УДК 622.83

Канд. техн. наук Е.Л.ЗВЯГИЛЬСКИЙ (АП “шахта им. А.Ф.Засядько”)

Провалы поверхности в окрестности ранее погашенных угольных шахт представляют серьезную проблему во всех угледобывающих странах [1]. К сожалению, натурные инструментальные наблюдения за длительными сдвижениями над заброшенными шахтами весьма трудоемки и дорогостоящи. Кроме того, традиционные методы наблюдений, которые заключаются в периодическом профилировании реперов наблюдательных станций, обладают низкой информационной возможностью из-за большой вероятности пропустить существенные события типа скачкообразных сдвижений и резких приростов деформаций поверхности. В связи с этим возникает необходимость проведения непрерывного мониторинга сдвижений с помощью автоматизированных недорогих систем. В развитых угледобывающих странах такие системы начинают применяться на практике.

Типичным примером является современный опыт США по мониторингу долговременных опусканий поверхности над заброшенными угольными шахтами. Одним из наиболее полных описаний результатов длительного эксперимента можно считать статью О’Коннора и Мерфи [2]. Авторы исследовали длительные, задержанные во времени на 100 лет и более, опускания поверхности над заброшенными угольными шахтами штата Иллинойс.

Угольная промышленность развивалась в районе Коллинсвилла штата Иллинойс с 1870 по 1964 годы, и площадь, на которой расположен город, подсечена сетью горных выработок. Поддержание покрывающих пород проводилась посредством целиков и блоков угля, которые сейчас начинают проваливаться или, возможно, вдавливаться в аргиллитовую почву [2]. Как результат глубинных разрушений в районе заброшенных шахт появляются оседания поверхности по площади всего города. Движение покрывающей породы, и в конечном счёте поверхности, подвергло строения, улицы, водопроводы и другие вспомогательные конструкции деформациям и напряжениям, которые причинили повреждения.

Измерения сдвижений во времени можно производить с помощью современной техники: так называемой тайм-домайн рефлектометрии. Для этого коаксиальный кабель закрепляют в породном массиве с помощью цементного состава, как показано на рисунок 1 чтобы проследить за данными сдвижениями массива. Перед установкой кабель пережимается для получения периодических меток, играющих роль опорных отсчётных меток по всей длине кабеля. После этого кабель опускается в пробуренную скважину и прикрепляется к окружающей его породе расширяющимся цементным раствором. В процессе сдвижений массива горных пород возникли относительные подвижки между слоями, которых было достаточно для появления трещин в растворе. В результате появились деформации кабеля, отмеченные рефлектором (ТДР). Так называемая тайм-домайн рефлектометрия подробно описана в [2–6]. По кабелю пропускают электромагнитный сигнал, который, отражаясь частично от пережатий, оставляет метки на экране осциллографа или компьютера. По местоположению меток и их величине судят о месте нарушения массива и его характере. В последнее время достигнуты существенные результаты в трактовке показаний ТДР метода, а так же повысилось доверие к количественным изменениям амплитуды и длины волны. Эти тенденции сделали возможным различение деформаций сдвига и растяжения. Кроме того, доступность компьютеров и программного обеспечения позволяет производить удаленное, автоматическое контролирование процесса сдвижения подработанной поверхности длительное время [7–11].

Постоянные проблемы, которые возникают в связи с провалами подработанной когда-то поверхности, привели к необходимости создания специального страхового фонда Иллинойса [12]. Этот фонд предназначен для помощи владельцам нарушенных зданий и сооружений, и компенсации затрат на их ремонт, восстановление или новую постройку. Несмотря на большой риск повреждений при задержанных во времени провалах поверхности, строители не закладывали специальных мер в повышение стойкости возводимых конструкций. С другой стороны спектр этих мероприятий и их возможности, к сожалению невелики. По-прежнему школы, церкви, жилые дома и другие сооружения продолжают строить над потенциально опасными по провалам зонами, чему есть несколько причин [13, 14]. Во-первых, люди привыкли здесь жить и не желают считаться с опасностью провала своего жилища, расширяя город над заброшенными шахтами. Во-вторых, существует вероятность, что обрушение поверхности не произойдет в течение жизни данного поколения. В-третьих, очень трудно предсказать, когда произойдет обрушение и произойдет ли оно вообще. Кроме того, владелец рискует иметь значительные проблемы с законодательством, если он откажется строить здание только на том основании, что существует неопределенная вероятность обрушения поверхности в будущем в данном месте.

Отметим также, что целый ряд нарушений сооружений может быть вызван иными причинами, чем подработка поверхности, например усадкой грунта под нагрузкой фундамента или изменением гидрогеологических условий. Поэтому споры о причине разрушения здания могут решать только специализированные фирмы и организации. Кроме того, ремонт здания может быть начат только после того, как сдвижения поверхности завершились. Для того чтобы узнать этот момент, нужно проводить, как правило, длительные наблюдения за оседанием поверхности.

Начальная школа Дорриса была повреждена в 1989 после провала подработанной поверхности [16]. Перенос школы на новое место оценивался по двум вариантам (рисунок 2): на соседнее спортивное поле, или на удаленное за несколько кварталов. Для мониторинга разрушений толщи и её опускания были пробурены скважины ТДР1, ТДР2 и ТДР3 и установлены коаксиальные кабели для ТДР мониторинга. Место выбора площадок для нового строительства основывалось на результатах предыдущих исследований [17–20], предложенных руководством школы и города вариантах, сдвижениях, которые начали развиваться в настоящее время северо-восточнее школы, и плана горных работ.

Шахты разрабатывались на глубине 60 м (рисунок 3). Угольный пласт залегал под 30 метровым слоем ледникового материала и оставшимися 30 м осадочными породами Пенсильванского периода. Ледниковый материал состоит из 10 м лесса, перекрытого илистой глиной и языками песка. Верхняя часть 30 м слоя представлена аргиллитом и илистой глиной с высокой пластичностью. При бурении эта зона легко вымывалась раствором на интервале 8 м. После бурения отбирались керновые образцы пород, каждая скважина обследовалась телеметрией и в её дне устанавливалась изолирующая пробка. Затем в скважину установили коаксиальный кабель, хотя не на полную глубину из-за того, что размытый аргиллит постоянно зажимал и забивал скважину. Скважину ТДР3 пришлось, поэтому обсадить трубами. Все выводы кабелей были собраны и подключены к электронной опросной системе, установленной на специальном столбе. Данные передавались через модем по телефонному кабелю на персональный компьютер.

Данные измерения жесткости пород и показаний рефлектометра приведены на рисунок 4. Жесткость пород определялась по классификации на основе обследования густоты и ориентации трещин в стенках пересекающей скважины. Наиболее примечательны два слоя песчаника мощностью 1,2 м и 6–7 м (рисунок 4). В этих слоях трещины не были обнаружены вообще.

Изменения показаний рефлектометра приведены на рисунке 4 справа, где на глубине 42 м были зарегистрированы всплески от среза и растяжения кабеля. История изменения показаний рефлектометра приведена на нижнем графике рисунок 5. При этом увеличение амплитуды сигнала ассоциируется со срезом кабеля, а её уменьшение с растяжением согласно [5–6]. В период с апреля 1995 по август 1996 кабель испытывал растяжение, вероятно из-за расслоения пластов на слабом породном контакте. За это время оседание поверхности достигло 7–20 мм (см. верхний график рисунка 5). Когда тип деформации кабеля отвечает срезу, эту деформацию можно связать со сдвигом между пластами [21, 22]. В данном случае нельзя с уверенностью говорить о сдвиге, поскольку ему предшествовало интенсивное растяжение.

При вскрытии пласта скважинами ТДР2 и ТДР3 вода наблюдалась постоянно. Более того, телеинспекция скважин показала, что шахты залиты водой, уровень которой показан на рисунке 3. Уровни шахтных вод и грунтовых были независимы и не сообщались, что свидетельствует об изолирующем воздействии слоя глины. Полагают, что продолжающийся процесс оседания школы Дорриса связан с вдавливанием целиков в почву, перераспределением напряжений между целиками, и временным изменением уровня воды и ее давления в пределах выработанных пространств. Согласно данным [24, 25] изменение давления и уровня воды может служить надежным показателем обвалов и сдвижений толщи.

На основании проведенных исследований и комплексного анализа их результатов школу Дорриса было предложено перенести на более удаленный участок в район скважины ТДР2, где скорость опускания поверхности и подземные разрушения были заметно меньше.

Проанализированный выше опыт натурных наблюдений за долговременными опусканиями поверхности над заброшенными горизонтальными выработками дает основание сделать очень важные выводы о механизме таких сдвижений и факторах, его определяющих. Во-первых, одним из очень сильных факторов является геология подработанной толщи. Сдвижения провоцируются на слабых контактах и ускоряются действием воды, если она приходит в контакт с породами глинистого состава. Не менее важным фактором является конфигурация выработанного пространства и его размеры, а также размеры оставленных целиков. Обрушения над малыми целиками, окруженными обширным выработанным пространством более вероятно, чем над большими целиками, разделенными узкими выработанными пространствами. Наконец очень важно, что в процессе обрушений происходит перераспределение напряжений между целиками, что, как правило, является причиной самоподдержания обрушения и оседания.

На основании этих самостоятельных выводов автор данной статьи рекомендует уменьшать пролеты выработанного пространства взрывоподбутовкой и использовать прочные слои пород для стопорения процесса долговременных сдвижений над заброшенными шахтами.

4. Bauer R.A., Dowding C.H., Van Roosendaal D.J., Mehnert B.B., Su M.B., O'Connor K.M., 1991. Application of Time Domain Reflectometry to Subsidence Monitoring. Office of Surface Mining, Pittsburgh, 48 pp.; NTIS PB 91–228411

5. U.S. Environmental Protection Agency., 1981. Rehabilitation of Wastewater Facilities, Streator, Illinois. Final Environmental Impact Statement, EPA–5–IL–LASALLE–STREATOR–WWTP AND CSO–1981, Region V, Chicago, IL, February, 277p.

7. Dowding C.H. 1983 Internal report. Dept. of Civil Eng., Northwestern University, Evanston, IL.

11. Dowding C.H., Su M.B., O'Connor K.M., 1989. Measurement of Rock Mass Deformation with Grouted Coaxial Antenna Cable. Rock Mechanics and Rock Eng., 22, 1–23.

12. Aston T., Charette F., 1993. Installation and Monitoring of Three Abandoned Mine Crown Pillar Sites, Timmons, Ontario: August 1992 to October 1992. CANMET Div. Rep. MRL 93–020 (CL), Min. Res. Lab., Ottawa, June, 61 pp.

13. Campbell Scientific, Inc., 1991. Time Domain Reflectometry for Measurement of Rock Mass Deformation. Product brochure, Logan, UT, July, 2 pp.

15. Charette F., 1993b. Results of the Monitoring of Three Crown Pillar Sites in Cobalt, Ontario. CANMET Div. Rep. 92–101 (CL), Min. Res. Lab., Ottawa, Mar., 31 pp.

16. Tektronix, Inc., 1989. SP232 Serial Extended Function Module Operator/Service Manual, Redmond, OR, Jan., 103 pp.

17. Illinois Mine Subsidence Insurance Fund., 1987. Annual Report. 180 North Stetson Ave., Suite 1410, Chicago, IL, 12 p.

23. O'Connor K.M., Siekmeier J.A., Powell L.R., 1996a. Using a Computer Spreadsheet to Characterize Rock Masses Prior to Subsidence Prediction and Numerical Analysis. U. S. Bureau of Mines, RI 9581, Minneapolis, MN, 69 p.

24. O'Connor K.M., Siekmeier J.A., Stache J., 1996b. Using GIS and Numerical Modeling to Assess Subsidence Over Abandoned Mines. Proceedings, 13th Annual National Meeting of the American Society for Surface Mining and Reclamation, Knoxville, May.

25. O'Connor K.M., Zimmerly T., 1991. Application of Time Domain Reflectometry to Ground Control. Paper in Proceedings of the 10th International Conference on Ground Control in Mining (Morgantown, June, 1991). WV Univ., pp. 115–121.