Авторы: Академик Трубецкой К.Н., проф., д.т.н. Иофис М.А., к.т.н. Гришин А.В.
Аннотация
В связи с интенсивной отработкой запасов полезных ископаемых в благоприятных условиях все чаще приходится вовлекать в добычу месторождения, залегающие на больших глубинах, в сложных, слабоизученных и потенциально опасных условиях, эффективность работ в которых зависит от надежности их геомеханического обеспечения.
Не менее сложная проблема возникает при освоении подземного пространства крупных городов в связи со строительством подземных сооружений под высотными зданиями, создающими большие дополнительные нагрузки на конструкции этих сооружений.
В статье изложен опыт решения проблем возникающих при реализации геомеханического обеспечения освоения недр в Российской Федерации. Отражены особенности геомеханических процессов при переходе горных работ на большие глубины, их отличие от аналогичных процессов при освоении недр в более благоприятных и изученных условиях. Показаны пути решения вопросов связанных с оценкой, прогнозом и контролем развития деформационных процессов в массиве горных пород и на земной поверхности в рассматриваемых условиях, а также методы управления этими процессами.
В связи с происходящим истощением запасов полезных ископаемых, расположенных в относительно благоприятных условиях, все чаще приходится вовлекать в добычу месторождения, залегающие на больших глубинах, в сложных, слабоизученных и потенциально опасных условиях. Ситуация усложняется и тем, что для повышения экономической эффективности разработки месторождений в этих условиях, а также из-за обостряющейся конкуренции недропользователей, происходит интенсивное внедрение новой, высокопроизводительной техники, во много раз превышающей традиционные темпы подвигания очистных забоев. Закономерности развития геомеханических процессов, установленные для традиционных темпов подвигания забоев, в новых условиях имеют ограниченное применение. Недостаточный учет этих обстоятельств ведет к очень серьезным авариям, нередко с катастрофическими последствиями. Такие аварии с гибелью людей произошли, в частности, на шахтах «Ульяновская», «Юбилейная» и «Распадская» в Кузбассе и на шахте им. Засядько в Донбассе.
Рост антропогенной нагрузки на недра и земную поверхность в районе освоения месторождений полезных ископаемых создает серьезную угрозу возникновения крупных аварий. Первые признаки такой угрозы начинают проявляться в виде разрушений зданий и сооружений, попадающих в зону влияния горных работ. Зачастую на подработанной территории образуются провалы земной поверхности, которые являются серьезной проблемой с точки зрения сохранности расположенных на этой поверхности зданий и сооружений [1]. Существуют трудности прогнозирования мест и времени образования таких деформаций. Проведением только традиционных маркшейдерско-геодезических наблюдений на наблюдательных станциях, заложенных на земной поверхности и в конструктивных элементах зданий и сооружений, не всегда возможно своевременно выявить место, где произойдет провал на земной поверхности. Так на ранее подработанной территории г. Березники Пермского края при движении грузового железнодорожного состава по путям, проходящим над старыми горными выработками, произошло обрушение земной поверхности. В образовавшийся провал попали железнодорожный вагон и несколько железнодорожных путей (Рис.1а). Произошедшая авария серьезно отразилась на графике следования железнодорожных составов в этом районе. Годом ранее в результате аварийного затопления Первого калийного рудника на земной поверхности также образовался провал земной поверхности, в который попали такие значимые объекты как обогатительная фабрика и участок железнодорожного пути федерального значения (Рис.1б).
а) б)
Рис.1 а) провал, образовавшийся под действующей железной дорогой, расположенной над горными выработками в г. Березники Пермского края б) провал, образовавшийся над горными выработками в городе Березники Пермского края.
Другой особенностью современного состояния освоения недр является активно развивающаяся во всем мире подземная урбанизация городов, особенно мегаполисов. Многолетний опыт показывает, что для обеспечения устойчивого равновесия и комфортного проживания в мегаполисе доля подземных сооружений от общей площади вводимых объектов должна составлять 20 – 25 % . Под землей целесообразно размещать до 70 % всех автомобильных стоянок, 80 % складских помещений и 30 % объектов сферы услуг.
На первых этапах освоения подземного пространства основное внимание уделялось технологии строительства подземных сооружений. Однако опыт подземной урбанизации городов показал, что должное внимание в этой проблеме следует уделять вопросам безопасности, связанным с последствиями техногенного преобразования окружающей среды. Так, из-за нарушения геомеханического состояния грунтового массива в Санкт-Петербурге были полностью выведены из строя перегонные тоннели между станциями «Лесная» и «Площадь мужества». Инструментальными и визуальными наблюдениями не были своевременно обнаружены признаки, предшествующие возникновению аварийной ситуации, и прорвавшийся сквозь деформированную крепь обводненный песок плотно «запечатал» оба тоннеля. Заметные деформации получили здания и сооружения на земной поверхности, попавшие в зону влияния этих тоннелей [2].
Не обошлось без аварийных ситуаций и при строительстве «Лефортовского» тоннеля в Москве. Так на участке строительства тоннеля, где работы велись открытым способом с применением метода «стена в грунте», обрушилась ограждающая конструкция котлована (Рис.2), геомеханический мониторинг на данном объекте ограничивался проведением геодезических наблюдений за ограждающей конструкцией котлована. Такие наблюдения не позволили своевременно обнаружить признаки, предшествующие возникновению аварийной ситуации.
Рис.2 Обрушение удерживающей конструкции котлована, при строительстве участка «Лефортовского» тоннеля открытым способом.
В серьезную и все обостряющуюся проблему переросли вопросы взаимного влияния подземных и наземных сооружений, особенно в крупных городах, где одновременно осваивается подземное пространство и строятся высотные здания. Сложность проблемы состоит в том, что в этих условиях развиваются в различных сочетаниях в пространстве и во времени как процессы уплотнения грунта под влиянием веса наземного сооружения, так и процессы разуплотнения грунта под влиянием строительства подземного объекта, т.е. совершенно разные процессы. Недостаточный учет этих особенностей развития геомеханических процессов может привести к авариям в одних случаях, и вызвать неоправданные расходы, за счет необоснованно завышенного запаса прочности, – в других.
Пути решения перечисленных проблем могут быть различны, но наиболее эффективны те из них, которые базируются на знаниях природы и механизма процессов и явлений, происходящих в массиве горных пород и рассматриваемых объектах. Так, для предотвращения катастрофических взрывов газа в угольных шахтах, где применяются высокопроизводительные добычные комплексы, необходимо учитывать следующее:
В результате ведения добычных работ, в верхней части выработанного пространства и в массиве горных пород над выработанным пространством скапливается большое количество метана, которое в штреках, камерах и других доступных для непосредственных наблюдений выработках не фиксируется, поскольку метан легче воздуха. При обрушении пород кровли (геомеханический процесс) происходит залповый выхлоп скопившегося газа в упомянутые выработки (газодинамический процесс), что ведет к резкому повышению в них содержания метана. Выхлоп газа сопровождается мощной ударной волной (геодинамический процесс), вызывающей разрушение и замыкание электросети, воспламенение и взрыв газа и угольной пыли, их возгорание. Необходимо отметить, что указанные процессы протекают за очень короткий период времени (от долей секунд до первых секунд) [3], такие явления, как правило, не фиксируются действующими системами контроля газовой обстановки в шахтах, время срабатывания которых составляет 15 – 30 сек.
После образования первого взрыва, облако раскаленной газоугольной смеси, подхваченное мощной воздушной волной, быстро распространяется по всему шахтному полю. В процессе движения облака объем взрывчатых веществ в нем будет возрастать за счет подсоса газа и пыли, скопившихся в старых, плохо проветриваемых выработках, что в конечном итоге может привести к образованию последующих более мощных взрывов.
Без учета механизма развития и природы возникновения указанных негативных процессов, способных привести к серьезной аварийной ситуации, невозможно реализовать мероприятия по эффективному мониторингу при ведении горных работ в указанных условиях.
Важную роль играет изучение природы и механизма развития геомеханических процессов при выборе эффективных способов охраны объектов, расположенных на территории подработанной горными работами. Так, например образованию провалов на земной поверхности в зоне влияния горных работ, предшествует деформирование породного массива, вызванное деформированием горных выработок. Процесс деформирования 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 своевременного обнаружения признаков, предшествующих возникновению провалов на земной поверхности, необходимо проводить геомеханический мониторинг, учитывающий механизм развития деформационных процессов в рассматриваемых условиях. Маркшейдерские наблюдениями за сдвижением земной поверхности, как правило, фиксируют конечную стадию этих процессов, основное развитие которых происходит в массиве горных пород. А в случае, когда ближе к земной поверхности залегают более прочные породы, могут вообще не зафиксировать деформаций земной поверхности. Для своевременного выявления деформирования массива горных пород до выхода предельных деформаций на дневную поверхность, наряду с маркшейдерскими измерениями, проводимыми на земной поверхности, необходимо производить инструментальные измерения деформаций массива горных пород в специальных наблюдательных скважинах (Рис. 3).
Рис. 3 Схема размещения наблюдательных станций в зоне влияния горных работ.
1 – наблюдательная скважина с размещенными в ней глубинными реперами; 2 – грунтовые репера на земной поверхности; 3 – деформационные репера заложенные в конструкцию зданий; 4 – инклинометры, для наблюдений за креном зданий.
Геомеханический мониторинг, организуемый по указанной схеме, способен заблаговременно зафиксировать развитие деформационных процессов над горными выработками, до их негативного проявления на земной поверхности, и тем самым обеспечить запас времени для проведения специальных защитных и профилактических мероприятий, направленных на недопущение катастрофического развития событий (например - укрепление грунтов).
Пути решения проблемы повышения безопасности освоения подземного пространства городов лежат в установлении закономерностей развития геомеханических процессов и зависимостей их параметров от основных влияющих факторов при техногенном преобразовании недр. Для этого необходимо, прежде всего, объединить усилия специалистов, занимающихся этой проблемой, с таким расчетом, чтобы инструментальные наблюдения за развитием геомеханических процессов осуществлялись по единой методике, с одинаковой точностью, периодичностью и соблюдением других требований, открывающих широкие возможности научного обобщения большого объема инструментальных наблюдений, проводимых в различных условиях.
Для предотвращения возникновения аварийных ситуаций при строительстве подземных сооружений в условиях плотной городской застройки необходимо организовывать геомеханический мониторинг, учитывающий специфику развития деформационных процессов в рассматриваемых условиях. Одна из схем проведения такого мониторинга приведена на рисунке 3.
Для предотвращения негативного взаимного влияния подземных и наземных сооружений нельзя допускать, чтобы здание на земной поверхности попадало в зону максимального развития сдвигающих сил. На рис. 4а схематически показано сооружение котлована для подземного объекта при отсутствии высотного здания в зоне влияния объекта, а на рис. 4б - те же условия, но при наличии высотного здания в зоне, где преобладают сдвигающие силы. В первом случае грунтовый массив устойчив, во втором – теряет устойчивость из-за приращения сдвигающих сил.
а)
б)
Рис.4 Схемы развития деформационных процессов при строительстве подземного сооружения с применением метода «стена в грунте».
1 – потенциальная поверхность скольжения; 2 – эпюра разности между удерживающими и сдвигающими силами; 3 – эпюра приращения сдвигающих сил за счет пригрузки от высотного здания.
Для повышения безопасности и эффективности освоения недр с целью разработки месторождений полезных ископаемых или с целью строительства подземных сооружений различного хозяйственного предназначения, необходимо надежное геомеханическое обеспечение таких работ. Оно включает в себя оценку, прогноз и контроль геомеханического состояния массива горных пород и управление этим состоянием. Оценка состояния массива производится на основании данных геологов о строении и свойствах слагающей толщи горных пород, тектонике района и других имеющихся сведений. В качестве первого приближения можно пользоваться отношением
где Y – объемный вес пород; Н – глубина горных работ; k – коэффициент структурного ослабления массива; R – временное сопротивление пород сжатию. При n < 1 массив находится в устойчивом состоянии, при n = 1 он находится в предельном состоянии, а при n более 1 он находится в запредельном, неустойчивом состоянии.
В тех случаях, когда ожидаемые (расчетные) деформации оказываются больше допустимых значений, следует применять методы управления геомеханическим состоянием массива горных пород, под которыми понимается совокупность научно обоснованных приемов и операций, позволяющих в процессе освоения ресурсов недр целенаправленно изменять состав, строение, свойства и состояние массива горных пород и обеспечить развитие процессов его деформирования, разрушения и фильтрации подземных вод в заданных направлениях, объемах и в установленных пространственно-временных пределах.
Основные принципы и методы управления изложены в работе [4].
Практика горного дела последних лет показала, что в современных условиях приспосабливать технологические процессы и параметры систем разработок к геомеханическому состоянию массива горных пород нерационально. Значительно больший эффект дает приведение этого состояния и технологических параметров ко взаимному соответствию путем управления геомеханическими процессами на всех стадиях освоения недр.
Переориентация от созерцательного к творческому подходу к решению возникающих проблем позволит усовершенствовать существующие и создать новые механизмы взаимной адаптации геомеханических и технологических процессов и максимально их использовать.
Литература:
1. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли/ РАН, АГН, РАЕН, МИА; Под ред. академика Трубецкого К.Н. – М.: Издательство Академика горных наук, 1997. – 478 с.
2. Трубецкой К.Н., Иофис М.А. Геомеханическое обеспечение комплексного освоения недр г. Москвы. // Горный журнал. - 1999. - №11.
3. Певзнер М.Е., Иофис М.А., Попов В.Н. Геомеханика: Учебник для ВУЗов. – 2-е изд., стер. – М.: Издательство МГГУ, 2008. – 438 с.
4. Викторов С.Д., Иофис М.А., Гончаров С.А. Сдвижение и разрушение горных пород. Под редакцией академика К.Н. Трубецкого. М.: Наука, 2005. – 278 с.
