CC BY
15
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2020;(3-1):246-254 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 622 DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-246-254
ОБОСНОВАНИЕ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЗАСТРОЙКЕ ТЕРРИТОРИЙ НАД СТАРЫМИ ГОРНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ КОМПЛЕКСНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
С.В. Усанов1, А.В. Усанова1
1 Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН)
Аннотация: Область деформирования земной поверхности от подземных горных выработок обобщенно называют подработанной территорией. Однако условия подработки поверхности весьма разнообразны, и поэтому деформирование поверхности протекает с широчайшим спектром особенностей. Это обуславливает трудности для определения возможности застройки, экспертность выбора мероприятий по обеспечению безопасности, отсутствие унификации методов и результатов исследования, а также существенный разрыв между результатами исследований и запросами проектировщиков. Такие разрывы связаны с тем, что невозможно построить прямые зависимости между качественными и количественными характеристиками процесса сдвижения, а также связать их с конструкциями сооружений. На примере исследования Шершневского месторождения геофизическими методами произведена оценка структурных изменений приповерхностного слоя до глубины 12 м. Выявлены области предполагаемого существования старых вертикальных и горизонтальных горных выработок. Авторами предложен вариант решения связи зависимостей качественных и количественных характеристик путем составления рейтингов подработанных территорий, которые обеспечат связь с параметрическими характеристиками строящихся зданий и сооружений. Предложен ряд необходимых общих и специальных мер безопасности при эксплуатации подработанных территорий от старых шахт.
Ключевые слова: подработанная территория, подземные горные выработки, сдвижение земной поверхности, застройка, меры безопасности, рейтинг.
Благодарность: Работа выполнена в рамках Госзадания № 075—00581—19—00 Тема № 0405-2019-0007.
Для цитирования: Усанов С.В., Усанова А.В. Обоснование мер безопасности при застройке территорий над старыми горными выработками по результатам комплексных исследований // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 3-1. — С. 246-254. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-246-254.
Justification of safety measures at the construction of territories over old underground mining by the results of complex researches
S.V. Usanov1, A.V. Usanova1
1 The Institute of Mining of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russia
© С.В. Усанов, А.В. Усанова. 2020.
Abstract: The area of deformation of the earth's surface from underground mine workings is generally called the undermined territory. However, the conditions for undermining the surface are very diverse, and therefore the surface deformation takes place with a wide range of features. This creates difficulties for determining the possibility of development, expertise in choosing safety measures, lack of unification of research methods and results, as well as a significant gap in the expectations of developers from the results of the study and design requests. Such gaps are due to the fact that it is impossible to build direct relationships between the qualitative and quantitative characteristics of the displacement process, as well as to relate them to the structures of buildings. On the example of the study of the Shershnevskoye field by geophysical methods, structural changes of the surface layer to a depth of 12 m were evaluated. Identified areas of the alleged existence of old vertical and horizontal mine workings. The authors have proposed a solution to the relationship of the dependences of qualitative and quantitative characteristics by compiling ratings of the developed areas, which will provide a connection with the parametric characteristics of buildings and structures under construction. A number of necessary general and special safety measures are suggested for the operation of the developed areas from old mines. Key words: undermined territory, underground mining, movement of the earth's surface, building, security measures, rating.
Acknowledgement: the Work was performed in the framework of the state assignment No. 07500581-19-00 Theme 0405-2019-0007.
For citation: Usanov S.V., Usanova A.V. Justification of safety measures at the construction of territories over old underground mining by the results of complex researches. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020;(3-1):246-254. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-246-254.
Введение
Деформации земной поверхности от подземных разработок относятся к опасным природным процессам и явлениям ^ 584-ФЗ Технический регламент о безопасности зданий и сооружений). Прогноз максимальных деформаций, характера их развития и времени проявления на застраиваемой территории — сложнейшая задача, обусловленная огромным разнообразием влияющих факторов. Завершенные и универсальные решения этой проблемы отсутствуют. При этом существует ряд методик, позволяющих найти пустоты в подземном пространстве, наблюдать за деформированием поверхности над ними и учитывать совокупность различных данных в геоинформационных системах [1 — 4].
Современные горные работы под населенными пунктами ведутся с закладкой выработанных пространств, либо погашение пустот осуществляется способом изоляции. Горные работы подлежат строгой документации, и их влияние
на поверхность находится под контролем компании, осуществляющей разработку месторождения, и органов Ростех-надзора. Влияние процесса сдвижения от современных горных работ на поверхность поддается прогнозированию и регулировке еще на стадии проектирования горных работ. Поэтому вопросы использования таких подработанных территорий не вызывают особых трудностей. Пустоты от горных работ XVIII — начала XX веков зафиксированы в большинстве своем лишь формально и без подробной технической документации. Как правило, старые горные работы представлены в виде области вокруг выхода даек на поверхность, где запрещается строительство. Поэтому подход к оценке возможности эксплуатации таких территорий зависит от возможностей и опыта специализированных организаций.
Методы исследования
Геофизические исследования, позволяющие сделать выводы о состоянии подземных горных выработок и стадии
развития процесса сдвижения, направлены на поиск и оконтуривание возможных пустот и на исследование параметров области дезинтеграции подработанных горных пород [5 — 9]. Как правило, в подработанном горном массиве пустоты больших размеров — довольно редкое явление. Чаще всего полости от старых шахт находятся в состоянии полного или частичного заполнения, отличаются плотностью заполнителя. Процесс сдвижения с разной интенсивностью и временными интервалами неуклонно движется к окончанию, и подработанный горный массив постепенно приходит в новое равновесное состояние. На основе диагностики стадии процесса сдвижения в массиве геофизическими методами прогнозируется дальнейшее его развитие и возможность застройки подработанного участка.
Контраст свойств пород при использовании геофизических методов позволяет выделить в горном массиве области с нарушениями структуры в результате сдвижения от горных работ и нетронутые области пород [10, 11]. Исследование свойств горных пород позволяет районировать подработанный участок поверхности по степени развития процесса сдвижения в массиве.
В качестве инструментов использованы метод георадиолокации и электротомография. На участке Шершнев-ского золоторудного месторождения методом электротомографии и георадиолокации зондирование проведено по 18 профилям общей протяженностью 2420 м. Исследования позволили выполнить оценку структурных изменений приповерхностного слоя до глубины 12 м, которая является достаточной при исследовании старых горных работ на этом участке [12, 13]. Шаг зондирования составляет 0,5 м. Всего на исследуемом участке проведено 4840 зондирований.
Полученные результаты
По данным георадиолокационного зондирования установлена мощность 1,5 — 2 м приповерхностного слоя, нарушения которого являются индикатором развития дезинтеграционных процессов до поверхности. В местах нарушения этого слоя-индикатора, изменения однородности георадиолокационного разреза прослеживаются до глубин 6 — 11 м. Горные породы в таких местах обладают более слабыми прочностными свойствами. Они характеризуются измененной структурой и отклонениями в составе пород. Природа образования погружений, вероятнее всего, обусловлена проявлениями процесса сдвижения и остатками старых горных выработок. Не исключается и влияние естественных природных процессов, таких как выветривание и метасоматизм.
На плане поверхности участков построены границы, где методом георадиолокации отмечается изменение свойств глубинного разреза. Всего на исследуемом участке выделено девять таких областей: одна протяженностью до 200 м в субширотном направлении, две — протяженностью до 100 м, и шесть локальных областей размерами менее 20 м (рис 1). Вероятнее всего, локальные области дезинтеграции связаны с вертикальными горными выработками, а протяженные области приурочены к горизонтальным горным выработкам.
Обсуждение результатов, основные выводы и рекомендации
Из результатов исследований следует, что вся территория ввиду завершившегося процесса сдвижения и отсутствия крупных пустот пригодна для хозяйственного использования, в том числе для высотной застройки. Тем не менее, на исследованной территории полностью
Условные обозначения предполагаемые незаполненные горизонтальные горные Выработки
азимут преЗполагаемого простирания выработки участки аномальных значений по результатам георадарного зондирования, глубиной до 12 м
^ участки аномальных значений по результатам ССП проекции аномалий от Влияния старых разработок
i по данным электротомографии, предполагаемые
Рис. 1. Участки структурных изменений грунтов под воздействием горных работ, установленные по результатам комплексных геофизических исследований
Fig. 1. Areas of structural changes in soils under the influence of mining, established by the results of complex geophysical studies
исключить развитие деформаций поверхности невозможно, но параметры деформационных процессов будут не опасными. Возможно развитие локальных проседаний поверхности размерами в плане до 1,5 м и глубиной до 1 м. Частота появления таких процессов на всем участке застройки может составлять 1 — 2 события за 15 лет. Продолжительность развития деформации в активной стадии будет составлять от нескольких дней до 2 — 3 недель.
По уровню безопасности площадь участка можно разделить на две категории:
1. Территория полностью безопасна для строительства, но требуется выполнения общих мер безопасности.
2. Территория, где возможны локальные деформационные процессы, не способные вызвать аварийное состояние здания, при застройке которой требуется применение специальных мер безопасности.
Общие меры безопасности при застройке и эксплуатации подработанных территорий от старых шахт:
1. Сваи фундаментов всех зданий на участках подработанного горного массива, выделенных геофизическими исследованиями (рис. 1), должны быть заглублены на 1 метр ниже глубины залегания дезинтегрированных областей;
2. Ежегодно проводить визуальный осмотр состояния территории на предмет проявления деформационных процессов в виде мульд проседания, провалов и т. п. Осмотр проводить 2 раза в год во время весеннего таяния снега (апрель, май) и дождливого осеннего периода (сентябрь, октябрь). Результаты осмотра записывать в журнал технического состояния зданий.
3. Предусмотреть отвод ливневых стоков за территорию застройки.
4. В случае возникновения проседаний немедленно приступить к засыпке
камнем или щебнем с уплотнением его в просадке.
Специальные меры безопасности при застройке и эксплуатации подработанных территорий от старых шахт:
1. При строительстве котлована вскрыть и ликвидировать пустоты, расположенные до глубины 6 м.
2. Перпендикулярно простиранию предполагаемых горизонтальных подземных выработок пробурить серию поисковых скважин глубиной до 6 м и при обнаружении пустот заполнить их жидким бетонным раствором.
3. Предусмотреть повышение запаса прочности ростверка;
4. Проектировать плитно-свайный фундамент, который представляет собой монолитную плиту, подкрепленную сваями в виде свайного поля [14].
Основными конечными результатами исследований состояния подработанного горного массива по отношению к строительству зданий являются районирование территорий по опасности развития деформаций и категорированию допустимой застройки. Однако эти категории оценки опасности строительства почти не имеют связи между категориями оценки безопасности таких документов, как N 384-Ф3, ГОСТ 27751 — 2014 Надежность строительных конструкций и оснований, СП 21.13330.2012 Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах. Так как причинно-следственные связи между этими различными категориями не могут быть установлены, необходимо выявить функциональные связи, которые помогут адаптировать выводы по исследованиям горного массива к безопасности зданий на подработанных территориях.
Функциональную взаимосвязь между такими категориями, как:
• форма проявления деформаций на поверхности;
характеристика беформаций
Рис. 2. Схема перехода от эмпирических данных к рейтингу подработанных территорий Fig. 2. Scheme of the transition from empirical data to the ranking of undermined territories
• площадь деформирующейся территории;
• период после окончания горных работ;
• стадия процесса сдвижения;
• конструктивные особенности застройки;
• назначение сооружения (промышленное, социальное, жилое);
• допустимые деформации;
• уровень ответственности зданий;
• класс сооружений;
• долговечность конструкций и оснований сооружений
• предельные состояния;
и др. возможно создать с использованием нескольких дифференциальных градаций (рейтинг). Например, рейтинг
подработанных территорий по четырем критериям процесса сдвижения (ри^ 2). Данные для этой градации устанавливаются с помощью инструментальных исследований геомеханического состояния подработанных горных массивов [15, 16].
Заключение
Геоинформационные системы подработанных территорий позволяют систематизировать, структурировать и накапливать информацию о геологическом строении, структуре горного массива, наличии подземных горных выработок [17]. В ГИС визуализируется информация: о местоположении, количестве и характере подземных горных выра-
боток, зданиях и сооружениях, находящихся вблизи или непосредственно над горными выработками и участками, опасными по образованиям провалов. Данные, сформированные в ГИС, позволяют оценивать возможность для нового строительства, реконструкции или переноса в более благоприятные условия размещения промышленных или городских зданий и сооружений. Для анализа данных, используемых в ГИС, необходимо введение рейтингов, обеспечивающих переход от эмпирических данных к обоснованным оцен-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
кам и рекомендациям по застройке. Рейтинги подработанных территорий могут быть составлены в автоматизированном виде при пополнении модели соответствующими данными (рис. 2). Следующим шагом исследований необходимо составить связи между рейтингами подработки и такими параметрами, как конструктивные особенности застройки, назначение сооружения, уровень ответственности зданий, класс сооружений, долговечность конструкций и оснований сооружений, предельные состояния.
1. Усанова А.В. Геомеханическая информационная модель влияния ликвидированного подземного рудника в г. Верхняя Пышма / А.В. Усанова, С.В. Усанов // Маркшейдерия и недропользование. — 2014. — №5. — C. 38—40.
2. Панжин А.А. Геомеханическое обеспечение безопасной эксплуатации зданий и сооружений в области влияния горных работ / А.А. Панжин, С.В. Усанов// Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2004. — №6. — М. — C. 179—184.
3. Усанов С.В. Подработанные подземными работами территории в г. Березовский и оценка возможности их использования / С.В. Усанов// Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2010. — № 10. — C. 349 — 352.
4. Давыдов В.А. Применение малоглубинной сейсморазведки для изучения подработанных территорий / В.А. Давыдов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2010. № 4. С. 111 — 116.
5. Усанов С.В. Геоэлектрическое моделирование геомеханических процессов на подрабатываемых территориях [Текст] / С.В. Усанов, А.А. Кашкаров // Маркшейдерский вестник. — 2001. — № 1—2. — С. 62 — 67.
6. Геомеханическая оценка возможности использования подработанных территорий [Текст]: автореф. дис. канд. техн. наук/ С.В. Усанов // Екатеринбург: Издательство УрГУ, — 2011. — 22 с.
7. Колесников В.П. Инженерно-геофизические исследования в условиях подработанных территорий / Колесников В.П., Пригара А.М., Татаркин А.В., Филимончиков А.А. // Инженерные изыскания. — 2012, — № 9. С. 69 — 77.
8. Sara L. Dougherty. The LArge-n Seismic Survey in Oklahoma (LASSO) experiment. / Sara L. Dougherty, Elizabeth S. Cochran, Rebecca M. Harrington // Seismological Research Letters. United States Kansas, Oklahoma — 2019, Vol 90 (5) pp. 2015 — 2057 DOI: 10.1785/0220190094.
9. Turney J.E. Subsidence above inactive coal mines: information for the homeowner / J.E. Turney, Ai Amundson, Celia Greenman, Bruce K. Stover // Colorado division of reclamation, mining and safety and the Colorado geological survey. Denver, Colorado — 2009, 34 p.
10. Baryakh A.A. Seismic and geomechanical monitoring of transport infrastructure on undermined territories / Baryakh A.A., Sanfirov I.A., Yaroslavtsev A.G. // Procedia Engineering. — 2017. pp. 325—331.
11. Mustafin M.G. Earth surface monitoring on undermined territories / Mustafin M.G., Grischenkova E.N. // Innovation-Based Development of the Mineral Resources Sector:
Challenges and Prospects — 11th conference of the Russian-German Raw Materials, 2018 11th. — 2019. pp. 95 — 102.
12. Сначёв В.И. Золоторудные объекты золото-сульфидно-кварцевой формации Челябинского рудного района /В.И. Сначёв, Н.С. Кузнецов //Геологический сборник. — Институт геологии уфимского научного центра РАН. — 2011 — Юбилейный выпуск, № 9. — С. 201—207.
13. Вишев И.И. Южноуральское золото. XXI век / Челябинск. — 2004. — 148 с.
14. Оржеховский Ю.Р. Плитно-свайные фундаменты, применение и перспективы /Ю.Р. Оржеховский, А.С. Ярдяков // Электронный ресурс. Режим доступа http:/^www.uralnias.ru/ psf2.html.
15. Donald Sweetkind. Status of three-dimensional geological mapping and modeling activities in the U.S / Donald Sweetkind, Russell Graymer, D.K. Higley, and Oliver S. Boyd. // Geological Survey AER/AGS Special Report 112. — 2019 pp. 278—289.
16. Зимич В.С. Классификация подработанных территорий по степени их пригодности для дальнейшего использования в хозяйственных целях /Зимич В.С., Иофис М.А., Гришин А.В. // Нау^ пращ УкрНДМ1 НАН УкраУни. — 2011. № 9 — 1. — С. 236—244.
17. Vlado Cetl. New Trends in Geospatial Information: The Land Surveyors Role in the Era of Crowdsourcing and vgi current state and practices within the land surveying, mapping and geo-science communities / Vlado Cetl, Charalabos loannidis, Sagi Dalyot, Yerach Doytsher, Yaron Felus, Muki Haklay, Hartmut Mueller, Chryssy Potsiou, Enrico Rispoli and David Siriba // International Federation of Surveyors. Copenhagen, Denmark — 2019, 124 p. B3S
REFERENCES
1. Usanova A.V., Usanov S.V. Geomechanical information model of the impact of a liquidated underground mine in the city of Verkhnyaya Pyshma. Markshejderiya i nedropol'zovanie. 2014. no 5. pp. 38 — 40. [In Russ]
2. Panzhin A.A., Usanov S.V. Geomechanical maintenance of safe operation of buildings and structures in the field of influence of mining operations. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2004. no 6. pp. 179 — 184. [In Russ]
3. Usanov S.V. Territories Underworked by underground works in the city of Berezovsky and assessment of the possibility of their use. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2010. no 10. pp. 349—352. [In Russ]
4. Davydov V.A. Application of shallow-depth seismic survey for the study of sub-developed territories. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Gornyj zhurnal. 2010. no 4. pp. 111 — 116. [In Russ]
5. Usanov S.V., Kashkarov A.A. Geoelectric modeling of geomechanical processes in the territories under cultivation. Markshejderskij vestnik. 2001. no 1 — 2. pp. 62 — 67. [In Russ]
6. Usanov S.V. Geomekhanicheskaya ocenka vozmozhnosti ispol'zovaniya podra-botannyh territorij [Geomechanical assessment of the possibility of using sub-developed territories]: avtoref. dis. kand. tekhn. nauk. Ekaterinburg: Izdatel'stvo UrGU, 2011. 22 p. [In Russ]
7. Kolesnikov V.P., Prigara A.M., Tatarkin A.V., Filimonchikov A.A. Engineering and geophysical research in the conditions of sub-developed territories. Inzhenernye izyskaniya. 2012, no 9. pp. 69—77. [In Russ]
8. Sara L. Dougherty. The LArge-n Seismic Survey in Oklahoma (LASSO) experiment. / Sara L. Dougherty, Elizabeth S. Cochran, Rebecca M. Harrington. Seismological Research Letters. United States Kansas, Oklahoma 2019, Vol 90 (5) pp. 2015—2057 DOI: 10.1785/ 0220190094.
9. Turney J.E. Subsidence above inactive coal mines: information for the homeowner / J.E. Turney, Ai Amundson, Celia Greenman, Bruce K. Stover. Colorado division of reclamation, mining and safety and the Colorado geological survey. Denver, Colorado 2009, 34 p.
10. Baryakh A.A., Sanfirov I.A., Yaroslavtsev A.G. Seismic and geomechanical monitoring of transport infrastructure on undermined territories. Procedia Engineering. 2017. pp. 325 — 331.
11. Mustafin M.G. Earth surface monitoring on undermined territories /Mustafin M.G., Grischenkova E.N.. Innovation-Based Development of the Mineral Resources Sector: Challenges and Prospects 11th conference of the Russian-German Raw Materials, 2018 11th. 2019. pp. 95 — 102.
12. Snachyov V.I., Kuznecov N.S. Zolotorudnye ob'ekty zoloto-sul'fidno-kvarcevoj formacii CHelyabinskogo rudnogo rajona [Gold-Ore objects of the gold-sulfide-quartz formation of the Chelyabinsk ore district]. Geologicheskij sbornik. Institut geologii ufimskogo nauchnogo centra RAN. 2011 Yubilejnyj vypusk, no 9. pp. 201 — 207. [In Russ]
13. Vishev I I. Yuzhnoural'skoe zoloto. XXI vek [South Ural gold. XXI century]. CHelyabinsk. 2004. 148 p. [In Russ]
14. Orzhekhovskij Yu.R., Yardyakov A.S. Plitno-svajnye fundamenty, primenenie i perspektivy [Plate-pile foundations, application and prospects]. Elektronnyj resurs. Rezhim dostupa http://www.uralnias.ru/psf2.html. [In Russ]
15. Donald Sweetkind. Status of three-dimensional geological mapping and modeling activities in the U.S / Donald Sweetkind, Russell Graymer, D.K. Higley, and Oliver S. Boyd. Geological Survey AER/AGS Special Report 112. 2019 pp. 278—289.
16. Zimich V.S., Iofis M.A., Grishin A.V. Klassifikaciyapodrabotannyh territorijpo stepeni ih prigodnosti dlya dal'nejshego ispol'zovaniya v hozyajstvennyh celyah [Classification of under-worked territories by the degree of their suitability for further use in economic purposes]. Naukovi praci UkrNDMI NAN Ukraini. 2011. no 9—1. pp. 236—244.
17. Vlado Cetl. New Trends in Geospatial Information: The Land Surveyors Role in the Era of Crowdsourcing and vgi current state and practices within the land surveying, mapping and geo-science communities / Vlado Cetl, Charalabos Ioannidis, Sagi Dalyot, Yerach Doytsher, Yaron Felus, Muki Haklay, Hartmut Mueller, Chryssy Potsiou, Enrico Rispoli and David Siriba. International Federation of Surveyors. Copenhagen, Denmark 2019, 124 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Усанов Сергей Валерьевич1 — кандидат технических наук, заведующий лабораторией сдвижения горных пород, usv@igduran.ru,
Усанова Анна Витальевна1 — научный сотрудник, anne.usanova@gmail.com, 1 Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН), 620075 г. Екатеринбург, ГСП-219, Мамина-Сибиряка 58. Для контактов: Усанов С.В.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
UsanovS.V.1, Cand. Sci. (Eng.), head of the laboratory of rock movement, usv@igduran.ru, Usanova A.V.1, research associate, anne.usanova@gmail.com,
1 The Institute of Mining of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences, 620075, Ekaterinburg, Russia. For contacts: Usanov S.V.
Получена редакцией 21.11.2019; получена после рецензии 09.02.2020; принята к печати 20.03.2020. Received by the editors 21.11.2019; received after the review 09.02.2020; accepted for printing 20.03.2020.
