Классификация подработанных территорий по степени их пригодности для дальнейшего использования в хозяйственных целях

Зимич В. С., Иофис М. А., Гришин А. В.

Бурный рост промышленности, наблюдавшийся в последнее столетие, сопровождался существенным увеличением освоения недр Земли. Это привело к тому, что значительные территории пригодные для проживания, оказались подработанными горными работами. Для обеспечения безопасного функционирования подрабатываемых объектов было законодательно закреплено геомеханическое обоснование возможности их подработки и дальнейшее их геомеханическое сопровождение.

Геомеханическое обеспечение освоения земных недр подразумевает под собой решение задач устойчивости подземных объектов и контроля за деформированием вмещающих их пород и земной поверхности, определение влияния подземных объектов на окружающую их природную среду и инженерные сооружения как в период строительства и эксплуатации объектов, так и в период их реконструкции и особенно - ликвидации. Основной целью геомеханического обеспечения является предотвращение аварийных ситуаций при освоении недр, повышение безопасности и эффективности горных работ, обеспечение сохранности и нормальной эксплуатации зданий, сооружений и инженерных сетей, попадающих в зону их влияния, и охрана природной среды.

Подработка территорий в период строительства горных предприятий сопровождалась проблемой сохранности подрабатываемых объектов. В этот период были разработаны различные методы мониторинга и охраны, направленные на обеспечения сохранности подрабатываемых объектов[1,2,3,4].

За последние двадцать лет, проблема строительства зданий и сооружений на площадях залегания полезных ископаемых коренным образом изменилась. За этот период произошла массовая, не бывалых  ранее масштабов, ликвидация горнодобывающих предприятий, в связи с чем объемы строительства на ранее подработанных территориях стали превышать объемы строительства на территориях, подлежащих подработке. Проблема существенно усложняется тем, что после ликвидации горнодобывающего предприятия геомеханические и гидрогеологические процессы в толще пород и на земной поверхности продолжаются, а возможности управлять этими процессами из-за отсутствия доступа к горным выработкам снижаются.

Рост антропогенной нагрузки на недра и земную поверхность создает серьезную угрозу возникновения крупных аварий. Первые признаки такой угрозы начинают проявляться в виде крупномасштабных разрушений жилых массивов. Так, в г. Осинники (Кузбасс) над горными работами шахты «Капитальная» на пологом склоне располагалось около трех тысяч зданий. Никаких повреждений в этих зданиях в период работы шахты не наблюдалось. Через некоторое время после ликвидации шахты все здания вместе со склоном сползли вниз и получили сильные повреждения. Анализ этой аварии показал, что в период строительства зданий во время работы шахты, в ней велась интенсивная откачка воды и ее уровень был значительно ниже потенциальной поверхности скольжения. После закрытия шахты и прекращения откачки воды ее уровень сильно поднялся и подтопил потенциальную поверхность скольжения, что в свою очередь привело к сползанию поверхности склона на котором располагался поселок.

Особую обеспокоенность вызывает накопление в недрах Земли пустот, образующихся при добыче полезных ископаемых. Обрушение этих пустот проявляется крупными провалами на земной поверхности, вызывающими разрушение зданий и сооружений, попадающих в эти провалы. Несколько таких провалов образовалось, в частности, над старыми и современными горными работами на территории рудников, добывающих калийные соли на Урале. В провал, образовавшийся в 2006 году над горными выработками Первого Березниковского рудника, попали и полностью разрушились некоторые здания и сооружения города Березники, в том числе объекты электроснабжения и линии железных дорог. Значительная территория была признанна потенциально опасной по образованию на ней провалов, за счет чего десятки жилых домов были срочно расселены (рис.1) и (рис.2).

Рис.2 Провал, образовавшийся над горными выработками в городе Березники Пермского края.

Рис.1 Провал, образовавшийся под действующей железной дорогой, расположенной над горными выработками в г. Березники Пермского края.

Проблема безопасного функционирования зданий и сооружений на ранее подработанной территории существует не только у нас в стране, но и за рубежом. В румынском городе Муреш в зоне заброшенной соляной шахты образовался кратер, в который рухнула часть здания супермаркета. Многие близлежащие строения, в том числе жилые дома, сильно пострадали и находятся в аварийном состоянии. По мнению Румынских коллег, катастрофа произошла в результате давления накопившихся подземных вод.

Общая площадь кратера составила около 1800 метров. Трещины появились и в помещениях местного спортивного зала, а также в финансовом управлении города (рис.4-6).

Рис.2 Обрушения земной поверхности в зоне влияния отработанной соленой шахты в Румынии.

Тяжелые последствия, вызванные перечисленными авариями, можно было избежать, если бы в зоне влияния горных выработок проводился геомеханический мониторинг позволяющий выявлять признаки, предшествующие возникновению аварийных ситуаций.

Так в районе произошедшего провала на Первом Березниковском руднике, регулярно проводились инструментальные маркшейдерско-геодезические наблюдения на земной поверхности, которые не зафиксировали признаков возникновения провала. Связанно это с тем, что деформирования породного массива, вызванное разрушением горных выработок, развивается снизу вверх по направлению к земной поверхности. Деформации земной поверхности являются следствием деформирования массива и в некоторых случаях могут существенно отставать во времени, особенно когда ближе к земной поверхности залегают более прочные породы. Такие породы играют роль так называемого «порода-моста». По достижению предельных деформаций породами этого «порода-моста», происходит внезапное их обрушение, в результате чего на земной поверхности образуется провал.

Для выявления на земной поверхности мест возможного образования провалов и эффективного их мониторинга, целесообразно указанные выше инструментальные наблюдения проводить совместно с геофизическими исследованиями. Например, применение гравиметрических или сейсмоакустических методов измерений массива позволяет выявлять места, где образовались разуплотнения горного массива. Далее в указанном районе закладывается комплексная наблюдательная станция, состоящая из системы реперов на земной поверхности, в зданиях и сооружениях и глубинных реперов, размещаемых в скважинах пробуренных в местах возможного образования провала.

Существует несколько способов измерения величин сдвижения горных пород с помощью глубинных реперов, отличающихся конструкцией реперов и способами фиксации их перемещения [5]. Наиболее себя зарекомендовал на практике магнито-герконовый способ измерения глубинных реперов. Который реализуется путем установки в скважине через определенный интервал глубинных реперов – кольцевых магнитов и дальнейшей фиксации их месторасположения специальным датчиком, пропускаемым сквозь установленные репера.

Наблюдения, проводимые на указанной станции, позволят дать количественную оценку геомеханическим процессам, оценить их динамику и при необходимости своевременно принять меры для управления этими процессами.

Из изложенного следует, что для своевременного выявления признаков, предшествующих возникновению аварийных ситуаций необходимо проводить полноценный геомеханический мониторинг, включающий в себя наблюдения за деформациями породного массива, земной поверхности и зданий и сооружений попадающих в зону влияния горных работ.

Мониторинг за сдвижением и деформациями толщи пород на недоступных для непосредственных наблюдений участках проводят с помощью глубинных реперов, заложенных в существующих или специально пройденных скважинах из горных выработок или с земной поверхности.

Очень важным моментом при реализации геомомеханического мониторинга является проведения его по единой методике всеми организациями, занимающимися призводством инструментальных измерений в зоне влияния горных работ. Только тогда данные, полученные в результате проведения таких наблюдений, будут пригодны для интерпретации, что безусловно позволит получить более достоверные сведения о параметрах геомеханических процессов вызванных антропогенным воздействием на недра Земли при их освоении.

Из выше изложенного следует, что наиболее опасными проявлениями упомянутых процессов являются провалы на земной поверхности и ее подтопление. На основании исследований, проведенных УРАН ИПКОН РАН, составлена классификация условий использования подработанных территорий, которая вошла в нормативный документ «Методическое руководство о порядке выделения провалоопасных зон….», согласованный  с Ростехнадзором.

При составлении классификации в качестве основного классификационного признака принята высота зоны обрушения вышележащей толщи, определяемая из выражения:

где М - высота зоны обрушений вышележащей толщи над выработкой, м;
S - сечение выработки вчерне, м²;
f-коэффициент крепости по проф. М.М. Протодьяконову;
K_t- коэффициент, учитывающий продолжительность нахождения выработки в массиве, который определяется с помощью выражения:

K_t = 50/(50 + t)

где t - время существования выработки в толще, год.

Установлено, что различные подработанные территории по-разному могут быть использованы в хозяйственных нуждах.

На основании этого составлена классификация подработанных территорий по степени их пригодности для дальнейшего использования в хозяйственных целях. В качестве основного классификационного признака принята высота зоны обрушения вышележащей толщи, определяющая степень потенциальной опасности для объектов, располагаемых на подработанной территории.

Данная классификация направлена на повышения безопасности и эффективности освоения подработанных территорий за счет своевременного определения степени потенциальной опасности, в зависимости от характера подработки и планируемых условий использования подработанной территории.

Литература:

1. Авершин С.Г. Сдвижение горных пород при подземных разработках. – М.: Углетехиздат, 1947, 244 с.

2. Иофис М.А. Медянцев А.Н. и др. и др. О защите жилых зданий поселка октябрьский г. Горловки от влияния выемки угля в крутопадающих пластах нескольких свит. Госстроя СССР. ДонпромстройНИИпроект. «Надшахтное строительство». Сборник научных трудов №8, 1968, стр. 240.

3. Муллер Р.А. Влияние горных выработок на деформации земной поверхности – М.: Углетехиздат, 1958.

4. Навитний А.М., Иофис М.А., Айуруни А.Т. Опыт разработки угольных пластов под инженерными и природными объектами. – М.: ЦНИЭИуголь, 1987.

5. Инструкция по наблюдениям за сдвижениями горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланцевых месторождениях. М.: Недра, 1987. – 96 с.