ПРОГНОЗ СДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЛИКВИДАЦИИ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ В РАЗЛИЧНЫХ УГЛЕНОСНЫХ РАЙОНАХ ДОНБАССА Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

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

№1-2 (62-63) / 2018.

УДК 550.834:622.12

©2018. Н.Н. Грищенков, Ф.М. Голубев , В.П. Сажнев

ПРОГНОЗ СДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

ПРИ ЛИКВИДАЦИИ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

В РАЗЛИЧНЫХ УГЛЕНОСНЫХ РАЙОНАХ ДОНБАССА

В настоящей статье рассмотрен вопрос прогноза деформаций земной поверхности при активизации процесса сдвижения земной поверхности при затоплении ликвидируемых угольных шахт. Описана методика конечно-элементного моделирования деформаций горного массива и земной поверхности в различных угленосных районах Донбасса. Установлена необходимость принятия в расчёт затапливаемых очистных выработок, глубина которых превышает 500 метров, при прогнозе сдвижений земной поверхности вызванных затоплением ликвидируемых угольных шахт Центрального района Донбасса.

Ключевые слова: сдвижения земной поверхности, затопление горных выработок, ликвидация шахт, МКЭ модели.

Введение. Ввиду особенностей залегания и отработки угольных пластов в различных районах Донбасса (различные глубины, углы падения, различный состав горных пород) характер сдвижения земной поверхности при затоплении в этих районах может существенно различаться. Для анализа процесса сдвижения земной поверхности в различных районах Донбасса был подготовлен ряд конечно-элементных моделей, а также проанализированы результаты расчетов по действующей нормативной методике прогноза активизации сдвижений. Установлено, что при отработке и последующем затоплении свит угольных пластов деформации земной поверхности могут достигать значений, представляющих опасность для зданий с низким деформационным ресурсом и для различных коммуникаций.

Сдвижения и деформации в массиве горных пород и на земной поверхности происходят как при отработке запасов угля, так и при затоплении горных выработок в результате ликвидации шахт, в результате чего могут пострадать здания, сооружения и коммуникации.

В то время как прогнозирование деформаций земной поверхности, вызванных подземными очистными работами, осуществляется достаточно эффективно при помощи действующих отраслевых стандартов, существующие способы прогнозирования деформаций, вызванных активизацией геомеханических процессов при затоплении ликвидируемых шахт, требуют уточнения. Они не учитывают влияния литологического состава горного массива, что способно серьёзно сказаться на точности прогноза деформаций земной поверхности. Действующая методика прогноза деформаций земной поверхности, вызванных активизацией геомеханических процессов, описанная в нормативном документе [1], не позволяет учитывать влияние выработок, глубина которых превышает 500 метров. Однако, как показывает практика обследования зданий и сооружений, влияние

затопления лав с глубиной отработки более 500 метров также может нести существенную опасность для зданий, попадающих в зоны влияния этих очистных выработок. Это обстоятельство делает актуальным вопрос усовершенствования действующей методики.

Активизация процесса сдвижения земной поверхности от затопления горных выработок может существенно различаться в разных районах Донбасса из-за различных горнотехнических и горно-геологических факторов. Поэтому исследование характера и степени опасности сдвижения горных пород при затоплении ликвидируемых шахт необходимо проводить с учетом ряда факторов, характерных для каждого района.

К ним можно отнести следующие факторы:

- средняя для района глубина горных работ;

- выемочная мощность пласта;

- степень метаморфизма углей;

- литологический состав затопленной толщи породного массива.

Для проведения исследований характера сдвижений при затоплении горных выработок в различных районах Донбасса был подготовлен ряд конечно-элементных моделей. При этом районы с довольно близкими условиями отработки объединялись в одну модель.

Анализ различных районов Донбасса по залегающим в них маркам угля приведен в таблице 1.

Таблица 1. Анализ процентного содержания марок угля в угленосных районах Донбасса

Район Марки угля

Красноармейский Г+К-92%, Ж-2%, Д-6%

Донецко-Макеевский А-5%, Т-15%, ОС-Ю%, К-14%, Ж-20%, Г-29%, Д-9%

Торезо-Снежнянский А-50 %, ПА-30%, Т-15%, ОС-1%

Центральный (ЦРД) Т+ПА - 30%, ПС - 10%, К - 17%, ПЖ - 12%, Г - 7%

Лисичанский Д-85%, Г - 15%

Алмазно-Марьевский Г-43%, Ж-17%, К-16%, ОС-9%, Т-12%, А - 3%

Луганский Г-87%, Ж - 6 %, К- 5%, ОС - 2%

Краснодонский ПА - 1%, Т - 22%, ОС- 6%, К - 14%, Ж -27%, Г - 30 %

Боково-Хрустальский А-100%

Должано-Ровенецкий А-100%

Одним из основных факторов, от которых зависит характер сдвижения горных пород при подъеме уровня грунтовых вод после затопления шахт, является высота зоны водопроводящих трещин над старыми очистными выработками. По исследованиям ряда учёных [4, 5] она составляет от 30 до 80 мощностей пласта и при наличии нарушений способна достигать нескольких сотен метров. При полном обрушении кровли, высоту зоны водопроводящих трещин согласно

исследованиям [6] можно определить как:

_ 70 • V-1 • тпе~А

(1.6-е"0-06/- 0.09)' ( ]

где с - относительный центр распределения пород по их мощности в подрабатываемой толще, м; т - вынимаемая мощность пласта, м; А - содержание глинистых пород в долях от подрабатываемой толщи; f - коэффициент крепости горных пород по шкале проф. Н. Н. Протодьяконова.

Остальные факторы, определяющие характер сдвижения горных пород, подробно описаны в геологических исследованиях [5]. На основании данных геологических исследований и анализа проектов отработки для изучения характера деформаций земной поверхности в различных районах Донбасса, вызванных затоплением очистных выработок, были составлены таблицы со средними для районов углами падения, высотой зон водопроводящих трещин (ЗВТ) и средней глубиной отработки лав (таблица 2).

Таблица 2. Объединение угленосных районов по основным горно-геологическим и

горнотехническим факторам

Район Средний угол падения пласта, Высота ЗВТ, м Средняя глубина

градусы отработки, м

Донецко-Макеевский и 10 100 800-1000

Красноармейский

Торезо-Снежнянский 15 100 600

Центральный (ЦРД) 60 130 500

Лисичанский и Краснодон- 20 52 750

ский

Луганский и Алмазно- 15 52 1000

Марьевский

Боково-Хрустальский и 25 70 700

Должано-Ровенецкий

На основании такого анализа были подготовлены шесть типовых конечно-элементных моделей, в которых были учтены приведенные выше факторы, влияющие на величину оседаний земной поверхности.

Для объективного отображения свойств горных пород в модели были заложены следующие физико-механические характеристики:

- модуль Юнга (МПа);

- коэффициент Пуассона;

-плотность (кг/м3);

- удельное сцепление;

- угол внутреннего трения (град).

В моделях были приняты следующие условия отработки:

- отработано две лавы длиной по 200 метров;

- способ управления кровлей - полное обрушение;

- марка угля - наиболее распространенная для каждого района;

- глубина отработки - характерная для каждого района;

- мощность отрабатываемых пластов - средняя по району.

В моделируемой толще послойно задавались физико-механические свойства песчано-глинистых сланцев, песчаника, наносов. Для построения использовались стратиграфические колонки, приведенные в геологических исследованиях работы [5]. В моделях учитывались исследования В. Н. Реввы, Е. И. Питаленко, М. Ю. Иконникова [6, 7], согласно которым песчаники с глинисто-слюдистым цементом теряют свои прочностные характеристики более интенсивно, чем породы с кремнисто-карбонатным цементом. Характер изменения свойств пород при их водонасыщении представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Влияние водонасыщения на прочность песчаников при одноосном сжатии: 1,1'- сухой и влажный песчаник с кремнисто-слюдистым цементом; 2, 2' - сухой и влажный песчаник с глинисто-слюдистым цементом; 3, 3' - сухой и влажный песчаник с карбонатным цементом [6].

Нагрузка на модели задавалась равной давлению породного столба на кровлю очистной выработки под действием силы земной гравитации. Сопротивление сдвигу твердых пород в моделях описывается теорией Кулона-Мора, которая отражает линейную зависимость предельного сопротивления сдвигу по поверхности скольжения от нормального давления и аппроксимируется отрезком прямой [8]:

т = С + ап х

(2)

где t - предельное касательное напряжение, Па; С - сцепление; ап -нормальное напряжение, Па; ] - угол внутреннего трения, градусы.

В результате расчёта была получена модель деформирования горного массива, которая соответствует основным положениям геомеханики и теоретическим представлениям, изложенным в работах А. А. Борисова и ряда других авторов. Результаты моделирования оседаний, вызванных отработкой и затоплением очистных выработок, приведены на рисунках 2-7.

Рис. 2. Модель Краснодонского и Лисичанского районов.

Рис. 3. Модель Торезо-Снежнянского района.

Рис. 4. Модель Боково-Хрустальского и Должано-Ровенецкого районов.

Рис. 5. Модель Центрального района Донбасса.

По результатам моделирования был составлен сводный график оседаний земной поверхности (рис. 8).

Результаты моделирования показывают, что наиболее опасными для затопления являются угленосные районы с большим удельным содержанием слабых вмещающих пород и малыми глубинами отработки угольных пластов. Согласно результатам моделирования, при увеличении угла падения размеры оседаний для одиночных выработок снижаются, а граничные углы, напротив, увеличиваются. Моделирование также показывает, что даже затопление выработок на глубинах свыше 500 метров может приводить к активизации процесса сдвижения. Следует отметить важный осложняющий фактор для ликвидации с последую-

Рис. 6. Модель Донецко-Макеевского и Красноармейского районов

Рис. 7. Модель Алмазно-Марьевского и Луганского районов

щим затоплением шахт Центрального района Донбасса - отработку угольных пластов свитами (от 20 до 30 пластов), что оказывает суммарное негативное влияние на сдвижение земной поверхности. Использование существующей методики позволяет оценивать деформации, вызванные исключительно очистными работами, находящимися выше глубины 500 метров. Однако даже расчет по существующей методике показывает, что в некоторых точках города Горловки деформации, вызванные активизацией геомеханических процессов, могут дости-

о

Рис. 8. Сводный график оседаний земной поверхности для различных угленосных районов

Донбасса.

гать 1,5 мм/м (рис. 9, 10). Это может привести к разрушению зданий с низким деформационным ресурсом, а также вызвать порывы чугунных самотечных канализационных сетей и водопроводов малого диаметра.

Рис. 9. Прогнозные оседания на горном отводе шахты «Комсомолец», рассчитанные по действующей методике расчета деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок (НД 12.12.004- 98)

Красными точками на вышеприведенных рисунках отмечены здания, наиболее пострадавшие в результате подработки земной поверхности. Как видно из рис. 10, некоторые здания не попадают в зону влияния активизации деформаций земной поверхности, рассчитанную по действующей методике. Однако, учитывая исследования на моделях, такие здания попадут в зону влияния активизации сдвижений вследствие затопления ликвидируемых шахт. При этом они попадут в зону влияния выработок, расположенных на глубинах более 500 метров. Характерно, что у таких выработок в условиях ЦРД размеры полумульды по падению могут превышать 1000 метров. Поэтому для сохранения жилого фонда города необходимо производить постоянный мониторинг за сдвижением

Рис. 10. Прогнозные горизонтальные деформации на горном отводе шахты «Комсомолец», рассчитанные по действующей методике расчета деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок (НД 12.12.004- 98)

земной поверхности, как в пределах прогнозируемых зон активизации, так и в районах влияния глубоких выработок.

В районах с пологим залеганием шахта, как правило, отрабатывает от одного до десяти пластов. При малом количестве отработанных горизонтов деформации земной поверхности, вызванные активизацией геомеханических процессов при затоплении горных выработок, зачастую оказываются гораздо меньшими, и не представляют опасности для зданий. Пример расчета деформаций по методике, описанной в [1], приведен на рис. 11.

Рис. 11. График оседаний на горном отводе шахты «Бутовская», рассчитанных по действующей методике расчета деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок

(НД 12.12.004- 98)

Стоит отметить, что в большинстве подрабатываемых районов присутствует до 20% зданий с низким деформационным ресурсом, и даже невысокие величины деформаций земной поверхности, вызванных активизацией геомеханических процессов, в результате затопления могут привести к их серьёзным повреждениям, вплоть до разрушения. Поэтому для сохранения жилого фонда и усовершенствования методики прогноза деформаций земной поверхности следует проводить последовательный мониторинг оседаний земной поверхности от момента составления проекта затопления ликвидируемых шахт до момента выхода воды на проектный уровень.

Выводы. Согласно результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

- затопление очистных выработок на глубинах более 500 метров может спровоцировать сдвижения и деформации земной поверхности, что особенно опасно в районах со слабыми вмещающими породами;

- даже незначительное влияние на поверхность глубоких выработок может быть опасным при отработке пластов свитами;

- для сохранения жилого фонда необходимо поводить наблюдения за сдвижением земной поверхности при ликвидации угольных шахт не только в зонах прогнозируемой активизации согласно действующей методике, но и в зонах влияния глубоких очистных выработок.

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. Геомеханические процессы отработки крутых пластов: новые исследования и решения / Е.И. Питаленко , Кулибаба С.Б., Гавриленко Ю.Н. [и др.] - Донецк: ДУНВГО, 2007. -384 с.

3. Мохов А.В. Морфология зон водопроводящих трещин сдвижения на участках подземных разработок каменноугольных залежей / А.В. Мохов // ГИАБ.- 2008. - № 1. - С. 273-280.

4. Илюхин Д.А. Прогноз развития зоны водопроводящих трещин при разработке яковлев-ского месторождения богатых железных руд: дисс ... канд. техн. наук: 25.00.16. - СПб, 2014 - 125 с.

5. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР: [в 12 т.]. - М.: Госгеолтехиздат, 1963. - Т. 1. / [под ред. И.А. Кузнецова]. - 1963. - 1210 с.

6. Алексеев А.Д. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений / А.Д. Алексеев, В.Н. Рева, Н.А. Рязанцев. - К.: Наукова думка, 1989. - 168 с.

7. Питаленко Е.И. Влияние увлажнения горного массива на активизацию геомеханических процессов при закрытии угольных шахт / Е.И. Питаленко, В.В. Васютина, В.Н. Ревва // Научные труды УкрНИМИ НАН Украины. - 2011. - № 8. - С. 117-128.

8. Математическое моделирование в задачах оценки эффективности и безопасности горных работ / М.Ю. Иконников, Ю.Р. Иконников, Е.А. Слащева [и др.] - М-во образования и науки Украины, Нац. горн. ун-т. - Днепропетровск: НГУ, 2015. - 215 с.

N.N. Grishchenkov, P.M. Golubev, V.P. Sazhnev

Forecast of the movement of the earth's surface during the liquidation of coal mining enterprises in various coal-bearing regions of Donbass.

This article addresses the issue of forecasting deformations of the earth's surface when the process of displacement of the earth's surface during flooding of liquidated coal mines is activated. The technique of finite-element modeling of deformations of the rock mass and the earth's surface in various coal-bearing areas of the Donbass is described. The necessity of taking into account the flooded mine workings, the depth of which exceeds 500 meters, is established when predicting displacements of the earth's surface caused by flooding of the liquidated coal mines of the Central region of Donbass.

Keywords: displacement of the earth's surface, flooding of mine workings, liquidation of mines, FEM models.

Республиканский академический научно-исследовательский и Получено 17.05.18

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

ranimi@ranimi.org