CC BY
0УДК 622.83:622.016
В. А. Дрибан, Б. В. Хохлов, С. В. Голдин, А. В. Антипенко
ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА РИСКА ОБРАЗОВАНИЯ ПРОВАЛОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В РАЙОНЕ ГОРНОГО ОТВОДА ШАХТЫ "ЗАМЧАЛОВСКАЯ" ПРИ ЕЕ ЗАТОПЛЕНИИ
В статье представлены результаты геодинамического мониторинга горного отвода шахты "Замчаловская" в условиях неконтролируемого затопления выработанного пространства и горных выработок. Выполнены расчеты и картирование приповерхностных зон, опасных по возникновению провалов по нормативной методике и с применением нейронного алгоритма.
Ключевые слова: горный отвод, обводненный массив, провалы земной поверхности, горные выработки.
Введение. Разработка угольных месторождений Восточного Донбасса ведется уже более двух столетий. В результате работы горнодобывающих предприятий произошло понижение естественного уровня подземных вод и осушение горных отводов шахт.
В 1993-1994 годах в Российской Федерации была разработана концепция реформирования угольной промышленности, но в итоге реструктуризация угольной отрасли превратилась в массовую ликвидацию шахт [1]. Основным методом ликвидации нерентабельных угледобывающих предприятий по различным причинам был избран так называемый "мокрый способ", при котором происходит полное затопление выработанного пространства и всех горных выработок. Это привело к образованию целого ряда негативных последствий и реальных угроз для значительных участков земной поверхности, подвергшихся влиянию горных разработок [2].
Повышение уровня грунтовых вод в результате остановки шахтных водоотливов повлекло за собой:
- активизацию процессов сдвижения пород над горными выработками с образованием внезапных провалов земной поверхности на тех участках, где подобные процессы давно завершились;
- подтопление застроенных и сельскохозяйственных территорий с их последующим заболачиванием;
- выход газа в подвалы жилых построек и подземные сооружения промышленных объектов;
- миграцию вредных загрязняющих веществ и высокоминерализованной шахтной воды в подработанном массиве горных пород и вынос их на земную поверхность.
В результате значительно повысились риски нарушения условий эксплуатации зданий и сооружений, что может привести к невозможности их нормального использования, повреждению или даже к полному разрушению, в свою очередь, создавая угрозу жизни и безопасности людей.
Закрытие соседних шахт значительно усугубляет условия эксплуатации действующих угольных предприятий. Работа в условиях затопления горного массива создаёт дополнительные сложности для их функционирования.
Для обеспечения безопасности жизнедеятельности на территориях, подверженных техногенному воздействию и разработке, необходим достоверный прогноз развития потенциально опасных деформаций земной поверхности и образования провалов. Точная оценка вероятности возникновения провала и определение примерного срока его возможного появления являются ключевыми факторами для своевременного принятия мер по минимизации ущерба подземным коммуникациям и наземным объектам [3].
Целью данного исследования является выявление объектов, подверженных риску образования провалов и деформаций в поверхностном слое, на основе анализа деформаций земной поверхности, вызванных активизацией процессов сдвижения горных пород при заполнении водой выработанного пространства.
Метод построения провалоопасных зон земной поверхности.
Для осуществления поставленной задачи использовалась "Методика построения и обследования зон, опасных по провалам" [4], в которой определены параметры и размеры зон возможного провалообразования на земной поверхности над вертикальными и наклонными стволами, техническими скважинами, подготовительными и очистными горными выработками.
Обследование горного отвода шахты "Замчаловская".
Шахта "Замчаловская" (до 1971 года -
ш/у "Замчаловское") - угледобывающее предприятие в г. Гуково (Ростовская область). Входила в ПО "Гуковуголь", затем -ОАО "Замчаловский антрацит", входящей в
ЗАО УК "Гуковуголь", принадлежащий "Русскому углю". В конце 2012 года выкуплена ООО "Кингкоул".
Шахта "Замчаловская" была образована
в 1968 году объединением в одну производственно-административную единицу мелких наклонных шахт "Замчаловская № 1-2" и "Зверевская-Западная № 1-2", сданных в эксплуатацию в 1955 году. Отрабатываемые не газовые угольные пласты к2н и к21в мощностью 1,0-1,2 °м с углами падения 12-48
Шахта "Замчаловская" расположена в Красносулинском районе Ростовской области в 3 км восточнее города Гуково. Площадки шахты расположены в административных границах г. Гуково и землях Красносулинского района Ростовской области России. Ближайшими населенными пунктами являются города Зверево и Гуково. Непосредственно на участке расположено несколько поселков, наиболее крупными являются Первомайский и Алмазный.
Участок шахты "Замчаловская" занимает центральную часть водораздела рек Лихой и Кундрючьей. Поверхность участка представляет собой слабо всхолмленную равнину, расчлененную в меридиональном направлении крупными балками - Малая Гни-луша, Водина, Калмыцкая, Замчалова, Коренная, Грузская и Сухая. Балка Малая Гнилуша, Водина и Коренная имеют постоянные водотоки, питающиеся в основном за счет подземных вод карбона. Максимальные абсолютные отметки поверхности
(+268 м) приурочены к водоразделам указанных балок, минимальные (+218 м) - их тальвегам. Значительная разность высотных отметок и хорошо развитая гидрографическая сеть описываемой площади способствует интенсивному стоку поверхностных вод.
Подземный водоотлив шахты "Замчаловская" был остановлен 25.12.2015 г., в результате чего происходит неконтролируемое накопление воды в горных выработках. В настоящее время горные выработки шахты "Замчаловская" затоплены до абс. отм. -55,0^-60,0 м.
В процессе обследования горного отвода шахты "Замчаловская" установлено:
- площадь бывшего горного отвода шахты "Замчаловская"-17,32 км2;
- на бывшем горном отводе шахты "Замчаловская" зафиксировано 23 горных выработок, имеющих выход на земную поверхность, из них: стволов вертикальных - 3, наклонных стволов и сбоек - 14, шурфов вертикальных - 4, скважин большого диаметра - 2 (табл. 1);
- общее количество горных выработок, имеющих на земную поверхность - 23, из них расположены: под породными отвалами - 6; под зданиями и сооружениями - 5; под сельхозугодъями - 3; под неиспользуемыми землями и лесонасаждениями - 9;
- обнаружено один провал и 2 проседания устьев ликвидированных выработок - в 5-12 м по оси вспомогательного наклонного ствола шахты Зверевская-Западная № 2, провал шириной до 4 м и глубиной до 15 м (рис. 1).
На горном отводе шахты "Замчаловская" по всем пластам выделено и картировано по "Методике построения и обследования зон, опасных по провалам" [5] 12 провалоопасных зон земной поверхности и определена протяженность маршрутов их обследования (табл. 2).
Рис. 1 - Провал шириной до 4 м и глубиной до 15 м в 5-12 м по оси вспомогательного наклонного ствола шахты "Зверевская-Западная № 2"
Таблица 1 - Выработки, имеющие выход на земную поверхность в пределах горного отвода шахты "Замчаловская"
№ пп Наименование выработки Год ликвидации Глубина, м Угол наклона, градус Состояние устья
1 2 3 4 5 6
1 Вспомогательный ствол - 341 90 Удовлетворительное
2 Шурф б\н пл. k2H 1960 61 90 Удовлетворительное
3 Вент. накл. ствол ш. Замчаловская № 1 пл. к2н 1991 470,8 12-17 Удовлетворительное
4 ВСП. накл. ствол ш. Замчаловская № 1 пл. к2н 1991 400,1 12-17 Удовлетворительное
5 Главный накл. ствол ш. Замчаловская № 2 пл. к2н — 280,9 12-18 Удовлетворительное
6 Людской накл. ствол ш. Замчаловская № 2 пл. к2н 2018 353 12-18 Удовлетворительное
7 Вент. сбойка ш. Зверевская-Западная № 1 пл. к2н 1980 328,8 12 Удовлетворительное
Продолжение таблицы 1
1 2 3 4 5 6
8 Вент шурф ш. Зверевская-Западная № 1 пл. к2н 1980 40,8 90 Проседание 1 м
9 ВСП накл. ствол ш. Зверевская-Западная № 1 пл. к2н — 620,4 50-44 Удовлетворительное
10 Гл. накл. ствол ш. Зверевская-Западная № 1 пл. к2н 1980 505,3 50-44 Проседание 1,5 м
11 Вент шурф ш. Зверевская-Западная № 2 пл. к2н 1980 47,3 90 Удовлетворительное
12 ВСП накл. ствол ш. Зверевская-Западная № 2 пл. к2н - 573,5 50-46 Провал в 5-12 м по оси ствола шириной до 4м и глубиной до 15 м
13 Гл. накл. ствол ш. Зверевская-Западная № 2 пл. к2н 1972 436,4 50-46 Удовлетворительное
14 Вент сбойка пл. к2н 1960 140 46 Удовлетворительное
15 Вент ствол пл. к2н 1980 246,2 90 Удовлетворительное
16 ВСП ствол ш. Заповедная-Северная пл. к2н 1962 159 90 Удовлетворительное
17 Вент. шурф ш. Заповедная-Северная пл. к2н 1962 90,8 90 Удовлетворительное
18 Накл. сбойка ш. Заповедная-Северная пл. к2н 1962 55 46 Удовлетворительное
19 Накл. ствол ш. Заповедная-Северная пл. к2н 1962 262 46 Удовлетворительное
20 Вертикальная скважина 1962 Н.д. 90 Удовлетворительное
21 Вертикальная скважина 1962 Н.д. 90 Удовлетворительное
22 Накл. ствол № 1 ш. № 4 Н.д. 300 36-38 Удовлетворительное
23 Накл. ствол № 2 ш. № 4 Н.д. 300 36-38 Удовлетворительное
Всего выработок - 23, в том числе ранее ликвидированных - 19, законсервированных - 4
Таблица 2 - Провалоопасные зоны и маршруты обследования поверхности горного отвода шахты "Замчаловская"
№ объекта № зоны Название объекта Угол наклона, градусы Площадь, 2 м Протяженность маршрута обследования, м
1 2 3 4 5 6
1 1 Шурф б/н пласта к2н 90 1 257 120
2 Вентиляционный наклонный ствол шахты "Замчаловская № 1" пласта к2н 12-17
3 2 Вспомогательный наклонный ствол 12-17 37 784 3 778
шахты "Замчаловская № 1" пласта к2н
Площадная зона от горных выработок
по пласту к2н
Продолжение таблицы 2
1 2 3 4 5 6
4 3 Главный наклонный ствол шахты "Замчаловская № 2" пласта к2н 12-18 51 681 5 168
5 Людской наклонный ствол шахты "Замчаловская № 2" пласта к2н 12-18
Площадная зона от горных выработок по пласту к2н
6 4 Вентиляционная сбойка № 1 шахты "Зверевская-Западная № 1" пласта к2н 12 28 942 2 894
7 Вспомогательный наклонный ствол шахты "Зверевская-Западная № 1" пласта к2н 50-44
8 Главный наклонный ствол шахты "Зверевская-Западная № 1" пласта к2н 50-44
Площадная зона от горных выработок по пласту к2н
9 5 Вентиляционный шурф шахты "Зверевская-Западная № 1" пласта к2н 90 1 257 120
10 6 Вспомогательный наклонный ствол шахты "Зверевская-Западная № 2" пласта к2н 50-46 41 973 4 197
11 Главный наклонный ствол шахты "Зверевская-Западная № 2" пласта к2н 50-46
12 Вентиляционный шурф шахты "Зверевская-Западная № 2" пласта к2н 90
Площадная зона от горных выработок по пласту к2н
13 7 Вентиляционная сбойка пласта к2н 46 3 638 364
14 8 Вентиляционный ствол пласта к2н 90 5 027 500
15 9 Вспомогательный ствол шахты "Заповедная-Северная" пласта к2н 90 5 027 500
16 10 Наклонная сбойка шахты "Заповедная-Северная" пласта к2н 46 15 631 1 563
17 Наклонный ствол шахты "Заповедная-Северная" пласта к2н 46
18 Скважина шахты "Заповедная-Северная" 90
19 Скважина шахты "Заповедная-Северная" 90
20 Вентиляционный шурф шахты "Заповедная-Северная" пласта к2н 90
21 11 Вспомогательный ствол 90 5 027 500
22 12 Наклонный ствол № 1 шахты № 4 36-38 7 332 733
23 Наклонный ствол № 2 шахты № 4 36-38
Итого по шх. «Замчаловская» 204 576 20 437
Из общей площади всех опасных по образованию провалов
зон, равной 204 576 м2, 53 483 м2 (26,1 %) занимают сельхозуго-2 2 дия, 3 550 м (1,7 %) занимают частные домовладения, 34 812 м
(17,1 %) - неиспользуемые земли, 112 732 м (55,1 %) промпло-щадки шахтных стволов и породные отвалы. Почти половина территорий, подверженных риску образования провалов земной поверхности, в настоящее время активно эксплуатируется. Это создаёт существенную угрозу для жизни и безопасности людей, особенно в условиях возможного неконтролируемого затопления горных выработок и выработанного пространства шахты "Замча-ловская". В связи с этим была проведена дополнительная оценка провалоопасной ситуации с использованием нейросетевого алгоритма.
Оценка провалоопасности отдельных участков земной поверхности с применением нейронного алгоритма.
Для прогноза образования провалов на земной поверхности над старыми горными выработками, с учетом исследований [5]-[8] и нормативных документов [9]-[11] была разработана нейронная сеть [12].
Оценка провалоопасности участков приповерхностной зоны проводилась в несколько этапов. На начальном этапе проводилась предварительная подготовка. С помощью графического редактора к цифровой растровой модели поверхности района были геометрически привязаны аналогичные модели планов горных выработок всех пластов шахты "Замчаловская". При этом на модель поверхности были перенесены линии выхода пластов из-под наносов. Линии выхода пластов были продолжены в направлении падения с интервалами, определяемыми величиной угла падения. Угол падения варьировался на различных участках от 15 ° до 18 В результате построения на плане дневной поверхности была получена дополнительная поверхность, аппроксимирующая поверхность пласта по изоглубинам с шагом 80 метров по вертикали.
На втором этапе, на графиках изоглубин по карбону пластов были нанесены границы нейрозон (рис. 2), с учетом фактических контуров горных выработок по следующим правилам: интервалы глубин 0-80 м и 80-160 м; разница в возрасте выработок в основ-
ном до 5-6 лет, но не более 10 лет; основные наклонные выработки выделялись в отдельные зоны.
На заключительном этапе исследования был проведен расчет устойчивости горной выработки в наиболее неблагоприятных условиях, характерных для большей части шахтного отвода. При расчетах учитывались следующие параметры: угол падения пород 16-46 угол наклона выработки 0-50 совокупность негативных факторов и глубина залегания выработки 80 метров (см. табл. 3).
Таблица 3 - Расчет провалоопасности горных выработок в пределах шахтного поля шахты «Замчаловская»
№ зоны Интервал глубин по карбону, м Возраст выработки, лет Угол падения пород, град Угол наклона выработки, град Фактор техногенных условий эксплуатации выработок Время формирования провалов, лет
1 2 3 4 5 6 7
Зоны пласта к2н
1п 30 70 16 0 Благоприятные условия 161
2п 60 70 16 0 Благоприятные условия 205
3у 0-80 70 16 12 Благоприятные условия 0-204
4п 30 70 16 0 Благоприятные условия 161
5п 60 70 16 0 Благоприятные условия 205
6п 30 70 16 0 Благоприятные условия 161
7у 0-80 70 16 18 Благоприятные условия 0-189
8п 40 70 16 0 Благоприятные условия 176
9п 70 70 16 0 Благоприятные условия 220
10п 30 65 16 0 Благоприятные условия 161
11п 70 65 16 0 Благоприятные условия 220
12у 0-80 65 16 16 Благоприятные условия 0-194
13п 30 65 46 0 Благоприятные условия 113
14п 50 65 16 0 Благоприятные условия 191
15у 0-80 65 46 50 Благоприятные условия 0-47
16у 80-160 65 46 50 Благоприятные условия 47-188
17п 30 65 46 0 Благоприятные условия 113
18у 0-80 65 46 50 Благоприятные условия 0-47
19у 80-160 65 46 50 Благоприятные условия 47-188
20у 0-80 65 46 50 Благоприятные условия 0-47
21у 80-160 65 46 50 Благоприятные условия 47-188
22у 0-80 65 46 50 Благоприятные условия 0-47
23у 80-160 65 46 50 Благоприятные условия 47-188
Серым цветом выделены зоны, опасные по возникновению провалов в ближайшие несколько десятков лет
й Он
Ю О
о с
S £ й X о а с о
X
о
СП
о
es %
<а го
л
I
е
<N
О S Он
S
н о о
X
о X SQ О
Л <D И О
3- С
§ в
о
X
S <и
CQ О
И
о
л
с
2 S X й и о
5
н о о X
X
Он
о в о с
а со §
t, с
Ё
о £
Он
Результаты расчета показали, что время образования провала для наклонных выработок составляет до 204 лет, а для горизонтальных - 220 лет.
Таким образом, из 12 выделенных по нормативной методике приповерхностных зон, опасных по возникновению провалов в ближайшие несколько десятков лет наибольшую опасность представляют только семь. При этом, общая площадь опасных зон сократилась до 110 227 м2 (в 1,86 раза). Размеры опасных участков приповерхностной зоны уменьшились: под сельхозугодиями до 10 058 м (в 5,3 раза), под неиспользуемыми землями - до 19 867 м (в 1,75 раза), промплощадками шахтных стволов и породными отвалами - до 80 302 м (в 1,4 раза), под частными домовладениями - до нуля.
Выводы. По результатам обследования горного отвода шахты "Замчаловская" с применением нормативной методики было построено и картировано на плане поверхности 12 зон, опасных по возникновению провалов земной поверхности. Ввиду того, что практически половина провалоопасных зон расположена либо на сельхозугодиях, либо на территории промплощадок шахтных стволов, а также учитывая тот факт, что шахта находится в состоянии неконтролируемого затопления, дополнительно был выполнен прогноз провалоопасности приповерхностной зоны с использованием нейронного алгоритма.
Анализ полученных данных показал, что на горном отводе шахты "Замчаловская" участки приповерхностной зоны с риском образования провалов расположены над наклонными выработками на глубине от 30 до 60 метров. Таким образом, количество зон, в которых в ближайшие 20 лет возможно образование провалов, было сокращено до семи, а их площадь уменьшилась в 1,86 раза.
Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что применение нейронных алгоритмов повышает точность определения участков земной поверхности, подверженных риску образования провалов, а также уточняет прогноз периода наибольшей опасности в этих зонах. Использование нейросетевых моделей для прогнозирования провалоопасности позволит в дальнейшем сузить зоны риска и оптимизировать затраты на мероприя-
тия по защите территории от негативного воздействия горных разработок.
Исследования проведены в рамках выполнения фундаментальной научно-исследовательской работы FRSR - 20230006 "Исследование устойчивости и трансформации напряженно-деформированного состояния обводненных массивов горных пород".
ЛИТЕРАТУРА
1. Скоробогатский, Н. И. Об опыте ликвидации угольных шахт Восточного Донбасса / Н. И. Скоробогатский // Маркшейдерский вестник. - 2018. № 3 (124). - С. 12-21.
2. Славиковская, Ю. О. Техногенные пустоты недр как фактор негативного воздействия на окружающую среду при разработке месторождений твердых полезных ископаемых // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2021. - № 2. -С. 33-44.
3. Славиковская, Ю. О. Техногенные пустоты недр как источник негативного воздействия на окружающую среду предприятий горнопромышленного комплекса // Экологическая и техно-сферная безопасность горнопромышленных регионов. - труды VIII Международной конференции. Екатеринбург, 07 апреля 2020 г. - Издательство: Уральский государственный горный университет (Екатеринбург). - С. 275-279.
4. Хохлов, Б. В. Методика построения и обследования зон, опасных по провалам / Б. В. Хохлов, В. А. Дрибан, С. В. Голдин, А. М. Терлецкий, М. Д. Рожко // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. -Донецк, 2019. - № 7 (22). - С. 142-157.
5. Driban, V. Vorhersage des erdoberflächeabsturzes oberhalb der alten kohlengrubenräumen / V. Driban, V. Nazimko, A. Feofanov, I. Khalymendyk // Altbergbau - Kolloquium. - Freiberg. - 04. bis 06. November 2010. - P. 391-400.
6. Постоев, Г. П. Модели механизма формирования и расчета параметров провалов земной поверхности над подземными
полостями / Г. П. Постоев // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. - 2020. - № 4. - С. 36-47.
7. Хамидуллина, Н. В. Физическое моделирование провалов земной поверхности / Н. В. Хамидуллина, М. В. Прокопова,
A. Ю. Прокопов // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. - 2019. - № 2(74). - С. 124-131.
8. Гавриленко, Ю. Н. Основные принципы моделирования сдвижений и деформаций земной поверхности методом конечных элементов / Ю. Н. Гавриленко, А. Г. Петрушин // Науковi пращ ДонНТУ. Серiя прничо-геолопчна. Випуск 62. - Донецьк, 2003. -С. 100-114.
9. Методическое руководство "О порядке выделения провало-опасных зон и выбора комплекса технических мероприятий по выявлению и ликвидации пустот на ликвидируемых шахтах Восточного Донбасса". - М.: ИПКОН РАН, 2007. - 34 с.
10.НПА0Т 10.0-1.01-16 Правила безопасности в угольных шахтах. - опубл. 20.05.2016 г. с изменениями, внесенными на основании Приказа Министерства угля и энергетики Донецкой Народной Республики, Государственного Комитета горного и технического надзора Донецкой Народной Республики от 07.07.2016 г. № 63/319, от 20.06.2017 г. № 157/291. - Донецк, 2016. - 217 с.
11. Расположение, охрана и поддержание горных выработок при отработке угольных пластов на шахтах. Руководящий документ / РАНИМИ. - Утв. Мин. угля и энергетики ДНР 15.04.21. -Донецк, 2021. - 267 с.
12.Дрибан, В. А. Разработка системы прогноза обрушений земной поверхности над погашенными горными выработками /
B. А. Дрибан, А. Н. Феофанов, И. В. Назимко // Проблеми прсь-кого тиску: зб. наук. пр. - Донецьк, 2009. - № 17. - С. 22-57.
Дрибан Виктор Александрович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, и.о. директора института, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Хохлов Борис Валентинович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий отделом горного давления, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Голдин Сергей Витальевич, старший научный сотрудник отдела горного давления, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Антипенко Антон Викторович, младший научный сотрудник отдела горного давления, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
FORECAST ASSESSMENT OF THE RISK OF FORMATION OF SURFACE FAILURES IN THE AREA OF THE MINING ALLOTMENT OF THE ZAMCHALOVSKAYA MINE DURING ITS FLOODING
The article presents the results of geodynamic monitoring of the mining allotment of the Zamchalovskay mine under conditions of uncontrolled flooding of the mined-out space and mine workings. Calculations and mapping of near-surface zones that are dangerous for the occurrence of dips were completed according to the standard methodology and using a neural algorithm.
Keywords: mine allotment, flooded massif, dips in the earth surface, mine workings.
Driban Viktor Alexandrovich, Doctor of Engineering Sciences, Senior Researcher at the Mining Pressure Department, Acting Director of the Institute, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Khokhlov Boris Valentinovich, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher, Head. of the Department of Mining Pressure, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Goldin Sergey Vitalievich, Senior Researcher at the Mining Pressure Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Antypenko Anton Viktorovich, Junior Researcher at the Mining Pressure Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
