МОНИТОРИНГ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРОРМАЦИЙ НАД ЗАТОПЛЕННЫМИ УЧАСТКАМИ ГОРНЫХ РАБОТ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ISSN 0136-4545 !Ж!урнал теоретической и прикладной механики.

№3 (72) / 2020.

УДК 621.1:528:518.5

©2020. Д.В. Кутепов, М.В. Гордиенко, Е.В. Ребенок

МОНИТОРИНГ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРОРМАЦИЙ НАД ЗАТОПЛЕННЫМИ УЧАСТКАМИ ГОРНЫХ РАБОТ

В статье кратко рассмотрены основные задачи и методы мониторинга состояния земной поверхности в зонах сдвижений и деформаций горного массива вследствие мокрой консервации шахт. Приведены примеры наблюдений на шахтах «Красный Октябрь», «Красный Профин-терн», им. Румянцева, расположенных в Центральном геолого-промышленном районе Донбасса.

Ключевые слова: деформации горного массива, сдвижение земной поверхности, зоны влияния деформаций, мониторинг, наблюдательные станции, репер.

Введение. Как известно, добыча угля требует соблюдения не только норм безопасности подземных работ, но и проведения мониторинга техногенной ситуации на поверхности при эксплуатации и последующей ликвидации шахт [1]. Отличительной особенностью Донбасса является сплошная подработка районов жилой и промышленной застройки на территории всех крупных городов и поселков. Ситуация усугубляется тем, что значительное число зданий и сооружений, включая многоэтажную жилую застройку, возведено непосредственно на выходах отработанных угольных пластов. Нередко под фундаментами многоэтажных домов располагаются устья ранее погашенных вскрывающих горных выработок. Такие случаи на поверхности горных отводов ликвидируемых шахт участка Центрального района Донбасса (ЦРД) встречаются массово [1].

Дополнительным фактором активизирующим и ускоряющим процесс оседания земной поверхности является затопление выработанного пространства [5]. В результате боевых действий на большей части территории ДНР водоотливные комплексы частично, либо полностью остановили свои работы, что может привести к существенному оседанию земной поверхности (см. рис. 1). и нанести ущерб зданиям и сооружениям. Процесс подтопления шахты должен быть контролируемым. Это актуальная проблема региона.

В настоящей статье кратко рассмотрены основные задачи, теория и методы мониторинга состояния земной поверхности в зонах сдвижений и деформаций подработанного горного массива. Приведены примеры конкретных наблюдений.

1. Основные задачи мониторинга состояния земной поверхности.

Мониторинг за состоянием земной поверхности позволяет решить широкий ряд задач, среди которых основными являются:

- сбор данных об изменении контролируемых параметров деформации земной поверхности, о динамике природных и техногенных геодинамических процессов;

Рис. 1. Пример деформаций земной поверхности вызванной отработкой угольного пласта и подтоплением на участке шахты им. Румянцева.

- прогнозирование развития геодинамических процессов;

- разработка мер контроля за рисками развития негативных процессов вокруг ликвидируемой шахты;

- разработка рекомендаций по предотвращению или снижению ущерба, связанного с геодинамическими явлениями;

- контроль динамики развития негативных процессов и этапов возникновения критических состояний;

- контроль эффективности инженерно-технологических мероприятий, направленных на предотвращение или ликвидацию последствий опасных геодинамических процессов и явлений;

- оценка эффективности применения профилактических мер по устранению негативных последствий.

2. Теория и методика определения оседаний земной поверхности. Величина оседаний земной поверхности в результате подработки зависит от ряда факторов и может быть оценена с помощью следующего соотношения [1,2]:

Пт = qo mo cos aNiN2, (1)

где

qo - относительная величина максимального оседания, безразмерная величина;

m0 - остаточная мощность пласта, м;

a - угол падения пласта в пределах очистной выработки, градус; Ni, N2 - условные коэффициенты, характеризующие степень подработанно-сти земной поверхности, соответственно вкрест простирания и по простиранию, безразмерные величины. Алгоритм расчета данных коэффициентов приведен в

[3].

Как видно из формулы (1), ключевым параметром, определяющим величину сдвижений, является остаточная мощность, которая вычисляется по формуле:

m = K1 * K2 * K3 * K4 * K5 * m, (2)

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, если выработка не была подработана, К2=0,8, если выработка подработана одним пластом, К2=0,5 если выработка была подработана 2-мя и более пластами);

К3 — коэффициент, зависящий от наличия пустот и зон разуплотнений (принимается после проведения дополнительных исследований);

К4 — коэффициент, зависящий от обводненности горных пород (К4=0,5 — если горные выработки затоплены, и К4=1, если горные выработки не затоплены);

К5 — коэффициент, зависящий от глубины горных работ (Кб=1, если Н<100 метров; К5=0,5 при Н=101-200 метров; К5=0,3 при Н=201-300 метров; К5=0,1 при Н=300-500 метров; если Н>500 метров, К5=0);

тв — отработанная мощность пласта.

Установлено, что поднятие уровня затопления выше глубины 500 м [1] вызывает существенную активизацию процесса сдвижения земной поверхности.

Реальные значения оседаний определяются путем наблюдений, которые проводятся в несколько этапов называемых сериями.

В идеале, закладка и проведение первой серии наблюдений должна выполняться до начала активизации процесса сдвижения. Вторая и последующие серии наблюдений, позволяют получить данные для проведения геодинамического мониторинга на поверхности горных отводов шахт.

Основная проблема, возникающая при создании системы мониторинга и организации маркшейдерских наблюдений за активизацией деформаций земной поверхности закрывающихся шахт, состоит в большой площади участка исследований, трудности прогнозирования времени и мест максимального проявления повторных сдвижений и деформаций. Следовательно, необходимо охватить практически всю площадь территории, подработанной закрытыми шахтами, при оптимальных затратах на выполнение наблюдений.

Для проведения наблюдений закладываются наблюдательные станции. Под наблюдательной станцией понимают сеть реперов заложенных на земной поверхности над горными работами, в фундаментах (цоколях) зданий или на объектах - трубопроводах, рельсах железных дорог, на технологическом оборудовании.

Типичная конструкция репера и его способ закладки представлены на рис. 2. Стандартный репер представляет собой металлический стержень диаметром 20 мм, либо металлическую трубку диаметром не менее 30 мм. Верхние концы реперов изготовленных из стержней, балок или рельсов обтачиваются. В центре высверливаются углубления диаметром 1-2 и глубиной 5-7 мм. К верхнему концу металлической трубки, используемой в качестве репера, приваривают металлическую головку с высверленным отверстием указанных размеров.

а - бетонированные заглубленные, б - бетонированные незаглубленные; 1 - металлический стержень; 2 - сухая плотная засыпка; 3 - граница сезонного промерзания;

4 - бетон

Рис. 2. Конструкция опорных реперов в деформационных геодезических сетях.

Размещение наблюдательной станции на местности выполняется с помощью спутникового геодезического оборудования либо с помощью теодолита и рулетки. При этом выбираются объекты - опорные пункты (не менее 3), отности-ельно которых в дальнейшем будут определяться положения опорных реперов профильной линии.

Места закладки реперов в грунт в населенных пунктах должны быть в установленном порядке согласованы с соответствующими управлениями городского хозяйства (горводопровод, электросеть и др.) [4]. Закладываемые в грунт репера не должны мешать свободному передвижению пешеходов и транспорта.

После закладки наблюдательных станций проводятся измерения.

Первую серию измерений на наблюдательной станции можно начинать не ранее, чем через семь дней после закладки бетонированных реперов и три дня после закладки забивных реперов. Измерение расстояний между реперами профильных линий производится стальными компарированными рулетками длиной 30 м. Измерение длин производится с постоянным натяжением (10 кг), определяемым с помощью динамометров, с замером температуры рулетки термометром с точностью до ±1° на каждом измеряемом интервале. Измерение длин (в первой и в последующих сериях) производится дважды - в прямом и обратном направлениях. При измерении длин больших наклонных интервалов в ветреную погоду стрела провеса рулеток существенно возрастает и изменяется от порывов ветра. В таких случаях следует измерять длины компарированными проволоками.

Следующая серия наблюдений производится не ранее, чем через месяц после

первоначальных измерений. Перед каждым циклом наблюдений относительно опорных пунктов определяются координаты опорных реперов наблюдательных профилей. Полная серия инструментальных наблюдений на наблюдательной станции состоит из нивелирования всех реперов, съемки раскрытия трещин и зазоров. Под нивелированием понимается определение высот расположений реперов и превышений между ними, относительно поверхности, задаваемой опорными реперами.

Работа с каждым приемником на станции включает: центрирование приемника над пунктом с помощью электронного или оптического отвеса, измерение высоты антенны с помощью рулетки, включение приемника и его калибровка. После окончания измерений производят обработку полученных результатов, которая включает вычисление длин базовых линий (расстояний между реперами) и координат реперов в системе координат WGS-84, строгое уравнивание сети по методу наименьших квадратов, трансформирование уравненных координат в государственную или местную (условную) систему координат.

По окончании выполнения процедуры GPS-измерений необходимо переслать накопленные на карте памяти приемника данные в персональный компьютер для дальнейшей обработки. Далее производится предварительная оценка полевых измерений и отбраковка некачественных или лишних измерений. По завершении всех описанных процессов приступают к обработке GPS-данных и определению координат измеренных пунктов.

При анализе результатов необходимо связать во времени маркшейдерские данные и данные гидрогеологических наблюдений. Необходимо, проводить повторные измерения 2 раза в год [4], завершая циклы наблюдений лишь после окончания фиксации изменений значений при измерениях.

3. Наблюдения на полях шахт Донбасса. В настоящее время по описанной выше схеме проводятся наблюдения на полях шахт «Красный Октябрь», «Красный Профинтерн», им. Румянцева, расположенных в Центральном геолого-промышленном районе Донбасса в южном крыле Главной антиклинали Донбасса. Они вызваны необходимостью контроля за активизацией процессов сдвижения в результате затопления горных выработок.

Институтом РАНИМИ была выполнена работа по закладке наблюдательных станций и выполнению двух серий наблюдений за смещением реперов на территории горных отводов шахт "Красный Октябрь", "Красный Профинтерн", "им. Румянцева" в результате которых выполнено определение высотного положения 780 реперов. Рассчитаны расстояния между ними.

Параллельно проведены гидрологические наблюдения.

По данным РП «Донуглереструктуризация» на момент выполнения первой серии наблюдений уровень затопления по шахте «Красный Профинтерн» находится на абсолютной отметке минус 165,3 м - глубина 402,7 м (на 18.04.2019 г.), шахты «Красный Октябрь» - на абсолютной отметке минус 184,7 м - глубина 379 м (на 22.04.2019 г.), шахты им. Румянцева - на абсолютной отметке минус 205,35 м - глубина 474 м (на 23.04.2019 г.).

По данным РП «Донуглереструктуризация» на момент выполнения второй серии наблюдений уровень затопления по шахте «Красный Профинтерн» находится на абсолютной отметке плюс 59,2 м - глубина 177,43 м (на 01.09.2020 г.), шахты «Красный Октябрь» - на абсолютной отметке плюс 40,56 м - глубина 153,64 м (на 01.09.2020 г.), шахты им. Румянцева - на абсолютной отметке минус 4,45 м - глубина 272.95 м (на 21.08.2020 г.).

Результаты изменения уровней затопления по шахтам между первой и второй сериями наблюдений приведены на рисунке 3.

100

1-я ссрня наблюдений

2-я ссрня наблюдений

Рис. 3. График изменения уровней затопления по шахтам «Красный Профинтерн», «Красный

Октябрь», им. Румянцева.

Во второй серии наблюдений зафиксировано изменение уровней затопления на указанных шахтах, что может в свою очередь привести к дальнейшим деформациям и оседанию земной поверхности. В связи с этим работы по мониторингу оседаний земной поверхности на участках данных шахт будут продолжены.

Заключение. Геодинамический мониторинг на горных отводах ликвидируемых шахт дает возможность осуществить сбор наблюдательных данных об изменении контролируемых параметров деформации земной поверхности, осуществить контроль эффективности инженерно-технологических мероприятий, направленных на предотвращение или ликвидацию последствий опасных геодинамических процессов и явлений. Заложенные наблюдательные станций помогут осуществить контроль динамики развития негативных процессов и этапов возникновения критических состояний, а так же дать оценку эффективности применения профилактических мер по устранению негативных последствий. Результаты инструментальных наблюдений могут использоваться при установлении, выборе и уточнении мер охраны зданий, сооружений и природных объектов от вредного влияния активизации деформаций земной поверхности, вызванных затоплением горнодобывающих предприятий.

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. 01.01.04. - К. : Мшпаливенерго Украши, 2004. - 127 с.

3. Правила шдробки буд1вель, споруд 1 природних об'ектав при добуванш вугшля шдземним способом: ДСТУ 101.00159226.001. - 2003. - Затв. Мшпаливенерго Украши 28.11.2003. -Кшв, 2004. - 128 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. Гав-риленко, В.Н. Ермаков. - Донецк: НОРД-ПРЕСС, 2004. - 631 с.

D.V Kutepov, M.V. Gordienko, E.V. Rebenok

Monitoring of mine subsidence and deformations over flooded mining districts.

The article briefly discusses the main tasks and methods of ground surface condition monitoring in the zones of mine subsidence and deformations as a result of preservation of mines by wet method. Case studies of observations for "Krasny Oktyabr "Krasny Profintern and Rumyantsev mines, located in the Central Mining Industrial Region of Donbass are given.

Keywords: rock deformations, mine subsidence, zones of influence of deformations, monitoring, observing station, bench mark.

Республиканский академический научно-исследовательский и Получено 04.11.2020

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

[email protected]