CC BY
20
© И.М. Батугина, Юй Липзян, A.C. Батугин, 2013
УДК 622.831.32
И.М. Батугина, Юй Пицзян, А.С. Батугин
ВОЗДЕЙСТВИЕ ГОРНЫХ РАБОТ НА ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКУЮ СИТУАЦИЮ И КОМПЛЕКСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ИМ НА ПРИМЕРЕ ШАХТЫ ХУАФЭН В КИТАЕ
Рассмотрена геоэкологическая ситуация, возникшая на шахте Хуафэн, одной из наиболее глубоких и удароопасных шахт Китая. Показано, что оседание земной поверхности, образование глубоких трешин, горные и горно-технические удары, геологическое строение и геодинамическое состояние тесно связаны между собой, что открывает путь к комплексному управлению зашитой окружаюшей среды. Ключевые слова: геоэкология, трешина, оседание, окружаюшая среда, геодинамическое районирование
Шахта Хуафэн расположена в китайской провинции Шаньдун. В настоящее время шахта разрабатывает угольный пласт №4 пермского возраста, имеющий северо-восточное падение 33° и мощность 6,0 м на глубине около 1200 м. С увеличением глубины разработки отмечается усиление негативного воздействия шахты на окружающую среду. Особую тревогу вызывает образование на поверхности протяженных широко раскрытых трещин, пересекающих сельскохозяйственные угодья, населенные пункты, инженерные сооружения и водотоки. Например, с мая по декабрь 2010 на поверхности возникла трещина с раскрытием до 1 м и длиной до 700 м. Исследования показали, что в районе шахты Хуафэн существуют следующие геоэкологические проблемы:
- оседание (образование провалов) земной поверхности;
- образование трещин на поверхности шахтного поля;
- нарушение поверхностных и подземных вод;
- загрязнение окружающей среды при размещении пустых пород;
- разрушение жилых зданий и инженерных сооружений.
1) Оседание наземной поверхности шахты.
Подземная разработка угольного пласта вызывает разрушение вышележащих горных пород, и в определенной степени деформацию на земной поверхности. Из-за деформации на шахте Хуафэн образуются зоны оседания шахтного поля, включающие пять близлежащих деревень. С 80-х гг. прошлого века начали замечать процесс оседания в виде провалов (ям), многие провалы, которые в настоящее время можно увидеть, появлялись повторно после того, как были засыпаны местными крестьянами. Провалы повсеместно развиты, обычно воронкообразны, часть провалов овальна или неправильной полосообразной формы, в районе шахты появилось около 300 провалов, диаметром 3-10 м, глубиной 1,5-5 м, в том числе на северо-западе деревни Тяньцзяюань глубина провалов была до десяти
Рис. 1. Фрагмент трещин на поверхности
метров. До конца 2003 г. общая площадь оседания наземной поверхности шахты - 882 000 м2, из которой 2/3 -равнинные полевые угодья. Максимальная величина оседания на земной поверхности - до 4 метров. Серьёзное оседание земной поверхности шахты на большой территории разрушает большое количество сельскохозяйственных угодий, в результате возникают сложности при обработке земли.
2) Трещины на земной поверхности шахты.
С разработкой пласта угля площадь выработанного пространства непрерывно увеличивается, и трещины в вышележащих слоях горных пород становятся больше и больше, не только вызывая оседание земной поверхности, но и образование поверхностных трещин. На шахте Хуафэн основной особенностью деформирования подрабатываемого массива является образование протяженных и глубоких трещин на поверхности,
шахтного поля
ориентированных в основном по простиранию. Трещины главным образом расположены лентообразно, интервал между трещинами составляет от нескольких метров до десятков метров.
По имеющимся наблюдениям, трещины образуются, когда деформация земной поверхности превышает 2,8 мм/м. Замечено также, что при механизированной разработке возникающие трещины шире и глубже, чем при разработке слоями, но число трещин меньше. В работе [1] возникновение трещин объясняется тем, что при работе длинными столбами по простиранию при угле падения 32°, по простиранию пласта достигается полное оседание земной поверхности, а по направлению падения оседание недостаточно.
На земной поверхности шахтного поля появляется много трещин, наиболее серьезные трещины появились в деревнях Наньлянфу и Хяохеси. На юго-западе, юге и востоке деревни
ботке земли, коммуникациям и устойчивости жилых зданий.
3) Нарушение поверхностных и подземных вод.
Из-за того, что добыча угля ведется на большой глубине, крепление глубоких штреков и профилактика шахтных вод стали важной составляющей работ по безопасности [5]. На шахте Хуафэн на разработку угольного пласта №4 серьезно влияет приток подземных вод из третичных конгломератов. В процессе разработки более 30 раз происходили аварии, связанные с внезапными притоками. С увеличением интенсивности разработки угольного пласта №4 приток подземных вод из конгломератов продолжает расти, в основном составляет свыше 4.0 м3/мин, максимальный приток до 12 м3/мин. Основными путями внезапных притоков вод из кровли на шахте Хуафэн являются сквозные трещины. Это доказано производственной практикой. Буровые данные подтвердили, что эти сквозные трещины соединяют выработанное пространство и земную по-верхность[2]. Из-за того что ведение горных работ нарушает первоначальное состояние вышележащих водоносных слоев над угольным пластом, подземная вода из водоносных слоев (главным образом, вода из конгломератов) попадает в шахту и становит-
Рис. 2. Схема блочного строения района шахты ся шахтасй в°д°й. В ре-Хуафэн: зультате чего горизонт
1 - граница 3-го ранга; 2 - граница 4-го ранга; 3 - граница грунтовых вод снижается, шахты; 4 - удароопасная зона; 5 - трещины на поверхно- приповерхностные водные сти; 6 - нарушение Р27; 7 - деревня; 8 - река
Наньлянфу появились трещины шириной до 6 м, глубиной до 3-5 м (рис. 1). Но сейчас эти, уже не видимые трещины частично засыпаны, частично закрылись. А около деревни Хяохеси появилось несколько широких раскрытых и протяженных трещин. По данным геодинамического районирования эти широкие трещины образуются вдоль границы блоков 1-1 (Мэн-шаньский разлом). На рис. 2 представлена схема блочного строения с этими трещинами. Трещины не только нарушают целостность земли, в результате чего влага из почвы теряется, плодородие почвы снижается, но и большое количество трещин представляет собой скрытую угрозу обра-
Рис. 3. Разрушенные трещинами дома
ресурсы значительно сокращаются, и в соседних деревнях колодцы становятся сухими.
4) Загрязнение пустыми породами.
Было проведено обследование качества подземных вод в окрестности террикона на карьере Синьцю [4]. Исследование показало, что подземная вода в этом районе серьёзно загрязнена, и источником загрязнения является террикон. Терриконы на шахтах являются постоянным источником загрязнения подземных вод, а основным фактором, способствующим загрязнению окружающей среды, является большое количество трещин, образованных при добыче угля. На шахте много лет проводятся горные работы, и накопилось большое количество пустой породы (2 террикона), около 13 млн т, занимающих большую площадь. Прирост пустых пород в террикониках составляет 0,3-0,4
млн т/год. Ежегодно шахта вносит экологические платежи за загрязнение окружающей среды местному отделу охраны окружающей среды в размере миллиона китайских юаней.
5) Разрушение зданий.
Оседание земной поверхности вызывает растрескивание и обвал зданий, в результате чего большое количество домов теряет стоимость. На шахте горные работы вызвали трещины на стенах более 5960 домов, что представляет угрозу для населения (рис. 3).
Мероприятия, направленные на снижение негативного влияния горных работ на окружающую среду в районе шахты Хуафэн
Для уменьшения оседания земли и предотвращения эрозии почвы существуют два основных способа: с одной стороны, принятие мер по со-
кращению оседания земной поверхности, постоянный мониторинг ущерба при горных работах, улучшение руководства угледобывающими работами; с другой стороны, принятие комплексных мер по предохранению земной поверхности и контролю за ней. Для решения вышесказанных проблем в последние годы на шахте Хуафэн проводят следующие работы:
1) Рекультивация оседающей земли и контроль за оседанием грунта:
Согласно требованию рекультивации земли шахта Хуафэн проводила работу по выравниванию и рекультивации оседающей земли. Пример - фруктовый сад в деревне Бэйгучэн, где шахта организовала работу по выравниванию и рекультивации в этой зоне оседания (площадью около 54967 м2) и получила положительный результат. Кроме этого, чтобы уменьшать оседание земной поверхности и управлять трещинами и оседанием земли, шахта проводила работы, направленные на уменьшение оседания методом «Бурение на земной поверхности и заполнение пустот, образованных в результате разделения слоёв вышележащих пород, раствором под высоким давлением». До июня 2001 г. вводили раствор (зола) 1899000 м33, заполнитель (цемент, зола) 336000 м3 в забои №1407,08. На юге деревни Наньлянфу к северу от пункта №7 наблюдения и измерения движения земной поверхности при использовании этого метода был получен положительный эффект: величина опускания уменьшалась на 37,7% ~ 81%.
2) Заполнение трещин.
На шахте Хуафэн применяют метод цементации для заполнения и управления трещинами на земной поверхности. С помощью этого метода
можно заполнить пространство трещин и повысить целостность и стойкость земли. С 1996 г. шахта применила технологию укрепления цементацией для заполнения трещин: на земной поверхности бурили 50 скважин, проводили цементацию более чем в 10 пунктах, всего вводили около 450 м3 заполнителей (в основном цемент, золу) в пространство трещин. Эта технология имеет большое значение для поддержки и профилактики оседания верхнего слоя почвы. Например, в ноябре 1996 г. из-за трещины, появившейся на плотине реки Гучэнхэ, произошла утечка воды в шахту. Вовремя были приняты меры -пробурили в плотине шесть скважин, заполнили пульпой (цемент, жидкое стекло и т.д.) трещину, что дало положительный результат. С 1999 г. шахта выполнила заполнение двух особенно больших трещин площадью 1104.0м на земной поверхности в деревне Сяохеси.
3) Обработка шахтных вод.
Шахтные воды из водоносного
пласта известняка в районе Сюйцзяч-жуан, из водоносного пласта известняка средней ордовикской системы и из третичных конгломератов являются водами низкой минерализации, рН 7~7,6, что позволяет их вторично использовать в углемойке для промывки угля, для пылезащиты на шахте, для озеленения и пылезащиты на земной поверхности, как техническую воду в канализации и т.д. Шахтные воды и сточные воды тепловой электростанции после очистки сбрасываются в окружающую среду.
4) Комплексное использование пустой породы и экологическое управление:
Чтобы в полной мере использовать пустую породу, уменьшить загрязне-
ние окружающей среды и расширение своей территории, шахта Хуафэн построила кирпичный завод, производящий продукцию из пустой породы, тепловую электростанцию, работающую на пустой породе, и цементный завод, соответственно потребляющих около 850 тысяч тонн пустой породы в год. С начала восьмидесятых годов прошлого века, шахта планомерно начала озеленять поверхность нижней части террикона, до сих пор фактическая площадь озеленения - около 20 км2 (более 25 %), древонасаждения - около 80 тысяч, которые играют определенную роль в очистке окружающей среды. По статистике, с 1987 по 1997 гг. из-за пустой породы шахта расширила территорию на 5,57 га, в среднем 0,56 га/г. С 1997 г., благодаря комплексному использованию пустой породы, площади занятой ею земель увеличилась незначительно. Пустую породу планируется использовать для выравнивания поверхности в местах оседания, что одновременно позволит ликвидировать террикон.
5) Ремонт и перестройка домов.
С 1990 г. шахта Хуафэн своевременно выплачивает серию компенсаций на ремонт домов, сильно разрушенных горными работами. До декабря 2001 г. оплачен ремонт деревенских домов более чем на 6 миллионов китайских юаней. Шахта восстановила дома вместо поврежденных на прежнем месте, используя строительные антидеформационные технологии, а также построила новый жилой район для тех, у кого дома сильно разрушены. Чтобы получить новое место для постройки жилого района, шахта применила метод обмена земли. В месте, где
раньше находилась деревня, планируется разравнивание земли и рекультивация. Благодаря этому шахта сэкономила расходы на расширение своей территории в сумме 84,3 миллиона китайских юаней.
Исследование по геодинамическому районированию на шахте Хуафэн
В 2010-2012 гг. на шахте были выполнены работы по геодинамическому районированию, что позволяет по-новому взглянуть на перспективы комплексного управления геоэкологической ситуацией.
По результатам геодинамического районирования установлено, что шахтное поле пересекают несколько границ блоков различных рангов, что сказывается на протекании процесса деформирования земной поверхности и повышении опасности горных ударов. Граница блоков 2 ранга (одна из ветвей Мэншаньского разлома) пересекает северную часть горного отвода по азимуту 300310°. Движение фронта горных работ по простиранию пласта 290° провоцирует раскрытие естественных трещин массива, что сопровождается внезапными водопритоками, горными ударами, деформированием земной поверхности.
Шахта Хуафэн работает уже более 100 лет. По расчетам, шахта ещё может работать более 30 лет. Таким образом, работы по добыче угля будут продолжаться и проблемы, связанные с ухудшением экологической среды, будут нарастать. Поэтому результаты геодинамического районирования найдут широкое применение при планировании и реализации мероприятий по комплексному управлению охраной окружающей среды на шахте.
1. WANG Li, ZHANG Xiu-feng. Correlation of ground surface subsidence characteristics and mining disasters under super-thick overlying strata. // Journal of China Coal Society, 2009. Vol. 34 No.8, c. 1048-1051
2. JING Ji-dong, SHI Long-qing, LI Zi-lin, et al. Mechanism of Water-Inrush from Roof in Huafeng Mine, Journal of China University of Mining & Technology, 2006, Vol. 35 No. 5, c. 642-647
3. Цяо Цзяньюн, Батугина И.М., Батугин А.С., и др. Активизация блоков земной коры под влиянием горных работ как фактор
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
геоэкологических нарушений на шахте Хуа-фэн в Китае // ГИАБ. -2012. - №12. - С. 132-137.
4. XIAO Li-ping. Study on Pollution Laws of Coal Gangue Leaching Solution to Groundwater System. Fuxin : Liaoning Technical University, 2007.
5. SUN Xiao-ming, CAI Feng, YANG Jun, et al. Numerical simulation of the effect of coupling support of bolt-mesh-anchor in deep tunnel. Mining Science and Technoloy, 2009, 19( 3): 352 - 357. EШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Батугина Ирина Михайловна - доктор технических наук, профессор, научный руководитель,
Батугин Андриан Сергеевич - доктор технических наук, директор Центра геодинамики недр МГГУ, as-bat@mail.ru Юй Лицзян - аспирант,
Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru, Центр геодинамики недр.
ГОРНАЯ КНИГА
Ресурсовоспроизводящая безотходная геотехнология комплексного освоения месторождений Курской магнитной аномалии
Лейзерович С.Г., Помельников И.И., Сидорчук В.В., Томаев В.К. 2012 г. 547 с.
ISBN: 978-5-98672-347-1
UDK: 622.341.11:622.272:622.7:622.013
Изложены проблемы создания и поэтапного освоения ресурсосберегающей и ресур-совоспроизводяшей безотходной геотехнологии комплексного освоения железорудных месторождений, центральным элементом которой является закладка подземного выработанного пространства отходами обогащения железистых кварцитов. Рассмотрены вопросы взаимосвязи добычи руды, выпуска железорудного концентрата, организации оборотного водоснабжения, экономики и экологии горно-обогатительного производства.
