В процессе закрытия угольных шахт в Украине, происходящего в рамках реструктуризации угольной промышленности уже второе десятилетие, возникают целые комплексы ранее неисследованных научно- технических и социальных проблем. Наиболее сложные проблемы приходится решать при так называемой «мокрой консервации шахт», когда выработанное пространство шахт частично или полностью затапливается. Выполненные в УкрНИМИ исследования процесса сдвижения земной поверхности над закрытыми и частично или полностью затопленными угольными шахтами позволили установить эффект активизации процесса деформирования подработанного горного массива [1, 2]. До настоящего времени отсутствовали методы прогноза величины ожидаемых оседаний земной поверхности после прекращения горных работ и при активизации вследствие затопления выработанного пространства. При отработке группы угольных пластов одним из основных ее принципов является разнесение во времени и пространстве горных работ по смежным пластам. При этом становится возможным предотвращение создания опасных геомеханических ситуаций, таких как: наложение зон повышенного горного давления и зон опорного давления от движущегося очистного забоя, опережающая отработка защищаемого выбросоопасного пласта по отношению к защитному. Известно, что при отработке нижележащего пласта в свите в его кровле происходят процессы деформирования, расслоения и обрушения слагающих ее пород, в результате чего в этот процесс вновь вовлекаются породы уже отработанного выше пласта. Если процесс деформирования к этому моменту уже закончен, то происходит его возобновление, а если этот процесс находится в стадии затухания, то происходит его активизация и в него вовлекаются новые слои пород кровли.
Различают несколько зон обрушения пород кровли над выработанным пространством очистных забоев [3, 5], которые зависят от способов управления горным давлением в призабойном и выработанном пространстве и от литологического состава пород кровли и почвы. Непосредственно над выработанным пространством образуется зона беспорядочного обрушения пород, которая своим появлением обязана процессу обрушения слоев слабоустойчивых пород, залегающих непосредственно над пластом, т.н. «ложной кровли». Далее, по направлению удалению от пласта в кровлю располагаются зона интенсивного обрушения, к которой породы непосредственной кровли при обрушении вслед за выемкой угля и передвижкой призабойной крепи интенсивно дробятся. По мере удаления от пласта, вследствие разрыхления обрушенных пород происходит увеличение их объема и уменьшается высота возможного деформирования и обрушения слоев пород. При обрушении пород непосредственной и основной кровли происходит их дробление и разрыхление, что увеличивает их объем и способствует подпору (подбучиванию) вышележащих пород кровли. При этом возможность их опускания уменьшается и процесс деформирования носит затухающий характер.
Через некоторое время, которое превышает период затухания деформаций оседания (в соответствии с [4] он составляет в зависимости от глубины отработки пласта от 2 до 3 лет), отрабатывается нижележащий угольный пласт. При этом также происходит обрушение пород кровли над выработанным пространством и деформирование нависающего горного массива вплоть до земной поверхности.
При ведении горных работ происходит обрушение пород кровли угольного пласта. Обрушившиеся породы, разрыхляясь, частично подбучивают образовавшуюся полость. Оставшиеся полости создают условия для дальнейшего развития воронки обрушения, которая при соответствующих условиях может достичь поверхности. Разрыхляемость характеризует свойство горных пород занимать в разрыхленном состоянии больший объем по сравнению с тем, который она занимала в массиве. Показателем его служит коэффициент разрыхления, представляющий собой отношение объема породы после ее разрыхления при обрушении к ее объему в массиве.
Отработанные участки шахтного поля, особенно на его верхних горизонтах, не являются полностью уплотненными и имеют незаполненные полости различных размеров, что подтверждается разведочным бурением и сбойками действующих шахт с погашенными старыми горными выработками. Причиной неполного уплотнения боковыми породами угольного пласта отработанных участков является беспорядочное обрушение пород в горных выработках, их частичное зависание в отработанном пространстве, различные виды крепления горных выработок, частичное или полное извлечение крепления при погашении выработок, и т.д.
Разведочными работами было установлено, что наиболее полное уплотнение выработанного пространства достигается при неустойчивой кровле и дующей почве отрабатываемых пластов в выемочных полях лав. Основные горные выработки (штреки, уклоны, бремсберги и т.д.) обычно имеют уплотненность порядка 30-50% (при их сечении 8-12 м2). Обводненность горных пород резко снижает их устойчивость, породы размокают и становятся склонными к сползанию и т.д., что в результате приводит к завалам в горных выработках. Так на шахте «Россия» п.о. «Красноармейскуголь» сопротивление сжатию песчаника, залегающего в кровле пласта m3 во 2-й южной лаве, в связи с обводненностью снизилось с 600-700 кг/см2 до 176-350 кг/см2, а аргиллит на шахте им. Абакумова ПО «Донецкуголь», залегающий в кровле пласта l4, имел предел прочности на сжатие 250 кг/см2, но при обводненном состоянии снизил его до 134 кг/см2.
В процессе подтопления прочностные свойства горных пород, как указано выше, уменьшаются, что может привести к потере установившегося равновесия толщи горных пород и к активизации процесса сдвижения. В результате чего возникнут дополнительные сдвижения и деформации земной поверхности.
Размеры зоны влияния от активизации процесса сдвижения над старыми горными выработками, характер и продолжительность сдвижения зависят от следующих факторов: а) мощности отработанного пласта угля, угла падения и глубины расположения выработок; б) размеров очистных выработок, расположения и размеров оставленных целиков; в) физико-механических свойств пород; г) структурных особенностей массива горных пород (наличие мощных крепких слоев пород)
Расчет сдвижений и деформаций земной поверхности от активизации процесса сдвижения горных пород при затоплении горных выработок выполнялся от каждой отработанной выработки с последующим суммированием соответствующих сдвижений и деформаций от отдельных выработок. В формулах для расчета сдвижений активизации используется так называемая влияющая мощность пласта на процесс активизации.
В Центральном районе Донбасса разрабатываются угли различной степени метаморфизма: на завороте антиклинали (ПО «Дзержинскуголь») отрабатываются пласты в основном марок К и Ж, по мере удаления на восток, в сторону антрацитовых районов, метаморфизм угля повышается и в ПО «Орджоникидзеуголь» уже отрабатываются пласты марок ОС и Т. Как известно, метаморфизму подвержены не только угли, но и слагающие угленосные толщи породы. С повышением степени метаморфизма породы становятся более прочными, в меньшей степени проявляется влияние на процесс деформации и сдвижения боковых пород наличие контакта между мощными слоями песчаников и глинистых сланцев. Поэтому с повышением степени метаморфизма деформации поверхности проявляются в менее неоднородной форме, т.е. без образования ярко выраженных уступов, которые наиболее часто встречаются именно в районе шахт ПО «Дзержинскуголь» и «Артемуголь«.
Геомеханические процессы в очистных забоях, связанные с обрушением слоев кровли при выемке угля связаны в первую очередь с особенностями строения непосредственной кровли: мощности и прочностных свойств слагающих ее пород. Наличие в кровле глинистых сланцев при заполнении выработанного пространства водой при затоплении, как показали наши исследования, будет активизировать процессы деформации боковых пород. Все виды кровель типизированы и сведены в единую классификацию по обрушаемости, которая разработана ДонНИИ.
Для расчета величины уступа можно использовать любую из известных формул, например, формулу приведенную в «Правилах подработки…»[4]. В настоящее время в Донбассе процесс закрытия угольных предприятий и перевод их на консервацию проводится на нескольких десятках шахт. Приведенная выше методика расчета влияния процесса активизации сдвижений земной поверхности при мокрой консервации шахт положена в основу общей методики выполнения мониторинговых наблюдений.