CC BY
46
ЭКОЛОГИЯ
УДК 556.3: 622.831.6
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОВАЛОВ НАД ГОРНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ ЗАКРЫТЫХ ШАХТ
П.Н. Должиков, М.В. Прокопова, Н.В. Хамидуллина
Приведены результаты натурных исследований провалов в Ростовской области, определены их параметры и условия формирования. По результатам исследований типизированы геологические условия и горнотехнические состояния выработок, для которых определены вероятности формирования провалов. Для рассмотренных условий предложены формулы расчета времени и скорости образования провала.
Ключевые слова: горная выработка, провал, вероятность, время провала.
Опасность образования провалов земной поверхности на полях ликвидируемых угольных шахт Восточного Донбасса является одной из основных проблем, связанной с обеспечением безопасной жизнедеятельности населения Ростовской области. Поэтому натурные исследования условий образования провалов и их параметров имеют важное народнохозяйственное значение [1 - 5].
Необходимо отметить, что наиболее динамично процесс активизации сдвижения горных пород происходит вблизи старых горных выработок, имеющих выход на поверхность. Данный факт объясняется ухудшением свойств слабых глинистых горных пород четвертичных отложений при интенсивном обводнении в период «весна-осень», а также размыванием закладки горных выработок и разрушением их крепления [1, 2, 6, 7].
На территории Восточного Донбасса известно местонахождение более 1320 ликвидированных вертикальных и наклонных стволов, которые были ликвидированы в течение последних 150 лет, в разное время, разными способами и с различным качеством [8]. Всего же число вскрывающих горных выработок может превышать 3 тысячи, фактическое состояние, а зачастую и местонахождение которых остается неизвестным. Маршрутные обследования их незначительной части показывают, что состояние более
40 % стволов является неудовлетворительным, более 15 % полков перекрытия, перемычек, вентиляционных каналов разрушено либо вскрыто с целью незаконной добычи угля или металлолома. На ряде стволов произошли провалы земной поверхности, в которые попадали люди, животные и транспортные средства [6, 7, 9 - 11].
Цель работы - определение условий и параметров образования провалов над горными выработками закрытых угольных шахт.
Комплекс исследований включал в себя визуальные наблюдения за состоянием поверхности образовавшихся породных обнажений; инструментальные наблюдения за изменением геометрических параметров воронки провала с последующей камеральной обработкой результатов исследований и анализ горно-геологических условий аварийных участков земной поверхности.
Для получения полной и достоверной информации об условиях проявления и развития провалов земной поверхности над старыми наклонными горными выработками была проведена работа по установлению геометрических параметров провалов в горно-геологических условиях Шах-тинско-Несветаевского и Шолоховского угленосных районов
Поскольку провалы земной поверхности со временем образовывали сложную форму, то для определения их геометрических параметров были заложены наблюдательные станции, состоящие из профильных линий. За основу принимаются линии, заложенные вдоль оси горных выработок и трех поперечных профилей (рисунок).
Изменение формы проявления воронки провала на поверхности от обнаружения до момента ликвидации: а - форма воронки провала на момент обнаружения; б, в - формы воронок на промежуточных стадиях; г - форма воронки на момент ликвидации; Ц1, Ц2, Ц3, Ц4 - приведенные центры, воронки обрушения; Т1, Т2 - места установки теодолитов; 1-4 - характерные точки на основных профильных линиях; 5-8 -характерные точки на вспомогательных профильных линиях
Для выявления особенностей образования и развития провалов земной поверхности над старыми вскрывающими наклонными горными выработками закрытых угольных шахт были проведены исследования динамики и характера смещений горных пород относительно заложенных профильных линий.
С использованием данной методики были проведены инструментальные наблюдения за провалами земной поверхности, изучение геологических и горнотехнических условий в Шахтинско-Несветаевском и Шолоховском угленосных районах на 60 объектах. Наиболее характерные примеры приведены в табл. 1 .
Анализ полученных данных по провалам земной поверхности над старыми вскрывающими наклонными 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 мощности и горно-геологических свойств вмещающего массива горных пород, горнотехнических условий проведения, поддержания и ликвидации горной выработки и особенно связана с резким ухудшением гидрогеологической обстановки в период «весна - осень»;
- потеря устойчивости приустьевых частей выработок с образованием провалов земной поверхности прямо связана с потерей несущей способности крепи при провоцирующем давлении пород наносов за счет увеличения степени обводнения в результате воздействия поверхностных и шахтных вод;
- характерной особенностью горно-геологических и горнотехнических условий исследованных провалов на земельных отводах ликвидируемых угольных шахт Восточного Донбасса является расположение приустьевых частей вскрывающих наклонных горных выработок в неустойчивых четвертичных покровных отложениях. Они имеют повсеместное распространение и представлены лессовидными, элювиальными и делювиальными отложениями - песчано-глинистым материалом.
Следовательно, натурными исследованиями доказано, что основными факторами влияния на процесс образования провала над горной выработкой являются геологическое состояние вышележащих горных пород и горнотехническое состояние выработки.
Известно, что 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 [10].
Таблица 1
Параметры провалов земной поверхности вблизи наклонных горных
выработок закрытых шахт
Шахтоуправление, шахта, наименование горной выработки Характеристика провалов
А, м 02, м К, м а, град
ШУ имени А.М. Горького, шх. «Горьковская-Южная», людской ходок наклонного вспомогательного ствола по пласту г3 В 1,7 1,5 1,0 82
ШУ имени А.М. Горького, шх. «Горьковская-Южная», наклонный грузовой ствол по пласту /3В 5,5 4,6 9,0 82
ШУ имени А.М. Горького, шх. «Горьковская-Южная», вентиляторный канал наклонного вентиляционного ствола по пласту г3 В 3,5 2,8 2,5 83
ШУ имени А.М. Горького, шх. «Краснонесветаев-ская», наклонный вспомогат. ствол по пласту г3 В 4,0 3,8 5,0 83
ШУ «Калиновское», шх. № 10, наклонный вспомогательный ствол по пласту к2 (83,0 м от устья) 7,0x9,0 6,4x7,9 10, 0 86
ШУ «Мирное», шх. «Наклонная», наклонный главный ствол по пласту /21 5,0 4,6 4,0 83
ШУ «Мирное», шх. «Наклонная», наклонный вспомогат. ствол по пласту 12 (20,0 м от устья) 3,0x5,0 2,6x4,4 0,5 79
ШУ «Несветаевское», шх. № 19, наклонный главный ствол по пласту г3в (8,0 м от устья) 6,5x8,0 5,8x6,6 8,0 85
ШУ «Несветаевское», шх. № 19, наклонный вспомогательный ствол по пласту г3в (40,0 м от устья) 9,0x12 7,9x10,8 10,0 86
Шх. «Самбековская», наклонный шурф №5 по пласту Ъ1\ 6,0 4,8 4,0 81
Шх. «Самбековская», наклонный шурф №7 по пласту Ъ1\ 2,5 2,0 0,8 79
Шх. «Самбековская», шх. №23, наклонный грузовой ствол по пласту К91 3,0 2,4 1,5 79
Шх. «Самбековская», шх. №27, вентиляторный канал наклонного ствола по пласту ¡12 7,0 6,3 8,0 84
Шх. имени С.М. Кирова, наклонный людской ходок восточного бремсберга №6 по пласту к2Н 3,5x4,0 2,9x3,5 4,0 79
Шх. № 3-1 бис (поле шх. «Юбилейная») наклонный главный ствол по пласту 12 (35,0 м от устья) 5,0x3,0 4,5x2,0 2,0 81
ШУ «Восточное-Горняцкое», шх. «Ново-Майка», наклонный шурф по пласту т9 9,0x10,0 8,3x9,6 5,0 82
По проведенным исследованиям на 60 объектах на полях закрытых шахт выделяются четыре состояния массива горных пород, нарушенного горными работами, и указывается вероятность провалообразования (табл.2).
Таблица 2
Состояние подработанного породного массива
Состояние массива горных пород Геологические условия Вероятность образования провалов
Устойчивое Породы не имеют зон ослабления, трещинова-тости (коэффициент крепости пород / = 6), нет подтопления и обрушений в выработку Низкая (0-0,2)
Относительно устойчивое Глинистые породы находятся на глубине 25-30 м со средней крепостью f = 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 _ f < 4, выработка затоплена Высокая (0,5-0,8)
Аварийное В породах имеются тещины и провалы над затопленными выработками, породы кровли обводнены, крепость уменьшилась (^ = 2) Абсолютная (0,8-1,0)
Таблица 3
Горнотехническое состояние наклонных горных выработок
Класс Состояние выработки Характеристика состояния Количество выработок, шт. Вероятность образования провала
I Хорошее Выработка закреплена, деформаций кровли нет, засыпка выполнена на 100% 2 Низкая (0-0,25)
II Удовлетворительное Крепь выработки нарушена, деформации кровли нет, засыпка выполнена на 100% 6 Средняя (0,25 - 0,5)
III Неудовле-творительное Крепления выработки нет, имеются купола обрушений кровли, засыпка частичная, влажная. Возможно затопление 18 Высокая (0,5-0,8)
IV Аварийное Крепления выработки нет, множество куполов обрушений кровли, засыпки нет, выработка затоплена 34 Абсолютная (0,8-1,0)
Поэтому был проведен детальный анализ состояния ликвидированных выработок по результатам бурения скважин или по проектным и архивным документам. Всего было изучено 54 объекта с ликвидированными
60 наклонными выработками. По результатам исследований, а также с учетом известных публикаций [7, 10, 12, 13], установлены критерии состояния выработок и породного массива. Это позволило сделать вывод, по фактическим данным, о вероятности образования провала над выработкой. При этом также учитывалось влияние и других факторов (табл. 3).
На основании полученных результатов предложена зависимость времени образования провала над горной выработкой от геологических и горно-геологических условий:
Тп =(1 - РпРь ) tnw , (1)
где рп, рь - вероятности образования провала над горной выработкой соответственно в зависимости от состояния пород и горной выработки; 1пм> -время деформирования глинистых пород в зависимости от влажности Ж.
Следует отметить, что время деформирования глинистых пород в зависимости от влажности имеет еще и сложную зависимость от геологического строения, степени нарушенности массива и т.д. Эти факторы можно учесть эмпирическими коэффициентами. При влажности близкой к границе текучести, она имеет главное влияние на время и скорость деформирования провала.
Учтем, что скорость деформирования провала определяется отношением его глубины ко времени. При этом глубина провала преимущественно определяется мощностью покровных отложений над выработкой и в общем случае может иметь следующую функциональную зависимость:
Нп = А + АкЖп, (2)
где А0, А\„ п - эмпирические коэффициенты; к - мощность покровных отложений над выработкой; Ж - влажность пород.
Следовательно, скорость формирования провала над горной выработкой может быть описана следующей зависимостью:
у = Ар + АкЖп . (3)
(1 - РпРь) С '
В полученном выражении размерными величинами являются глубина и время, другие - константы деформационного процесса. Поэтому, рассматривая развитие провала от момента t0 до времени I, как ползучесть горных пород, можно записать:
у,
(4)
0 У
где т - реологический показатель деформационного процесса, который может быть определен экспериментально.
Выводы. На основании результатов натурных исследований провалов над горными выработками в Ростовской области определены условия формирования и параметры воронок провалов; типизированы геологиче-
ские условия и горнотехнические состояния выработок, для которых определены вероятности формирования провалов.
Для рассмотренных геологических и горнотехнических условий предложены эмпирические формулы расчета времени и скорости образования провала.
Список литературы
1. Агапов А.Е. Итоги работы Государственного учреждения «ГУРШ» по реализации программы ликвидации особо убыточных шахт и разрезов // Уголь. 2007. № 3. С. 3-8.
2. Косов О.И., Малышева А.А., Соколова О.В. Ликвидация шахт и экологические проблемы Восточного Донбасса // Эколого-экономические проблемы природопользования в горной промышленности. Шахты: ЮРО АГН РФ, 2007. № 10. C. 64.
3. Заключение о возможности ликвидации вертикальных и наклонных стволов шахт ОАО «Ростовуголь». Том 1. Государственный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела. Межотраслевой научный центр ВНИМИ. Северокавказское представительство. Шахты, 2003. 136 с.
4. Заключение о возможности ликвидации вертикальных и наклонных стволов шахт ОАО «Ростовуголь». Том 2. Государственный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела. Межотраслевой научный центр ВНИМИ. Северокавказское представительство. Шахты, 2003. 122 с.
5. Prokopov A., Prokopova M., Rubtsova Ya. The experience of strengthening subsidence of the soil under the existing building in the city of Rostov-on-Don// MATEC Web of Conferences [Электронный ресурс]. 2017. Vol. 32. (International Science Conference SPbWOSCE-2017 «SMART City») URL: doi https: //doi.org/10.1051/matecconf/201710602001.
6. Методическое руководство о порядке выделения провалоопасных зон и выбора комплекса технических мероприятий по выявлению и ликвидации пустот при ликвидации шахт / А.С. Ягунов [и др.] // М.: ИПКОН РАН, 1999. 54 с.
7. Косов О.И. Провалоопасность территорий закрытых шахт Восточного Донбасса // Эколого-экономические проблемы природопользования в горной промышленности. Шахты: ЮРО АГН РФ, 2006. № 9. C. 145.
8. Прокопов А.Ю., Жур В.Н., Рубцова Я.С. Проблемы обеспечения безопасности городской застройки на подработанных территориях Восточного Донбасса// Сергеевские чтения. Инженерная геология и геоэкология. Фундаментальные проблемы и прикладные задачи. Вып. 18. 2016. С. 346 - 351.
9. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланцевых месторождениях. Утв. 30.12.87. Разраб. ВНИМИ / И.А. Петухов [и др.] // М.: Недра, 1989. 96 с.
10. 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. №1. С. 160-169.
11. Прокопов А.Ю., Голик В.И., Масленников С.А. Обеспечение экологической безопасности техногенных отходов// Научное обозрение. 2014. №9. Ч.3. С. 726 - 729.
12. Belodedov A.A., Dolzhikov P.N., Legostaev S.O. Research into Dangerous surface deformations over inclined Shafts of Abandoned Coal-mines // Scientific Reports on Resource Issues. - Freiberg, Germany: TU Bergakademie, 2016. V.1. Р.159-165.
13. Кипко Э.Я., Должиков П.Н., Рябичев В.Д. Комплексная технология ликвидации наклонных горных выработок. Монография. Донецк: Норд-Пресс, 2005. 220 с.
Должиков Петр Николаевич, д-р техн. наук, проф. [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Прокопова Марина Валентиновна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Хамидуллина Наталья Викторовна, ст. преп., natashal972()7()iaimail.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения
FIELD INVESTIGATIONS OF DIPS ABOVE CLOSED MINES P.N. Dolzhikov, M. V. Prokopova, N. V. Hamidullina
The article presents the results of field studies of dips in the Rostov region, their parameters and formation conditions are determined. According to the results of the research, geological conditions and mining conditions of excavations are typified, for which the probabilities of formation of dips are determined. For the considered conditions, formulas are proposed for calculating the time and rate of formation of the dip.
Key words: mining, dip, probability, time of dips.
Dolzhikov Petr Nikolaevich, Doctor of Technical Science, Professor, dolpn@yandex. ua, Rostov-on-Don, Russia, Don State Technical University,
Prokopova Marina Valentinovna, Candidate of Technical Science, Associate Professor, sun210872@yandex. ru, Rostov-on-Don, Russia, Rostov State Transport University,
Hamidullina Natalia Viktorovna, Senior Lecturer, [email protected], Rostov-on-Don, Rostov State Transport University
Reference
1. Agapov A.E. Itogi raboty Gosudarstvennogo uchrezhdenija «GURSh» po realiza-cii programmy likvidacii osobo ubytochnyh shaht i razrezov // Ugol'. 2007. № 3. S. 3-8.
2. Kosov O.I., Malysheva A.A., Sokolova O.V. Likvidacija shaht i jekologicheskie problemy Vostochnogo Donbassa // Jekologo-jekonomicheskie problemy prirodopol'zovanija v gornoj promyshlenno-sti. Shahty: JuRO AGN RF, 2007. № 10. C. 64.
3. Zakljuchenie o vozmozhnosti likvidacii vertikal'nyh i naklonnyh stvolov shaht OAO «Rostovugol'». Tom 1. Gosudarstvennyj nauchno-issledovatel'skij institut gornoj ge-omehaniki i markshejder-skogo dela. Mezhotraslevoj nauchnyj centr VNIMI. Severokav-kazskoe predstavitel'stvo. Shahty, 2003. 136 s.
4. Zakljuchenie o vozmozhnosti likvidacii vertikal'nyh i naklonnyh stvolov shaht OAO «Rostovugol'». Tom 2. Gosudarstvennyj nauchno-issledovatel'skij institut gornoj ge-omehaniki i markshejder-skogo dela. Mezhotraslevoj nauchnyj centr VNIMI. Severokav-kazskoe predstavitel'stvo. Shahty, 2003. 122 s.
5. Prokopov A., Prokopova M., Rubtsova Ya. The experience of strengthening subsidence of the soil under the existing building in the city of Rostov-on-Don// MATEC Web of Conferences [Jelektronnyj resurs]. 2017. Vol. 32. (International Science Conference SPbWOSCE-2017 «SMART City») URL: doi https: //doi.org/10.1051/matecconf/201710602001.
6. Metodicheskoe rukovodstvo o porjadke vydelenija provaloopas-nyh zon i vybora kompleksa tehnicheskih meroprijatij po vyjavleniju i likvidacii pustot pri likvidacii shaht / A.S. Jagunov [i dr.] // M.: IPKON RAN, 1999. 54 s.
7. Kosov O.I. Provaloopasnost' territorij zakrytyh shaht Vo-stochnogo Donbassa // Jekologo-jekonomicheskie problemy prirodopol'-zovanija v gornoj promyshlennosti. Shahty: JuRO AGN RF, 2006. № 9. C. 145.
8. Prokopov A.Ju., Zhur V.N., Rubcova Ja.S. Problemy obespeche-nija bezopasnosti gorodskoj zastrojki na podrabotannyh territorijah Vostochnogo Donbassa// Sergeevskie chten-ija. Inzhenernaja geologija i geo-jekologija. Fundamental'nye problemy i prikladnye zadachi. Vyp. 18. 2016. S. 346 - 351.
9. Instrukcija po nabljudenijam za sdvizheniem gornyh porod, zemnoj poverhnosti i podrabatyvaemymi sooruzhenijami na ugol'nyh i slancevyh mestorozhdenijah. Utv. 30.12.87. Razrab. VNIMI / I.A. Pe-tuhov [i dr.] // M.: Nedra, 1989. 96 s.
10. Belodedov A.A., Dolzhikov P.N., Legostaev S.O. Analiz me-hanizma obra-zovanija deformacij zemnoj poverhnosti nad gornymi vyrabotkami zakrytyh shaht // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle, 2017. №1. S. 160-169.
11. Prokopov A.Ju., Golik V.I., Maslennikov S.A. Obespechenie jekologicheskoj bezopasnosti tehnogennyh othodov// Nauchnoe obozrenie. 2014. №9. Ch.3. S. 726 - 729.
12. Belodedov A.A., Dolzhikov P.N., Legostaev S.O. Research into Dangerous surface deformations over inclined Shafts of Abandoned Coal-mines // Scientific Reports on Resource Issues. - Freiberg, Germany: TU Bergakademie, 2016. V.1. R. 159-165.
13. Kipko Je.Ja., Dolzhikov P.N., Rjabichev V.D. Kompleksnaja teh-nologija likvidacii naklonnyh gornyh vyrabotok. Monografija. Do-neck: Nord-Press, 2005. 220 s.
