CC BY
54
© Е.И. Питалснко, А.В. Шиптснко, М.Д. Рожко, 2007
УДК 622.831
Е.И. Питаленко, А.В. Шиптенко, М.Д. Рожко
ОПЫТ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ МОНИТОРИНГОВ НА ТЕРРИТОРИИ ЛИКВИДИРУЕМЫХ ШАХТ ДОНБАССА
Семинар № 2
В процессе реструктуризации угольной промышленности Украины намечено закрытие более ста угольных шахт, эксплуатация которых в современных условиях нерентабельна. Массовое закрытие угольных предприятий ведет к возникновению негативных с точки зрения экологической безопасности явлений и процессов. За более чем двухсотлетнюю историю Донбасса было постепенно закрыто и затоплено более 150 шахт с небольшой глубиной и площадью отработки запасов. Инструментальные наблюдения за ликвидацией этих предприятий носили локальный, несистематизированный
характер, поэтому опыт ликвидации данных шахт нельзя применить в полной мере к современным условиям. К старым проблемам, возникающим при ликвидации шахт (подтопление подработанных территорий, провалооб-разование), при одновременном закрытии шахт регионов добавляются новые проблемы, вызванные изменением характера деформирования земной поверхности над выработанным пространством, в связи с изменением физико-механических свойств горных пород при их обводнении, которые приводят к активизации процесса сдвижения.
Активизация процесса сдвижения на ликвидируемых шахтах обусловлена снижением прочностных свойств
горных пород при увлажнении и наличием сохранившихся пустот и расслоений в подработанной толще.
Обводнение горных пород резко снижает их устойчивость: породы
размокают, становятся склонными к сползанию (например, на шахте им. Чеснокова ПО "Стахановуголь" предел прочности при сжатии песчаноглинистого сланца в почве пласта т7 снизился с 70 до 28 МПа, а предел прочности песчаника в кровле пласта т3 при обводнении снизился с 140 МПа до 6,9 МПа.
В процессе подтопления прочностные свойства горных пород уменьшаются, что может привести к потере установившегося равновесия толщи горных пород и активизации процесса сдвижения. В результате возможны деформации земной поверхности, трещины, уступы и провалы [2].
Для изучения, прогноза, предупреждения неблагоприятных изменений окружающей среды должен быть организован постоянный мониторинг территорий ликвидируемых шахт.
Весь мониторинг можно разделить на ряд составляющих, одна из которых
- маркшейдерско-геомеханический мониторинг, основные задачи которого:
- получение экспериментальных данных о наличии или отсутствии сдвижений земной поверхности при затоплении отдельных или группы соседних шахт;
- установление связи между сдвижениями земной поверхности, связанных с активизацией процессов сдвижения при затоплении шахт, с уровнем затопления, глубиной и давностью отработки запасов, углом падения горных пород, наличием разрывных нарушений, рельефом земной поверхности;
- изучение поведения зданий и сооружений, которые получили повреждения при многократной подработке [1].
Исследования характера процесса сдвижения и деформаций земной поверхности от активизации процесса сдвижения при затоплении горных выработок проводились в Стахановском регионе Донбасса, Буденновско-Пролетарском районе г. Донецка, на территории ликвидируемых шахт Центрального района Донбасса (ЦРД).
При организации наблюдений возникали проблемы, связанные с большой площадью участка исследований и сложностью прогнозирования времени и мест сдвижений от активизации. Необходимость охвата большей площади подработки и оптимальных затрат на выполнение наблюдений привела к созданию следующей конструкции наблюдательной сети:
1. Основные профильные линии с относительно большими расстояниями (порядка 100 м), на которых выполнялись высотные измерения. Эти линии пересекали основные структуры шахтных полей, поселков, микрорайонов и ориентированы примерно перпендикулярно простиранию пластов.
2. Специальные наблюдательные станции, которые располагались в местах, где в период отработки были зафиксированы значительные величины сдвижений и деформаций (выхода нарушений и осевых поверхностей складок под наносы, малая глубина разработки, выхода угольных
пластов). Реперы на этих линиях закладывались с интервалом 5-10 м. На них выполнялся полный комплекс наблюдений, т.е. высотные и линейные измерения. Основная задача наблюдений - установление степени влияния затопления горных выработок шахт на активизацию сосредоточенных деформаций.
Для исследования характера развития процесса сдвижения от активизации при затоплении горных выработок Стахановского региона были выбраны щахты им. Ильича, им. И.В. Чеснокова, "Центральная - Ирмино", "Брянков-ская" и "Замковская", охватывающие практически все горно-геологические условия отработки запасов и подрабатывающие густонаселенные территории с большим количеством промышленных объектов, коммуникаций и жилой застройки (табл. 1).
Общая длина наблюдаемых профильных линий на территории затапливаемых шахт Стахановского региона составила 70 900 м.
К сожалению, наблюдения были начаты через 4 года после начала затопления шахт, поэтому значительная часть оседаний активизации могла уже реализоваться. Но, тем не менее, величины оседаний на основных профильных линиях свидетельствуют о достаточно активных сдвижениях массива и земной поверхности спустя 5-6 лет после окончания горных работ. Скорости оседания достигали 1,5 см в месяц. Увеличение оседаний наблюдалось на участках с выходами крутых слоев пород на крыльях складок и на участках с выходами тектонических нарушений.
Создание системы мониторинга в ЦРД - первый опыт исследования характера развития процесса активизации при крутом залегании пластов.
Все ликвидируемые шахты в ЦРД отрабатывали запасы угля в сложных
горно-геологических условиях (табл.
2), т.е. при крутом залегании угольных пластов, наличии дизъюнктивных тектонических нарушений. Как показывают многолетние инструментальные наблюдения, характер развития процесса сдвижения горных пород и земной поверхности в этих условиях протекает неравномерно. Как правило, при этом возникают сосредоточенные деформации земной поверхности, проявляющиеся в виде трещин и уступов. Именно в этих местах и были заложены специальные наблюдательные станции. Общая длина профильных линий составила 8 740 м
За период мониторинга на всех профильных линиях и наблюдательных станциях отмечены сдвижения и деформации, имеющие неравномерный характер и связанные с активизацией процесса сдвижения при затоплении горных выработок или стадией затухания процесса сдвижения от остановленных горных работ. На полях шахт, выработки которых затоплены до проектной отметки, величины оседаний и деформаций больше, чем на полях шахт, находящихся на сухой консервации. На поле шахты "Красный Профинтерн", которая на момент наблюдений была затоплена уже 2 года, максимальные оседания составили 119 мм (18,9 мм/мес), в то же время на поле шахты "Кочегарка", где производилась откачка воды, максимальное оседание составило 69 мм (11 мм/мес).
Увеличение сдвижений и деформаций наблюдалось также в зонах влияния крутопадающих разрывных нарушений, выходов пластов. Толща горных пород, подработанная под территорией Буденновского и Пролетарского районов г. Донецка, нарушена надвигами и сбросами (табл. 3).
Здесь была заложена сеть профильных линий и наблюдательных станций общей протяженностью 28 000 м.
Инструментальными наблюдениями за характером развития процесса сдвижений и деформаций земной поверхности при отработке запасов угля зафиксировано, что Мушкетовский, Марковский, Первомайский, Смоля-ниновский надвиги, надвиг А и мелкоамплитудный надвиг в районе дома № 30 по ул. Раздольной влияют на характер развития деформаций [3].
Интересны результаты, полученные по линии № 6, которая связывает все линии и пересекает поля всех шахт. Максимальные величины оседаний достигают 70 мм. На этой линии (рисунок) можно выделить три достаточно устойчивые микромульды:
1) между Нр 609-622 (1400 м) с максимальным оседанием до 50 мм;
2) между Нр 622-644 (1900 м) с максимальным оседанием до 70 мм;
3) между Нр 644-674 (2900 м) с максимальным оседанием до 25 мм.
Картина образования микромульд свидетельствует о том, что исследуемый участок испытывает деформирование, причины которого не везде достаточны ясны. Первая микромульда может быть объяснена горными работами шахты «Заперевальная» № 1 в 1998-99 гг., а третья - горными работами шахты № 6 «Красная Звезда» в этот же период, но причину второй микромульды достаточно сложно связать с горными работами. Последние горные работы на этом участке были проведены по пласту И3 в 1992-93 гг. Кроме того, участок расположен над уклонными целиками. Возможно, здесь отразилось влияние сбросо-надвига Провиданс.
Интересен факт согласования оседаний с изменением существующего рельефа. На рисунке приведен совмещенный график оседаний и отметок земной поверхности по линии № 6, где оседания трудно объяснить влиянием горных работ. Числовые характеристики данной связи пока не
Таблица 1
Условия проведения геомеханического мониторинга в Стахановском регионе
Зона влияния шахт Тектоника Складчатость Другие осложняющие факторы Кол-во пластов Ср. угол пад., градус Общая вынимаемая мощность, м
Им. Ильича Выхода осевых поверхностей синклинальных складок 8 20-45 7,9
Им. Чеснокова Выход надвига "К-Д" -"- Выход известняка (т=2,5-3,0 м) 10 0,5-60 8,6
Им. Чеснокова, Максимовская Замковая часть антиклинали Горные работы на малых глубинах 5 2-24 3,4
"Центральная -Ирмино", "Максимовская" Выход известняка (т=2,5-3,0 м), выхода пластов 4 10 3,5
"Брянковская", "Криворожская" Выхода 1-го, 2-го, 3го, 4-го Брянковских надвигов, надвига "Ё-К" Выхода осевых поверхностей синклинальных складок Выхода известняков (т=2,5-3,0 м), старые горные выработки (погашенный ствол), горные работы на малых глубинах 10 1-55 8,1
Таблица 2
Условия проведения геомеханического мониторинга в Центральном районе Донбасса
Зона влияния шахт Тектоника Другие осложняющие факторы Кол-во пластов Ср. угол пад., градус Общая вынимаемая мощность, м
1 2 3 4 5 6
"Кочегарка" Зоны влияния Горловского и Крутого надвига 18 68-40 16,1
"Кондратьевка" Зона влияния надвига № 3 Отработка свиты крутопадающих пластов, выхода пластов, известняков 23 65-52 17,9
"Красный Профинтерн" Отработка свиты крутопадающих пластов, выхода пластов, известняков, наличие уступов 23 56-65 17,3
1 2 3 4 5 6
№ 3 ш/у "Александровское" Отработка свиты крутопадающих пластов, зона влияния остаточных деформаций земной поверхности, выхода пластов, старые горные выработки (шурф) 18 54-70 14,7
№ 4 ш/у "Александровское" мелкоамлитудные тектонические нарушения Отработка свиты крутопадающих пластов, выхода пластов 4 64-72 3,6
им. Артема Отработка свиты крутопадающих пластов, выхода пластов, наличие уступов 17 57-64 13,2
Таблица 3
Условия проведения геомеханического мониторинга в Буденновско-Пролетарский район г. Донецка
Зона влияния шахт Тектоника Другие осложняющие факторы Кол-во пластов Ср. угол пад., градус Общая вынимаемая мощность, м
"Мушкетовская" Зоны влияния надвигов Заперевальный, Первомайский, Калининский Старые горные работы 7 6-16 5,9
"Заперевальная № 1" Зоны влияния надвигов Мушкетовский, Калининский, Первомайский 3 5-32 9,1
"Заперевальная №2" 2 5-8 2,0
№ 9 "Капитальная" Выход надвига Провиданс, зона влияния Надвига №2, Сброса"С" Старые горные работы 6 1-25 5,0
№ 6 "Красная Звезда" Зоны влияния надвигов Первомайский, Мушкетовский, Восточный, Итальянский, Софиевский Старые горные работы 4 1-12 4,3
№ 12-18 Зоны влияния надвигов Первомайский, Мушкетовский, Менчуговский, Провиданс Старые горные работы 5 2-35 5,6
Им. 60-летия Советской Украины Зоны влияния надвигов Марковский, Первомайский, Смо-ляниновский, Марковская флексура 3 3-26 3,5
"Глубокая" Зоны влияния надвигов Марковский, Первомайский, Смо-ляниновский, Провиданс 3 5-25 1,8
Мониторинг Буденновско-Пролетарского района г. Донецка.
Фрагмент совмещенного графика оседаний и отметок рельефа по линии № 6
установлены, но на этот факт следует обратить внимание при дальнейших исследованиях
Можно констатировать, что в районе исследований происходит процесс сдвижения земной поверхности; сдвижения достаточно четко фиксируются на больших площадях, даже при относительно низком уровне затопления горных выработок и незначительном периоде наблюдений, равном 5-10 месяцев. Некоторая часть оседаний может быть объяснена остаточным влиянием горных работ, а остальные -активизацией процесса сдвижения при затоплении горных выработок.
Проведенные геомеханические мониторинги - первый опыт работ такого рода на территории Донбасса. Впервые получены экспериментальные данные о деформировании зем-
ной поверхности при закрытии группы шахт и затоплении горных выработок в различных горно-геологических условиях. К сожалению, практически во всех случаях по тем или иным причинам наблюдения были начаты поздно, приходилось переносить сроки и сокращать программы наблюдений, что часто затрудняло определение причин возникновения сдвижений. Тем не менее, результаты наблюдений подтверждают развитие сдвижений земной поверхности от процесса активизации при затоплении горных выработок. Наблюдения во всех регионах необходимо продолжать: развивать наблюдательную сеть, включая в неё новые линии на территории вновь закрываемых шахт, совершенствовать методы наблюдений и анализа результатов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гавриленко Ю.Н. Изучение сдвижений и деформаций земной поверхности в сложных горно-геологических условиях Донбасса// Наукові праці ДонНТУ: Серія горно-геологічна. Випуск 62. - Донецк, ДонНТУ, 2003. - С. 34-47.
2. Решение геоэкологических и социальных проблем при разработке и закрытии
угольных шахт / В.Ф. Янукович, Н.Я. Азаров, А.Д. Алексеев, А.В. Анциферов, Е.И. Пита-ленко - Донецк: ООО «Алан» - 2002. - 480.
3. Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины: Монография/Под ред. Ю.Н. Гавриленко, В.Н. Ермакова. -Донецк, 2004. - 631 с.
— Коротко об авторах------------------------------------------
Питаленко Е.И. - доктор технических наук,
Шиптенко А.В., Рожко М.Д. - инженеры, УкрНИМИ НАН Украины.
