CC BY
16
УДК 622.838
Г.П. Семенов, Ю.С. Иванов
РАЙОНИРОВАНИЕ ПОДРАБОТАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ НА МЕДНОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ СРЕДНЕГ О УРАЛА
Предпосылки и сущность проблемы
В настоящее время по всей стране отмечается значительная потребность в изъятии в оборот все большего количества новых территорий. Это в первую очередь связано с постоянно разви-ваюшимся капитальным строительством, ростом крупных городов, созданием вокруг них все большего числа дачных поселков, размещением новых транспортных артерий, проведением различных коммуникаций. Также в не меньшей степени это связано с увеличением сельскохозяйственных угодий как государственных, так и частных.
Не последнею роль в этом играет и горнодобывающая промышленность. Отрабатываемые ныне рудники занимают значительные по площади территориии. производится ввод в эксплуатацию новых добывающих предприятий.
В процессе отработки занимаемые рудниками территории подвергаются как различным воздействиям технологического характера (размещение отвалов и прочее), так и воздействию процесса сдвижения горных пород. В связи с этим при доработке месторождения высвобождаемые территории имеют различного рода и степени нарушенность. Так, по данным только на 1980 год общая площадь нарушенных горными работами земель в СССР составила 2096 га, и в том числе по основным добывающим министерствам 646 тыс. га. Причем наибольшая площадь нарушения приходится на долю Минцветмета СССР, составляя 218 га, или 33,7 %.
Все это приводит к уничтожению лесных массивов и прочим нежелательным последствиям, отрицательно сказывающимся на экологической обстановке.
Также ко всему прочему следует добавить, что площади, прилегающие к территориям горных предприятий, нередко подвергаются интенсивной застройке. При этом множество различных объектов оказываются в зоне влияния процесса сдвижения. Это как связанные с горным производством объекты, так и не связанные, то есть здания и сооружения других предприятий, гражданские объекты, различные коммуникации. Причем, часть этих объектов размещаются на данных участках до начала отработки, а другие уже в процессе отработки месторождения.
Практически ко всем подрабатываемым объектам применяются какие-либо меры защиты от вредного влияния горных работ. Основанием для этого является исследование процесса сдвижения на соответствующих месторождениях и наблюдение за состоянием этих объектов.
В то же время как в Уральском регионе, так и по всей стране в связи с доработкой ликвидируются десятки горных предприятий. На Среднем Урале за последнее время было отработано около десяти меднорудных месторождений, таких, как Пышминскос, Дсгтярскос, Гумсшсвскос. месторождения Кировоградской группы и т. д. Производится доработка Левихинского и Зюзельского месторождений. Общая площадь нарушенных земель по этим рудникам составила порядка двух тысяч гектар
Естественно предположить, что занимаемые ранее земли в складывающейся обстановке, при высвобождении их из пользования горными предприятиями, могут быть каким-либо образом использованы Для этого, во-первых, требуется произвести оценку нарушенности данных территорий с использованием в первую очередь инструментальных наблюдений за процессом сдвижения, во-вторых, исходя из проведенной оценки, а также с учетом требований к объектам различных категорий охраны определить возможные пути использования нарушенных территорий
Именно здесь и возникает вопрос районирования подработанных территорий. Под ним следует понимать совокупность операций, проводимых на основе изучения горно-тсхнологичсских условий поверхности рудника и процесса сдвижения на данном мссюрэждснии. включая инструментальные наблюдения на наблюдательных станциях и последующую аналитическую обработку результатов наблюдений Целью такого рода работы является оценка нарушен-
ности земель в пределах земельного отвода предприятия, а также возможности дальнейшего изменения их состояния, что в свою очередь имеет своей целью установление возможности использования указанных земель.
Результатом районирования является выявление на поверхности рудника участков, характеризующихся геомсханичсскимк условиями, связанными с определенными стадиями проявлением процесса сдвижения: горно-технологическими условиями, связанными с размещением отвалов, выходом на поверхность устьев ликвидированных вертикальных горных выработок и т.д., установление степени нарушенности этих территории и условий их дальнейшей эксплуатации, рекомендации по возможности размещения на них различного рода как строительных, так сельскохозяйственных и прочих объектов
Выделение участков по степени подработан ности должно иметь достаточную обоснованность. чтобы иметь возможность с достаточной ответственностью размешать на этих территориях как промышленные, так и гражданские объекты различного назначения. Поэтому районирование должно производиться только по результатам детального изучения процесса сдвижения, когда имеется возможность оперировать наиболее достоверными параметрами данного процесса и однозначно относить определенные %-частки поверхности к конкретным категориям подработан ности.
Также одним из важнейших условий районирования в случаях, когда процесс сдвижения на всем месторождении еще полностью не прекратился, является дальнейшее изучение состояния подрабатываемых территорий с целью своевременного их перевода из одной категории в другую при дальнейшем изменении их состояния. Кроме того, необходимо иметь в виду, что отдельные проявления процесса сдвижения могут происходить даже спустя десятилетия после окончания отработки. Это связано с недостаточным и неравномерным заполнением обрушенными породами выработанного пространства и многими другими факторами Поэтому следует отводить особое внимание ревизии всех имеющихся пустот и изучению геомеханнчсских условий подрабатываемого массива.
Кроме этого, немаловажное значение имеет рассмотрение территорий, связанных с размещением технологических объектов. Это в первую очередь породные отвалы, которые нередко занимают значительные площади; места выхода на поверхность ликвидированных вертикальных шрных вырабшок, кширые даже спустя значительное время могут представлять определенную опасность. Также на многих подземных медных рудниках имеются и открытые горные разработки. Это могут быть либо карьеры по разработке выходящей на поверхность части рудного тела, либо карьеры по добыче материалов для производства заиловочных работ.
Опыт использования подработанных территорий
В России и за рубежом накоплен большой опыт по выемке полезных ископаемых под застроенными территориями. По результатам исследований составлен ряд нормативных документов, как, к примеру, в (4. 5), в которых даны основные принципиальные положения по проектированию подрабатываемых объектов, рекомендации по расчету деформаций земной поверхности для условий разработки угольных месторождений, рекомендации по выбору наиболее рациональных конструктивных схем зданий и сооружений, а также конкретные методические указания по расчету их элементов и конструкций с учетом воздействия деформаций, обусловленных подземной разработкой угольных пластов.
Однако подобных документов для рудных месторождений пока не разработано, но так как действие вертикальных и горизонтальных деформаций, обусловленных подземной разработкой, на здания и сооружения не зависит ст вида полезного ископаемого, при проектировании мер защиты зданий и сооружений пользуются упомянутыми документами. Однако определенные особенности в протекании процесса сдвижения как для отдельных месторождений, так для меднорудных и для рудных в целом естественно имеются, и этим нельзя пренебрегать. Поэтому проработка данного вопроса для горнорудных предприятий имеет немаловажное значение.
Абсолютное большинство среди описанных случаев подработки составляют гражданские и общественные здания и сооружения, затем промышленные, и еще меньше случаев подработки транспортных, энергетических и иных коммуникаций. И. кроме того, почти не встречается случаев с описанием деформаций зданий и сооружений, построенных после проведения горных работ и проявления деформаций на земной поверхности.
В основном в литературе рассматриваются сведения об опыте использования зоны плавных сдвижений для размещения садовых участков, огородов, лесопарков, а также о размещении отвалов пустых пород в зоне разрывов и обрушения.
Авторы, рассматривающие данный вопрос, как правило, рекомендуют строительство капитальных сооружений на участках, подвергшихся плавному сдвижению. А некоторые, кроме того, предлагают выбирать для застройки такие участки, на которых процесс сдвижения уже закончился
Территории, подвергшиеся нарушению с разрывом сплошности, рекомендуются для размещения одноэтажных некапитальных соор\жений. для сельскохозяйственных целей (пашни, сады, выгоны скота), а также для проведения различных коммуникаций
Зона провалов, по мнению некоторых авторов, может использоваться для размещения отвалов пустых пород, а после полной консолидации последних также для сельскохозяйственных целей и размещения некапитальных сооружений и коммуникаций
Следует отметить, что и для меднорудной отрасли горнодобывающей промышленности накоплен немалый опыт как подработки различного рода объектов, так и размещения новых на уже подработанных территориях. Имеются многочисленные примеры строительства рахличных учрежденческих и промышленных сооружений на ранее подработанных площадях в городах Верхняя Пышма. Березовский, Краснотурьинск, Дегтярск, поселках Зюзельский и Ольховка. Наиболее остро этот вопрос стоит на Калатинском руднике, горные выработки которого расположены под территорией Кировоградского металлургического завода, на Пышмннском месторождении, где сейчас ведется интенсивная застройка подработанных территорий, и на Гумешевском руднике, где вплоть до настоящего момента происходит оссданис подъездных путей Полсвского криолито-вого завода.
Среди множества описываемых случаев представляет интерес строительство нового здания железнодорожной станции на Дегтярском руднике (2|.
Здесь \часток станции, расположенной в лежачем боку шахтного поля, попат в зону сдвижения. и старое здание станции, располагавшееся в 38 м от образовавшегося провата, придя в полную негодность, было снесено. Но так как процесс сдвижения находился в стадии зат\лания. было решено строить новое здание на участке существующей станции.
Пять лет наблюдений за зданием показали отсутствие опасных деформаций, хотя в наружных и внутренних его стенах, расположенных вкрест простирания рудного тела, имеются трещины разрыва шириной от 0,5 до 2,5 мм. Для повышения безопасности здания были рекомендованы укрепительные железобетонные пояса на нулевой отметке и на уровне перекрытий.
Еще одним из примеров использования ранее подработанных участков может служить строительство новой вентиляционной установки на промплошадке шх. «Чекист» Лсвихинского рудника (3].
Размещение здания вентиляционной установки на подработанном участке было вызвано значительной застроенностью промплощадки шахты и прилегающих к ней территорий. Заключение о возможности такого строительства было выдано в 1984 году, а эксплуатация установки началась в 1988 году.
Ранее, если судить по результатам наблюдений, на месте расположения вентиляционной установки наблюдались оседания поверхности, превышающие значения критических деформаций К 1982 году всякие деформации пород лежачего бока практически прекратились.
В стенах здания были заложены репера для наблюдений за его состоянием. Но с 1988 года до настоящего момента никаких деформаций зафиксировано не было.
При застройке подработанных территорий неизбежно встает вопрос о размещении всякого рода инженерных сооружений и в том числе автомобильных и железных дорог.
Примером проведения автодорог на подработанной территории может служить Красногвардейский рудник (г. Красноуральск», где через зону плавных сдвижений и трещин проложена автодорога, связывающая Пригородный поселок с центром города.
В качестве еще одного примера можно привести возобновление движения по автодороге на Ломовском руднике, где после начата отработки произошло сдвижение поверхности, и участок дороги протяженностью 200 м оказался в зоне террас и крупных трещин с оседанием до 2 м и более [1|.
Также и на Левнхинском руднике на месте старого провала глубиной 32 м после его засыпки была проложена узкоколейная железная дорога Лсвиха - Кнровград, которая действует по настоящее время. Наблюдений за деформацией полотна дороги не производится, но аварий, связанных с осадкой основания, не было (2).
Интересен уже ранее отмеченный опыт эксплуатации подъездных путей Полсвского крио-литового завода, расположенных на подработанных территориях Гумешевского рудника. Здесь в свое время была отработана часть запасов из предохранительного целика Горные работы на месторождении закончены в 1993 году, но процесс сдвижения происходит и до сих пор. Причем зафиксирован выход незначительных по размерам воронок обрушения в непосредственной близости от железнодорожного полотна. Интенсивная эксплуатация железной дороги производится и в настоящее время, проводится текущий ремонт путей, и никаких аварий, связанных с проявлением процесса сдвижения, до сих пор не было.
Таким образом, возможно предположить, что при подработке зданий и соору жений их деформации происходят вследствие неравномерности вертикальных и горизонтальных деформаций земной поверхности Анализ, проведенный в одной из работ института «Унипромедь», показывает, что в принципе несущие конструкции сооружений при подработке претерпевают те же воздействия, что и в обычных условиях при неравномерных осадках оснований на неоднородных, насыпных и просадочных гру нтах. Поэтому при проектировании строительства на подработанных территориях учет дополнительных воздействий на элементы констру кций может производиться аналогичными методами расчета, что и при проектировании зданий и сооружений в условиях неоднородных, насыпных и просадочных гру нтов при условии невозможности возникновения внезапных воронок и провалов от не заложенных при производстве горных работ пустот.
Также имеется и опыт использования участков, связанных с размещением технологических объектов. В перву ю очередь это касается отвалов. Так, для примера можно привести работу |6], в которой рекомендуется использование поверхности отвалов на Левнхинском руднике. Их площадь составляет порядка 22 га. Было сочтено возможным использовать их для проведения различного рода неответственных коммуникаций (телефонные линии, водопровод и пр.). Есть примеры использования отвалов в сельскохозяйственных и лесоустроительных целях.
Но описанных в литературе случаев использования таких участков значительно меньше, чем случаев использования подработанных территорий. Поэтому данный вопрос требует дальнейшей более глубокой проработки
Опыт проведения районирования
В 1989 году институтом «Унипромедь» была проделана работа |2], одним из вопросов которой было районирование подработанных территорий на Дсгтярском руднике. Общая площадь сдвижения по этому руднику составила 225 га. По результатам проводимых наблюдений были выявлены параметры процесса сдвижения, в связи с чем представилось возможным районировать подработанные земли в зависимости от их нарушенностн и возможности дальнейшего развития процесса сдвижения для их последующего использования. Было выделено шесть зон, начиная зоной провалов и воронок, где допускалось лишь пересечение зоны комму никационными сооружениями вкрест простирания с принятием дополнительных мер охраны, и заканчивая зонами плавных сдвижений во флангах месторождения с оседанием менее 0,3 м, где допускалось любое строительство до 9 этажей. Возможность застройки подработанных территорий в пределах горного отвода позволила отказаться от изъятия новых территорий в окрестностях г. Дсгтярска на площади более 70 га В дальнейшем предполагалось проведение контрольных серий наблюдений для исследования процесса сдвижения, что могло бы слу жить основанием для перевода территорий из одной группы нарушенностн в другую.
Аналогичная работа проводилась и для Левихинского рудника в 1996 году |6). На данном месторождении, как уже было сказано, горные работы ведутся до сих пор. В связи с этим в качестве основного показателя районирования была выбрана стадия развития процесса сдвижения. Это позволило выделить четыре группы: от уже закончившегося процесса сдвижения до еще только предполагаемого. В отдельную группу, непригодную для использования, выделялись провалы Остальные группы по степени нарушенностн территорий разделялись на две подгруппы. Первая -с разрывом сплошности, вторая - без. Кроме процесса сдвижения, на данном руднике рассматри-
валось также и размещение различных технологических объектов (отвалы пустых пород, карьерные выемки, устья ликвидированных горных выработок)
В отношении возможности использования было выделено пять категорий от опасной зоны, непригодной для использования (зона провалов и все технологические объекты), до территорий. на которых допускается любое строительство с минимумом конструктивных мер защиты (участки с полностью прекратившимся процессом сдвижения при нарушениях поверхности без разрыва сплошности).
В конечном итоге к нарушенным территориям было отнесено около 130 га. Из них для сельскохозяйственного пользования и размещения коммуникаций было рекомендовано порядка 37 га (28 %). а для различного рода строительства - около 51 га (39 %).
В заключение представляется возможным определить дальнейшее направление развития данной темы и сделать следующие выводы:
1. В настоящее время как по меднорудной отрасли, так и в целом по горнодобывающей промышленности накоплен значительный опыт использования нарушенных территорий как вследствие процесса сдвижения, так и в связи с размещением различных технологических объектов. Этот опыт требует обобщения и вынесения общих выводов о возможностях и направлениях использования подработанных и нарушенных территорий.
2. По всем ныне отработанным и находящимся в стадии доработки месторождениям необходимо провести исследования, основными задачами которых на данном этапе являются следующие:
- Проведение очередных серий наблюдений на ранее заложенных наблюдательных станциях. При совместном анализе полученных данных с предыдущими установление стадии затухания процесса сдвижения на месторождениях.
- Обследование поверхности рудников с целью установления степени нар>шснности рассматриваемых территорий.
- Проведение ревизии всех пустот с учетом возможности их дальнейшего самообрушсния и заполнения.
3. Следует отметить, что районирование, проведенное на таких месторсждсниях. как Дсг-тярскос и Лсвихинскос. является предварительным и требует дальнейшей проработки. Но, с др>-гой стороны, этот опыт является базой для проведения районирования как на этих месторождениях, так и на других.
В конечном итоге результатом проводимых исследований должна явиться разработка методики районирования как для отдельных месторождений, так и общей методики в целом, вынесение конкретных рекомендаций по использованию нарушенных территорий на отработанных месторождениях. по которым проводились исследования
Принимая это в качестве базы, в дальнейшем разработка методических и нормативных положений по вопросу использования и районирования нарушенных территорий должна включать в себя методику оценки нарушенное™ территорий, критерии нарушснности. методику районирования и основные направления и возможности использования этих участков Под нарушенными территориями в данном случае следует понимать как участки, подвергнувшиеся процессу сдвижения, так и участки, связанные с размещением технологических объектов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Исследование процесса сдвижеиия при отработке разрозненных слепых рудных тел с целью установления мер охраны и безопасной глубины: Отчет по научно-исследовательской работе / Унипромедь. -Свсрдтовск. 1985.
2. Исследовать устойчивость бортов карьеров и процесс сдвижения земной поверхности на открытых и подземных рудниках с целью сохранности прилегающих к рудникам территории. Исследовать процесс сдвижения с целью рационального использования подрабатываемых территорий для застройки зданиями и сооружениями различных категорий охраны на месторождениях Дсгтярского рудоуправления: Отчет о научно-исследовательской работе / Унипромедь - Свсрдтовск. 1989.
3. Проект мер охраны сооружении и объектов Левихинското рудника Киро»традского медеплавильного комбината / Унипромедь. - Екатеринбург. 1994.
4. Руководство по проектированию юании и сооружении на поорабатываемых территориях. -М : Стройнздат. 1983.
5. Руковооство по расчету и проектированию юани и и сооружений па поорабатываемых территориях. - М : Стройиздат. 1977.
6. Техническая информация о выполненных в 1996 .-ооу исследованиях на тему: Исследование сдвижения горных пород на месторождениях Кировградского мелькомбината для установления возможности использования на них подработанных территорий / Унипромсдь. - Екатеринбург. 1996.
7. Шагалов С И. и др. Защита и подработка здании. - М: Недра. 1974.
УДК 622.833.5.001.24
О. В. Зотеев
УЧЕТ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ ОЦЕНКЕ УСТОЙЧИВОСТИ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РАЗРАБОТКИ
Основным методом оценки устойчивости конструктивных элементов систем разработки полезных ископаемых в настоящее время является расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) скальных массивов Однако классические схемы расчета НДС ориентированы на моделирование ситуации на конечной стадии отработки запасов и не учитывают последовательности развития горных работ. В то же время совершенно очевидны три фактора, требу ющие при моделировании НДС и оценке устойчивости элементов систем разработки учета порядка выемки запасов и производства закладочных работ:
1. Потеря устойчивости констру ктивных элементов может произойти на любой стадии отработки запасов
2. Выработанное пространство формируется постепенно По мере развития горных работ непрерывно происходит деформирование структу рных блоков, их взаимное перемещение и изменение в результате этих перемещений прочностных и деформационных характеристик контактов. Очевидно, что при высоком уровне первоначальных напряжений на любой из стадий отработки могут происходить необратимые деформации всех структурных элементов массивов. Деформационные характеристики массива в этом случае приобретут нелинейный характер, а в окрестности выработанного пространства может образоваться зона неупругих деформаций (ЗНД). параметры которой зависят от последовательности отработки запасов.
3. Механизм взаимодействия искусственного и вмещающего массивов также определяется порядком ведения добычных и закладочных работ: созданный блок закладки первоначально не нагружен ни весом налегающих пород, ни действующими в массиве горизонтальными силами. При дальнейшей отработке запасов происходит дополнительное деформирование вмещающего массива, приводящее к нагружению закладки. Очевидно, что величина напряжений, действующих в закладочном массиве, будет зависеть от соотношения модулей деформации скального массива и закладки, размеров и формы выработанного пространства в целом и отдельного выемочного блока. а также от порядка выемки запасов и заполнения выработанного пространства
Влияние последовательности изменения формы и размеров выработанного пространства на НДС массива может быть учтено на основе применения моделей нелинейно-упругих разу проч-няющихся сред. Схема расчета в этом случае представляет собой серию последовательных решений нелинейно-упругих задач, на каждой из которых определяются форма и размеры ЗНД Результаты полученного решения, т.е. расчетные значения секущих модулей деформации, использу ются в качестве начальных условий при расчете НДС массива на следующей стадии отработки. Отображение изменения контура выработанного пространства достигается присваиванием нулевого моду ля деформации всем попадающим в него конечным элементам
Влияние порядка развития очистных работ на НДС массива можно проиллюстрировать на примере Узельгинского месторождения (Учалинский ГОК). Рудное тело № 7 представляет собой горизонтально залегающую линзу, имеющую мощность около 35 м в центральной части и около 4 м по краям, и оконтурено зоной хлорит-серицитовых сланцев мощностью около 4 м. Отработку запасов предполагалось вести тремя панелями, разделенными целиками по 30 м каждый. Каждая
