Старые горные выработки на малых глубинах: новый взгляд на проблему
Канд. техн. наук Б.И.Нестеренко (ДонНТУ), инж. А.Н.Феофанов (УкрНИМИ)
История развития угольной промышленности Донбасса насчитывает более чем 200-летний период. За это время добыча полезного ископаемого прошла длинный путь от частных мелких шахт, разрабатывающих выходы пластов короткими заходками, до современных крупных предприятий, ведущих добычу угля на больших глубинах одновременно несколькими очистными забоями.
В последние годы во всех горнопромышленных районах Донбасса над старыми горными выработками, пройденными ранее на глубине до 80-100 м, все чаще стали наблюдаться провалы и локальные оседания земной поверхности с повышенными вертикальными и горизонтальными деформациями. Так, лишь только в одном бывшем ПО "Донецкуголь" по статистике ежегодно происходит в среднем три провала земной поверхности над старыми горными выработками, проведенными на малых глубинах.
Анализ материалов разведочного бурения, сбоек горных выработок действующих шахт с погашенными старыми горными выработками показал, что отработанные участки шахтных полей (особенно на горизонтах, близких к земной поверхности) не являются полностью уплотненными и имеют полости различных размеров.
В начальный период освоения Донбасса горные работы велись вблизи земной поверхности. Глубина стволов и шурфов составляла 10-60 м. Очистные выработки крепились деревом (чаше дубом) и проводились узким забоем в виде камер и заходок, поддерживаемых целиками угля. Такие способы ведения добычных работ при небольшом горном давлении создали благоприятную возможность для зависания основной кровли очистных выработок. Известны случаи, когда действующими горными выработками вскрывались старые необрушенные очистные выработки. Подготовительные выработки поддержи-
вались, как правило, с помощью ленточных целиков шириной 6-8 м, что также создавало благоприятные условия для длительного сохранения пустот значительных размеров.
В 1917 году в Донбассе работало около 1600 шахт, ведущих добычу угля в интервале глубин от 50 до 200 м. Средняя глубина очистных работ составляла примерно 50 м. В 1931 году в Донбассе работало уже около 300 шахт. С этого времени наблюдается непрерывный рост глубины разработки и длины лавы. Перед Великой Отечественной войной средняя глубина работ составляла 160 м, а длина лавы - 111,6 м.
В период восстановления шахт Донбасса для обеспечения скорейшей добычи угля было заложено свыше 600 мелких шахт, в которых горные работы велись на малых глубинах, а вскрытие угольных пластов производилось наклонными стволами. Таким образом, за период длительной эксплуатации Донецкого бассейна на его угленосной территории сформировалась обширная сеть старых горных выработок, пройденных на небольшой глубине, в которых сохранились полости незаполненные горными породами.
В результате происходящего в последующие годы интенсивного гражданского и промышленного строительства под застройки были использованы и используются до сих пор участки земной поверхности над старыми горными выработками, пройденными на небольшой глубине.
При соответствующих условиях: ведении горных работ в нижележащих пластах, разрушении сохранившейся крепи, росте нагрузки на крепь сохранившейся старой выработки при строительстве зданий и сооружений, вибрации массива горных пород при работе механизмов, затоплении заброшенных горных выработок, возможна активизация сдвижения горных пород и земной поверхности с образованием провалов или локальных оседаний (микромульд).
Поверхностный комплекс угленосной территории Донбасса представлен зданиями и сооружениями различного типа, немалая часть из которых не имеет конструктивных мер защиты от вредного влияния горных работ. Здания и сооружения, имеющие конструктивные меры защиты, рассчитаны лишь на определенные деформации земной поверхности от глубинных подработок без учета возможной активизации процесса сдвижения и повышения концентрации деформаций земной поверхности за счет уплотнения пустот, сохранившихся на верхних горизонтах старых шахт.
Используемый в отечественной маркшейдерской практике метод расчета вероятных и ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности под влиянием подземных горных разработок дает достоверные результаты лишь в определенных глубинных пределах порядка от 150 до 700 м. Эта методика не применима к расчету деформаций земной поверхности над старыми горными выработками. В результате ожидаемые величины деформаций земной поверхности в десятки раз оказались меньше фактических, полученных на основании результатов маркшейдерских инструментальных наблюдений.
Деформации земной поверхности при активизации старых горных выработок весьма разнообразны. Как показал анализ большого количества собранного материала, величина и вид деформаций земной поверхности над старыми горными выработками определяется, в основном, типом влияющей выработки.
Все очистные выработки на глубинах до 80-100 м независимо от времени их проведения представляют опасность для зданий и сооружений, расположенных на земной поверхности. При активизации очистных выработок старых шахт, отработанных на малых глубинах, деформации земной поверхности проявляются в виде микромульд, которые отличаются от обычных мульд сдвижения меньшими размерами по площади, неправильной конфигурацией в плане, большей кривизной бортов и, вследствие этого, большими
вертикальными и горизонтальными деформациями земной поверхности.
Провалы на земной поверхности образуют также и старые подготовительные и вскрывающие выработки, имеющие наиболее благоприятные условия для длительного сохранения устойчивости. Этому способствовало их крепление, рассчитанное на поддержание устойчивости выработки в течение длительного времени, и способы поддержания горных выработок - обычно с помощью ленточных целиков.
Известно, что до 50-х годов для крепления всех подготовительных выработок применялась древесина с относительно недолгим сроком службы. Внедрение металлической и железобетонной крепи вместо деревянной впервые было предусмотрено в пятилетнем плане восстановления и развития народного хозяйства СССР на 1946-1950 гг. К 1967г. в Донбассе протяженность всех поддерживаемых выработок с металлической и железобетонной крепью достигла 8722 км или 65,8 %. До 1956-57 гг. в Донбассе мало занимались извлечением металлической крепи из погашенных выработок и восстановлением ее после деформации.
Таким образом, все подготовительные выработки на глубинах до 80-100 м, проводимые до 1950-х годов, целесообразно рассматривать как потенциально опасные на возможность образования провала над ними. Подготовительные выработки, пройденные после 1950 года, можно переводить в разряд опасных, если есть данные об их погашении с извлечением металлической или железобетонной крепи из них.
Над вскрывающими выработками (стволами, шурфами, скважинами и т.д.) активизация происходит, как правило, в месте их выхода на земную поверхность и развивается, в основном, в вертикальном направлении с образованием просадок и воронок обрушений на устье. Все вертикальные вскрывающие выработки (стволы, шурфы) необходимо относить к категории потенциально опасных, если нет достоверных фактов надежного погашения их устьев в соответствии с требованиями "Инструкции о порядке ликвидации и консервации предприятий по добыче полезных ископаемых".
Исходя из этих качественных различий, необходима количественная оценка механизма активизации заброшенных выработок. Для подготовительных выработок, опасных по провалам, должен производиться расчет высоты свода обрушений и сравнение ее с глубиной залегания выработки. Для очистных выработок, опасных по образованию локальных оседаний, необходимо рассчитывать максимальные ожидаемые сдвижения и деформации земной поверхности, на основании которых выбирается соответствующая группа территорий по СНиП.
Все вышесказанное свидетельствует о том, что назрела необходимость в разработке нормативного документа, регламентирующего последовательность выполнения работ по оценке степени нарушенности того или иного участка земной поверхности в случае активизации старых горных выработок. Для этого необходимо:
- Выполнить сбор и анализ горно-геологической информации о подработанном участке;
- произвести расчет деформаций земной поверхности при активизации сдвижений вблизи заброшенных выработок;
- выполнить необходимую корректировку результатов с учетом существующих горно-геологических условий;
Помимо выводов и рекомендаций итогом всей работы является план земной поверхности (М 1:2000 и крупнее), на который наносятся зоны возможных провалов и локальных оседаний с повышенными деформациями земной поверхности, направления их вероятного развития. Это позволит выделить группы территорий с различной степенью опасности по активизации сдвижений поверхности.
При застройке участков с возможными провалами земной поверхности необходимо предварительно произвести подготовку территории под застройку посредством стабилизации поверхности, например с помощью бетонных опор, или ликвидации пустот, сохранившихся в горных выработках старых шахт. Существующие способы подготовки территории разнятся технологией и техникой исполнения, однако, преследуют единую цель: предотвратить внезапную активизацию породной толщи над заброшенными выработками с последующим безопасным размещением и эксплуатацией поверхностных сооружений.
Актуальность данной возрастет при дальнейшей инвентаризации земной поверхности и реструктуризации угольной промышленности, когда, с одной стороны, поверхность будет поделена на участки между собственниками, а, с другой, будет выведен из эксплуатации целый ряд нерентабельных шахт. Вследствие этого возрастет число потенциально опасных участков, на которых вероятность проявления деформаций земной поверхности (провалов, локальных оседаний) уже будет зависеть не столько от подработки, сколько от ухудшения техногенных условий. В связи с этим уже сейчас необходимо составить совмещенные планы земной поверхности и старых горных выработок, остановленных и действующих горных работ. На них целесообразно так же отобразить возможные участки подтопления земной поверхности.
Все это позволит определить на земной поверхности прогнозные зоны различной степени опасности с учетом основных влияющих факторов, более экономично выбирать защитные мероприятия для существующих объектов и безопасно размещать проектируемые поверхностные сооружения.