CC BY
1
12. Ermakov A. Yu. Substantiation of an aerologically safe single-stage technology for mining powerful shallow formations with controlled release of coal from interlayer and underlay packs: dis. ... Doctor of Technical Sciences. 2019. 131 p.
13. Schemes of interaction of a roofing bundle of coal with rocks of an active roof and with sections of mechanized support / A. Y. Ermakov, S. A. Novoseltsev, I. S. Biktimi-rov, S. I. Kalinin // Bulletin of the scientific center for safety of work in the coal industry. 2009. No. 1. pp. 97-103.
14. Federal norms and rules in the field of industrial safety "Safety rules in coal mines" (approved by Order of the Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision dated 08.12.2020 No. 507; registered on 12/18/2020 No. 61587).
15. Federal norms and rules in the field of industrial safety "Instructions for the prediction of dynamic phenomena and monitoring of rock mass during mining of coal deposits" (approved by Order of the Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision dated 12/10/2020 No. 515; registered 12/30/2020 No. 61949.
16. Demchenko A.G. Remounting of avalanche complexes in Russia has become faster and safer // Coal. 2022. No.7 (1156). pp. 34-37.
17. Operating manual of the tractor crane "Petitto Mule 1550". Moscow. 2010. 31 p.
УДК 556.3: 622.831.6
УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОВАЛОВ НАД ГОРНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ ЗАКРЫТЫХ АНТРАЦИТОВЫХ ШАХТ
Н. В. Пронская
На основании многочисленных натурных исследований провальных деформаций поверхности над выработками закрытых антрацитовых шахт установлены факторы и условия активизации сдвижения породного массива. Доказано, что зона влияния горной выработки при обводнении увеличивается в 3-4 раза и достигает 50-60 м, деформирование породного массива активизируется влиянием обводненных зон тектонических нарушений. Породная толща активного выветривания карбона и расположения старых горных выработок антрацитовых шахт на глубине до 50-100 м представляют собой потенциально провалоопасные зоны. Разработана геомеханическая модель формирования провала над старой горной выработкой неглубокого заложения, учитывающая структуру, обводненность массива и включающая три главных этапа. Предложена методика прогнозирования активных деформаций земной поверхности над горной выработкой, основанная на анализе и расчете параметров исходных, сопутствующих и провоцирующих факторов влияния.
Ключевые слова: закрытые шахты, антрацитовый массив, натурные исследования, обводненность, трансформация свойств, зона влияния, дизъюнктивы, мульда, провал.
Введение
Технология подземной разработки пластовых месторождений угля предусматривает сооружение вскрывающих, подготовительных и очистных выработок. Создание такой подземной пустотной системы вызывает
формирование нового напряженно-деформированного состояния всего породного массива, которое в достаточной степени изучено многими исследователями [1]. Установлено, что вокруг одиночных выработок формируется трещиноватая зона неупругих деформаций, а над очистными выработками главными являются зоны обрушения, трещиноватости и прогиба горных пород. В зависимости от горно-геологических условий определены параметры и закономерности формирования этих зон [1, 2]. Причем доказано, что одним из главных факторов, влияющих на формирование зон влияния горных выработок, является обводненность пород.
В настоящее время для многих предприятий Донбасса после отработки угольных запасов выполнена ликвидация шахт методом мокрой консервации. Начиная с нижних отработанных горизонтов произошло поэтапное затопление выработанного пространства. Поэтому в результате полного обводнения породного массива и трансформации его гидродинамических свойств происходит активизация сдвижений горных пород с проявлением новых геомеханических эффектов. При этом следует выделять первый этап - затопление до уровня, когда геомеханические процессы сдвижения породной толщи не проявляются активно на поверхности, и второй этап - когда уровень подземных вод поднялся практически до поверхности и происходит активизация процесса сдвижения покровных отложений и выходящих на земную поверхность коренных пород. Главными активными процессами на поверхности являются - углубление мульды сдвижения и формирование провалов над горными выработками с выходом подземных вод [3 - 7]. Цель работы - изучить условия формирования провалов на площадях антрацитовых шахт.
Методика научных исследований
Методика исследований по рассматриваемому вопросу включала обзор литературных источников; анализ шахтной геолого-маркшейдерской документации; обработку данных материалов разведочного, гидрогеологического и технического бурения 220 скважин, выполненного за последние 10-20 лет на территориях четырех углепромышленных районов Донбасса специализированными организациями; проведение натурных исследований провалов на территориях закрытых антрацитовых шахт Должано-Ровенецкого и Боково-Хрустальского углепромышленных районов; обобщение полученной информации с целью установления факторов и условий, а также разработки схемы модели формирования провалов над горными выработками закрытых антрацитовых шахт.
Результаты исследований
Особое значение имеет изучение процесса активизации деформаций поверхности для антрацитовых регионов (Боково-Хрустальский и Должа-но-Ровенецкий углепромышленный районы), где высокометаморфизован-ная породная толща дополнительно активизирована множеством дизъюнк-
тивных нарушений. Так известно, что при затоплении шахт в этом регионе нарушается геомеханическое равновесие в массиве, при этом накапливаются огромные силы, которые могут проявиться в интенсивном сдвижении горных пород, прорывов воды и газа на поверхность. При этом такое сдвижение наиболее вероятно развивается по зонам тектонических нарушений. Причем сдвижение происходит ступенчато или волнообразно, что вызывает эффект горного землетрясения. Сдвижение в массиве даже на несколько сантиметров создает серьезную угрозу безопасности работы соседних шахт, нарушает целостность прилегаемых зданий, сооружений, коммуникаций и приводит к перераспределению фильтрационных потоков внутри техногенных водоносных горизонтов. Исследование деформационного поведения подтопленных литологических слоев с тектоническими нарушениями над зонами старых горных работ на ряде шахт («Маяк», № 12 «Дарьевская», «Наклонная» и др.) показало, что имеется сложный периодический характер зависимости между действующими напряжениями и вызываемой ими деформацией [3].
Наиболее опасными деформациями земной поверхности являются провалы над горными выработками. Ввиду особой важности изучение формирования провалов проводилось многими исследователями для различных горно-геологических условий. Следует отметить, что были установлены параметры и закономерности развития провальных деформаций над горными выработками, разработаны способы их эффективной ликвидации [4-7]. Однако для антрацитовых регионов данный вопрос изучен недостаточно. Это связано с особенностями формирования зоны влияния горных выработок с крепкой кровлей до и после затопления, а также с активизацией деформаций поверхности при пересечении выработками крутопадающих обводненных тектонических нарушений. Поэтому важное значение имело изучение, как характеристик провалов, так и состояния выработок и породного массива на площадях закрытых шахт.
Изучение состояния породного массива после подработки и закрытия шахт методом мокрой консервации выполнялось по разведочным, гидрогеологическим и техническим скважинам (материалы предприятий «Во-стокгеология», «Спецтампонажгеология», «Геотехника» и «Геолсервис»), по геолого-маркшейдерской документации, при обследовании провалов. Объемы исследовательских работ по основным углепромышленным районам приведены в табл. 1.
В процессе анализа технической документации и данных натурных исследований были изучены характеристики 51 провала, что позволило разработать геолого-физическую модель развития опасных деформаций над старыми горными выработками.
Таблица 1
Объемы скважинных исследований по углепромышленным районам
Углепромышленный район Общее количество скважин Количество скважин с поглощением промывочной жидкости Количество скважин с провалом бурового инструмента Количество провалов Примечание
Алмазно-Марьевский 18 10 10 9 Провалы над капитальными выработками
Селезневский 24 17 12 11
Боково-Хрустальский 36 29 26 8
Должано-Ровенецкий 142 103 98 23
Наиболее детально выполнено изучение условий формирования провалов в антрацитовых углепромышленных районах, где были проанализированы горно-геологические условия и параметры воронок провалов, горнотехническое состояние выработок. Данные исследований по антрацитовым шахтам приведены в табл. 2, фрагмент исследований показан на рис. 1.
Таблица 2
Условия формирования провалов на антрацитовых шахтах
Шахта Выработка Марка угля Мощность покровных отложений, м Глубина выработки, м Глубина провала, м
«Дарьевская», № 6 Наклонный ствол А 17,0 56 6,5
«Дарьевская», № 5 Наклонный ствол А 18,0 50 12,2
«Центросоюз» Штрек пласта Ь8 А 10,0 47 6,0
им. Дзержинского, № 2 Наклонный ствол А 8,0 61 5,8
им. Дзержинского, № 5 Наклонный ствол А 10,0 50 6,0
«50 лет Советской Украины» Бремсберг пласта кн2 А 8,0 60 5,6
им. Володарского Наклонный ствол А 5,0 8 5,4
«Свердловская» Наклонный ствол А 3,5 15 4,1
«Наклонная» Наклонный ствол А 2,5 17 3,2
«Луганская правда» Наклонный ствол Т 2,0 20 3,7
«Межсбросовая» Наклонный ствол А 12,0 18 5,6
№ 73 «Херсонская» В ентиляционная сбойка А 9,5 24 4,8
Рис. 1. Фрагмент изучения провала на шахте им. Володарского
Из табл. 2 видно, что важное значение имеют геологическое строение, метаморфизм пород, глубина расположения старой горной выработки. Именно эти условия будут определять возможность развития провальных деформаций. Наряду с этим определяющее значение имеет обводненность горных пород при затоплении выработок. Многочисленными исследованиями доказано существенное уменьшение прочности пород при обводнении (в 2-3 раза) [8]. Это означает, что консольное зависание пород деформируется, трещиноватая зона влияния горной выработки активизируется и «подземная полость» может подняться вплоть до покровных отложений. При этом дисперсные породы покровных отложений за счет переувлажнения получат разуплотнение и потеряют устойчивость над горной выработкой. Таким образом, складываются все условия для выхода деформаций на поверхность в виде провала. При этом глубина открытого провала зависит от свойств пород, от параметров и состояния выработки. Геолого-физическая модель формирования провала над горной выработкой в обводненных условиях приведена на рис. 2.
На рис. 2 условно отражены три основных геомеханических этапа, развивающихся вокруг горной выработки: I - формирование первичной неупругой трещиноватой зоны; II - обводнение и развитие вторичной трещиноватой гидродинамически напряженной зоны вплоть до покровных отложений; III - обводнение, разуплотнение и ударное воздействие на покровные отложения, формирование провальной воронки. Следовательно, областью провала нужно считать всю породную толщу от поверхности до горной выработки.
III
а
Рис. 2. Схема формирования провала над горной выработкой: а - ширина выработки; Нв - высота выработки; Нв - глубина расположения выработки; Нп - мощность покровных отложений;
Нсс - зона влияния выработки до затопления; Н св — зона влияния выработки после затопления; Нп - глубина провала;
Ргд - гидродинамическое давление на покровные отложения
Важное значение имеет изучение развития трещиноватой зоны влияния горной выработки в обводненных условиях [9, 10]. В общем случае при гидроактивизации процесса сдвижения горных пород параметры зоны влияния горной выработки зависят от многих факторов:
- степени метаморфизма и физико-механических свойств горных
пород;
- параметров выработки и мощности отработанного пласта;
- обводненности горных пород;
- глубины ведения горных работ и способа управления кровлей;
- структурных особенностей породного массива и наличия тектонических нарушений;
- особенностей перераспределения напряжений в породном массиве при обводнении.
Определение параметров зоны влияния горной выработки выполняется расчетом по методикам ЮФУ и ДонНТУ и контролируется скважин-ным методом по поглощениям промывочной жидкости [3]. Применение названных методик и сопоставление результатов с данными скважинных
исследований на полях закрытых шахт в Должано-Ровенецком углепромышленном районе позволило получить результаты, приведенные в табл. 3.
Таблица 3
Размеры зоны влияния горной выработки в обводненных условиях
Ширина выработки, м Глубина выработки, Зона влияния, м, при степени обводненности массива
м до 0,5 1
5 50 3 12
5 100 5 18
10 50 5 20
10 100 7 25
15 50 8 30
15 100 12 34
25 50 12 54
25 100 18 65
Анализ полученных данных показывает, что при затоплении горных выработок высота трещиноватой зоны влияния увеличивается в 3 - 4 раза. Это означает, что высота свода обрушения достигает 50 - 60 м и, с учетом мощности покровных отложений активное деформирование породного массива развивается до глубины 70 - 100 м. На этих глубинах происходит интенсивное физико-химическое выветривание верхних слоев карбона.
Изучение провалоопасных зон над старыми горными выработками закрытых антрацитовых шахт в Должано-Ровенецком районе позволило определить мощности покровных отложений, основные породы кровли, их свойства и глубины выработок при формировании провалов. Результаты исследований приведены в табл. 4.
Таблица 4
Глубины горных выработок при формировании провалов
Порода кровли Прочность на сжатие, МПа Прочность на растяжение, МПа Глубина выработки при провале, м
Сланец песчаный мощностью 3-4 м 58-62 64-65 66-68 6,0-6,2 6,3-6,5 6,5-6,8 20-25 28-32 45-50
Песчаник 80-82 8,0-8,2 20-22
монолитный 84-86 8,3-8,5 30-32
мощностью 5-7 м 86-88 8,5-8,8 48-51
Как следует из данных табл. 4, максимальная глубина расположения выработок антрацитовых шахт при формировании провалов составляет 20-50 м. Отметим, что эти результаты удовлетворительно согласуются с
данными других исследователей [9, 10]. Таким образом, области активного выветривания карбона и расположения старых горных выработок антрацитовых шахт на глубине до 50 м представляют собой потенциально прова-лоопасные зоны при их гидродинамической и тектонической активизации.
Следовательно, в данных геологических условиях наиболее вероятно развитие провалов над горными выработками. В качестве провоцирующих факторов следует отметить техногенную тектоническую активность породного массива при его обводнении. [11-13]. На основании проведенных исследований была разработана методика прогнозирования активных деформаций поверхности над старыми выработками закрытых антрацитовых шахт. Методика основана на анализе горно-геологических условий, геотехнологических показателей и гидрогеотектонических условий (рис. 3).
Рис. 3. Алгоритм реализации методики прогнозирования активных деформаций поверхности над старыми выработками
При сочетании неблагоприятных условий над ликвидированной выработкой прогнозируется провал и принимаются решения и меры по про-
ведению тампонажно-закладочных работ с целью стабилизации деформаций поверхности.
Выводы
1. При затоплении горных выработок антрацитовых шахт происходит активизация деформаций поверхности (Боково-Хрустальский и Дол-жано-Ровенецкий углепромышленные районы), где высокометаморфизо-ванная породная толща трансформируется и дополнительно активизирована множеством дизъюнктивных нарушений. При этом зона влияния выработок увеличивается в 3-4 раза, что вызывает развитие провалов глубиной 3-12 м.
2. Максимальная глубина расположения старых горных выработок при формировании провальных деформаций для антрацитовых шахт составляет 50 м при условии сочетания обводнения и техногенной тектонической активности породного массива. Ликвидация провалов и активных деформаций поверхности выполняется путем проведения тампонажно-закладочных работ.
Список литературы
1. Шашенко А. Н., Майхерчик Т. Н., Сдвижкова Е. А. Геомеханические процессы в породных массивах: монография. Днепропетровск: НГУ, 2005. 319 с.
2. Должиков П. Н., Кипко А. Э., Кобзарь Ю. И. Устойчивость горизонтальных выработок глубоких шахт в обводненных породах: монография. Донецк: Норд-Пресс, 2010. 191 с.
3. Должиков П. Н, Прокопов А. Ю. Геодинамические процессы в гидроактивизированных подработанных горных массивах: монография. Ростов-на-Дону: РГСУ, 2015. 149 с.
4. Должиков П. Н., Прокопова М. В., Хамидуллина Н. В. Натурные исследования провалов над горными выработками закрытых шахт // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018. Вып. 4. С. 3-11.
5. Косов О. И. Провалоопасность территорий закрытых шахт Восточного Донбасса // Эколого-экономические проблемы природопользования в горной промышленности. Шахты: ЮРО АГН РФ, 2006. № 9. C. 145.
6. Белодедов А. А., Должиков П. Н., Легостаев С. О. Анализ механизма образования деформаций земной поверхности над горными выработками закрытых шахт. // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. Вып. 1. С. 160-169.
7. Dolzhikov P., Prokopov A., Prokopova M., Hamidullina N. Investigations of the regularity of the formation of a dip over the mine // MATEC Web of
Conferences. 2018. Vol. 196. Article 03008. (XXVII R-S-P Seminar, Theoretical Foundation of Civil Engineering).
8. Геомеханические и технологические проблемы закрытия шахт Донбасса: учеб. пособие / под общ. ред. С. С. Гребенкина, В. Н. Ермакова. Донецк: ДонНТУ, 2002. 266 с.
9. Гавриленко Ю. Н., Улицкий О. А., Шиптенко А. В. Об условиях образования провалов на земной поверхности над горизонтальными и наклонными выработками // Проявление горного давления: сб. науч. тр. Донецк. 1999. № 3. С. 110-115.
10. Должиков П. Н, Кипко А. Э., Должиков Ю. П. Гидроактивизация деформаций породного массива при закрытии шахт: монография. Днепропетровск : Журфонд, 2015. 216 с.
11. Должиков П. Н, Леонов А. А., Пронская Н. В. Факторы активизации деформаций породного массива закрытых шахт // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2024. Вып. 1. С. 493502.
12. Belodedov A. A., Dolzhikov P. N., Legostaev S. O. Research into Dangerous surfase deformations over inclined shafts af Abandoned Coalmines // Scientific Reports on Resource Issues. Freiberg, Germany: TU Bergakademie, 2016. V. 1. P. 159-165.
13. Курнаков В. А., Страданченко С. Г. Обоснование способов закладки наклонных стволов закрываемых угольных шахт Восточного Донбасса: монография. Ростов-на-Дону: Изд-во журн. «Известия вузов СевероКавказского региона», 2007. 120 с.
Пронская Наталья Викторовна, ассистент, [email protected], Россия, Алчевск, Донбасский государственный технический университет
CONDITIONS FOR FORMATION OF SINKHOLES OVER MINING WORKS OF CLOSED
ANTHRACITE MINES
N. V. Pronskaya
Based on numerous field studies of sinkhole deformations of the surface above the workings of closed anthracite mines, the factors and conditions for intensifying the displacement of the rock mass have been established. It has been proven that the zone of influence of a mine working during watering increases 3-4 times and reaches 50-60 m, the deformation of the rock mass is activated by the influence of watered zones of tectonic disturbances. The rock strata of active weathering of the Carboniferous and the location of old mine workings of anthracite mines at depths of up to 50-100 m represent potentially sinkhole-prone zones. A geomechanical model for the formation of a sinkhole over the old mine workings of non-deep laying has been developed, taking into account the structure and water cut of the rock mass and including three main stages. A method for predicting active deformations of the earth's surface above a mine working is proposed, based on the analysis and calculation of the parameters of the initial, accompanying and provoking influence factors.
Key words: closed mines, anthracite rock mass, field studies, water cut, transformation ofproperties, zone of influence, disjunctives, trough, sinkhole.
Pronskaya Natalya Viktorovna, assistant, doctressa@,mail.ru, Russia, Alchevsk, Donbass State Technical University
Reference
1. Shashenko A. N., Markheychik T., Sdvizhkova E. A. Geomechanical processes in rock massifs : monograph. Dnepropetrovsk : NMU, 2005. 319 p.
2. Dolzhikov P. N., Kipko A. E., Kobzar Yu. I. Stability of horizontal workings of deep mines in watered rocks : monograph. Donetsk : Nord-Press, 2010. 191 p.
3. Dolzhikov P. N, Prokopov A. Yu. Geodynamic processes in hydroactivated undermined rock massifs : monograph. Rostov-on-Don : RGSU, 2015. 149 p.
4. Dolzhikov P. N., Prokopova M. V., Hamidullina N. V. Full-scale studies of sinkholes over mining workings of closed mines // Izvestia of Tula State University. Earth Sciences, 2018. Iss. 4. P. 3-11.
5. Kosov O. I. Failure hazard of the territories of closed mines of Eastern Donbass // Ecological and economic problems of nature management in the mining industry. Shakhty : YURO AGN RF, 2006. No. 9. P. 145.
6. Belodedov A. A., Dolzhikov P. N., Legostaev S. O. Analysis of the mechanism of formation of deformations of the Earth's surface over the mine workings of closed mines // Izvestia of Tula State University. Earth Sciences, 2017. Iss. 1. P. 160-169.
7. Dolzhikov P., Prokopov A., Prokopova M., Hamidullina N. Investigations of the regularity of the formation of a dip over the mine // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 196. Article 03008. (XXVII R-S-P Seminar, Theoretical Foundation of Civil Engineering).
8. Geomechanical and technological problems of closing the mines of Donbass : study guide / under the general editorship of S. S. Grebenkin, V. N. Ermakov. Donetsk : DonNTU, 2002. 266 p.
9. Gavrilenko Yu. N., Ulitsky O. A., Shiptenko A. V. On the conditions of formation of sinkholes on the Earth's surface above horizontal and inclined workings // Manifestation of mountain pressure : collection of scientific papers. Donetsk. 1999. No. 3. P. 110-115.
10. Dolzhikov P. N, Kipko A. E., Dolzhikov Yu. P. Hydroactivation of deformations of the rock mass during the closure of mines : monograph. Dnepropetrovsk : Zhurfond, 2015. 216 p.
11. Dolzhikov P. N., Leonov A. A., Pronskaya N. V. Factors of activation of deformation of the rock mass of closed mines // Izvestia of Tula State University. Earth Sciences. 2024. Iss. 1. P. 493-502.
12. Belodedov A. A., Dolzhikov P. N., Legostaev S. O. Research into Dangerous surfase deformations over inclined shafts af Abandoned Coalmines // Scientific Reports on Resource Issues. Freiberg, Germany : TU Bergakademie, 2016. V. 1. P. 159-165.
13. Kurnakov V. A., Stradanchenko S. G. Substantiation of methods for laying inclined shafts of closed coal mines in Eastern Donbass : monograph. Rostov-on-Don : Publ. of the journal «Izvestia of universities of the North Caucasus region», 2007. 120 p.
