, м
Величина зоны водопроводящих трещин Зависимость
50 г] = -35.6 • ^(Н) + 132.4
100 г) = -67.6 • ^(Н) + 253.4
150 г] = -98.3-^(Н) +367.5
200 т] = -118 • ^(Н) +441
Анализ всех основных функций позволяет утверждать, что влияние затопления глубоких горных выработок (с глубиной более 500 метров) при отработке свит угольных пластов может представлять опасность для зданий и сооружений, находящихся на поверхности над горными отводами и ранее подработанными очистными выработками. Более того, анализ приведенных функций позволяет сделать вывод о том, что даже затопление горных выработок с глубинами более 1000 метров в некоторых случаях способно провоцировать сдвижения земной поверхности.
Выводы. Результаты исследований подчеркивают не только факт увеличения величины оседаний земной поверхности по сравнению с проектными, но и вероятность увеличения зоны влияния затапливаемого предприятия. Увеличение зоны сдвижения земной поверхности следует учитывать при закладке наблюдательных станций. Это позволит повысить качество мониторинга за сдвижениями земной поверхности и исключить вероятность размещения опорных реперов в зоне влияния горных работ, что способно привести к существенному искажению результатов. Изменение расчетных зон влияния затопления горных выработок на объекты поверхности позволит заблаговременно разрабатывать меры защиты зданий и производить мероприятия по защите магистральных подземных трубопроводов, что даст возможность минимизировать вероятность аварийных ситуаций, связанных со сдвижением земной поверхности от затопле-
ния горных выработок. Инструментальные наблюдения следует организовать не только при помощи грунтовых, но и при помощи стенных реперов, устанавливаемых в зданиях, расположенных в зонах влияния глубоких горных выработок. Это позволит оперативно определить параметры влияния затапливаемых горных выработок на земную поверхность и сформировать новые представления о работе системы грунт-здание.
1. Ликвидация угольных шахт. Защита земной поверхности от затопления горных выработок. Рекомендации: КД 12.12.004 - 98: Утв. Министерством угольной промышленности Украины 20.12.98. - Донецк, 1998. - 46 с.
2. ГСТУ 101.00159226.001-2003. Правила подработки зданий, сооружений и природных объектов при добыче угля подземным способом. - Введ. 01-01-2004. - К., 2004. - 128 с.
3. Шнеер В.Р. Защита объектов поверхности от влияния ликвидируемых шахт / В.Р. Шне-ер, Т.И. Рахманова, Е. Т. Сушко, Е.В. Блинникова // 13th International Congress of the International Society for Mine Surveying, Budapest, Hungary, 24-28 September 2007. - Budapest, 2007. - 039.
4. Питаленко Е.И. Опыт геомеханических мониторингов на территории ликвидируемых шахт Донбасса / Е.И. Питаленко, А.В. Шиптенко, М.Д. Рожко // Горный информационно-аналитический бюллетень. - Москва, 2007. - №2. - С. 155-160.
5. Мохов А.В. Морфология зон водопроводящих трещин сдвижения на участках подземных разработок каменноугольных залежей / А.В. Мохов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - Москва, 2008. - №1. - С. 273-280.
P.M. Golubev, H.A. Bardakova
Method for predicting ground subsidence in case of flooding with water production workings in abandoned coal mines.
This article presents the results of studies of the condition of buildings on the mining branches of mines, the specifics of the calculation of pipelines for stability, the dependence of subsidence of the Earth's surface on the depth of flooded mine workings. A new approach to determining the initial parameters of the influence of flooding of mine workings on the subsidence of the Earth's surface is proposed. The importance of visual and instrumental monitoring is substantiated. Keywords: ground movement, flooding mine workings with water, mine abandonment, buildings, pipelines.
Республиканский академический научно-исследовательский и Получено 27.12.2021
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
ranimi@ranimi.org
