О.О. Вовк, А.Є. Гай, О.В. Рябчевський - Класифікація методів деформації поверхні землі

Постановка проблеми

В Україні, яка займає 0,5 % суходолу, видобува- ють 5 % твердих корисних копалин. Велика кіль- кість вугілля, залізних і мідних руд, будівельних матеріалів видобувається в Росії, Республіці Польща та інших країнах [1]. Розробка родовищ підземним способом негативно впливає на земну поверхню, викликаючи її осідання, змінюючи ландшафт та спричиняючи інші зміни в геологі- чному середовищі. Вона супроводжується утво- ренням пусток в гірничому масиві, порушенням рівномірного напруженого стану і створенням вогнищ концентрації напруг, руйнуванням і зсу- вами гірських порід навколо пусток.

Зсуви порід досягають денної поверхні та викли- кають осідання ґрунту під поверхневими будів- лями і природними об’єктами (водоймища, бере- ги річок), викликаючи деформації, що призво- дять до руйнування цих об’єктів. Особливо небе- зпечні ці процеси в поєднанні з сейсмічною дією вибухових робіт, землетрусів або гірничих уда- рів, які небезпечні як для підземних виробок, так і для поверхневих будівель і споруд, причому зі зростанням глибини розробки вугільних і рудних покладів кількість і енергетична потужність гір- ничих ударів збільшуються.

Вплив гірничих ударів на об’єкти, розташовані над територіями, що підробляються, або в око- лиці шахтного поля, проявляється у вигляді сей- смічних пружних коливань, що взаємодіють із ґрунтами основ фундаментів і гірських схилів. Особливо небезпечними ці прояви бувають в ра- йоні мульди опускання, коли поверхня піддаєть- ся різним деформаціям з утратою рівноважного стану або досягненням граничних станів. У цьо- му випадку додаткові динамічні навантаження, самі по собі навіть далекі від граничних рівнів, можуть викликати лавинні ґрунтові потоки в ос- новах поверхневих об’єктів.

Додатковим негативним чинником, що має бути врахований, є ймовірність посилення вібросейсмічного сигналу за рахунок резонансу низькочастотних коливань із власною частотою ґрунтових агрегатів, здатного привести грунт у граничний стан. Певну небезпеку становлять ві- бровипромінювання різного походження.

Зокрема, зростання параметрів транспортних си- стем призводить до збільшення вібраційних на- вантажень на ґрунтовий масив основ і фундамен- тів довколишніх будівель і споруд, що спричиняє втрату несучої здатності ґрунту в результаті його динамічної утомленості, а це знижує довготрива- лу міцність порівняно із статичною міцністю у двічі. У районі мульди опускання шкідлива дія таких коливань значно зростає. Прогнозування явищ, які супроводжують виник- нення гірничого удару і його наслідки, являє со- бою складне науково-технічне завдання і вимагає вироблення нових концептуальних і методичних підходів, які б ураховували основні чинники і ба- зувалися на досягненнях фундаментальних і прикладних наук, передусім екологічного, меха- ніко-математичного та гірничого профілю. Зокрема, під час вивчення характеру дії гірничо- го удару на поверхню Землі слід використовува- ти розроблену геофізиками теорію рухів сейсмі- чних хвиль різного походження як у безмежному середовищі, так і на межі середовищ з різко від- мінними властивостями, та взаємодії хвиль різ- них типів із фундаментами поверхневих споруд.

Спосіб використання закономірностей у процесі вивчення гірничих ударів

Оцінювання їх параметрів за тротиловим енерге- тичним еквівалентом дозволить отримати почат- кові дані вогнища сейсмічних збуджень та обра- хувати характеристики сейсмічних хвиль в маси- ві і на поверхні.

Знаючи параметри інтенсивності хвиль, можна встановити межі безпечної зони на поверхні і за потреби планувати комплекс сейсмозахисних за- ходів для об’єктів у межах сейсмонебезпечної зони.

Сейсмічний ефект від гірничих ударів впливає на зсувонебезпечні схили, прискорюючи дезінтег- раційні процеси, сприяючи формуванню і руху обвальних тіл через порушення рівноважного стану.

Указані явища викликають необхідність розроб- ляти спеціальні інженерно-технічні заходи захи- сту поверхневих природних об’єктів, будівель і споруд для зниження інтенсивності сейсмічних коливань сейсмопоглинаючими екранами або облаштування протизсувних локалізуючих ком- плексів.

Щоб розробити класифікацію методів прогнозу- вання деформації поверхні Землі слід визначити ряд початкових параметрів. Під час моделювання процесу деформації масиву над виробленим прос- тором ураховуємо такі допущення:

Отримання номограми класифікації осідання поверхні залежно від умов підземної розробки

Із рис. 2 видно, що мульда деформації порід над виробленим простором може досягати поверхні. Формування зон деформації над виробленим простором у цьому випадку видно з рис. 4 та 5, де умовна площа f висотою 3 h над параболічною зоною обвалення безпосередньо в покрівлі ви- роблення обмежена кривою у (х). Висота h 3 ви- значає фактичне положення стелі над вершиною зони обвалення.

Для практичних розрахунків складно пов’язати рівняння ) ( 3 h P вірогідності з параметрами осі- дання. На основі модельних експериментів уста- новлено, що в ряді випадків рівняння (10) навіть при заляганні пласта на невеликих глибинах дає значну розбіжність, наприклад, висота зони де- формацій над виробкою постає еквівалентною багатократному значенню висоти виробки або потужності пласта. Тому доцільно рівняння віро- гідності виразити через показник z у формулі

Вірогідність утворення опускань і провальних воронок невелика. Тільки 2 % зареєстрованих випадків деформації поверхні існували, якщо ве- личина параметра Z була більшою за 30. Для цієї категорії 0,42 > P ≥ 0 (табл. 2).

Для прогнозування категорії беруть середньоа- рифметичну величину 1 d за отриманими значен- нями вірогідності, виходячи з параметрів Z і W n .

Наведена класифікація і розроблена на її основі номограма під час використовування має висвіт- лити такі положення, пов’язані з прогнозуванням деформацій поверхні: – з’ясувати вплив виробленого простору на ґрун- ти наносів і поверхню Землі; – установити вірогідність появи деформацій; – з’ясувати час, протягом якого відбувається процес деформації після завершення експлуатації; – визначити показник W n деформації ущільнення на 1 км 2 ;

– підрахувати максимальний діаметр зони дефо- рмацій наносів в об’ємі воронки. У разі конічної форми зони деформацій наносів діаметр визначають за формулою (8) Якщо, користуючись номограмою, поверхню по- значити символом 1112А, то 111 означає вели- чину деформацій 6 мм/м; 2 – максимальну величину горизонтальних деформацій порушен- ня суцільності на поверхні за d≤10 м; А – об- ласть, в якій незворотні деформації ущільнення мають великі значення.

Отже, якщо взяти в середньому 8 d м, слід ма- ти на увазі можливість збільшення його до 24 м. Поверхню слід віднести до категорії 4А. У цьому районі спостерігався показник деформації W n = 57,7, максимальний діаметр d max = 14 м, а на одній з ділянок d max = 35 м. Приклад 3. Вихідні дані (район Milowice 3):

Класифікація ступеня небезпеки для поверхневих споруд за величиною видимих деформацій поверхні

Висновки

Для прогнозування деформаційних процесів рекомендується використовувати класифікацію ступеня небезпеки різних варіантів деформації поверхні, отриману на основі обробки фактичних вимірів.
Розроблена номограма дозволяє визначити ка- тегорію поверхні залежно від ступеня впливу пі- дземних робіт.

Література

Вовк А.А., Воеводка А., Кужеля Е. Некоторые проблемы экологии в горнодобывающей промышлен- ности. – К.: НТУУ “КПІ”. – 1996. – 157 с.
Вовк О.А. Изменение физико-механических свойств породного массива под влиянием упругих возмуще- ний // Вісн. НТУУ “КПІ” Сер. Гірництво. – 2001. – Вип. 5. – С. 24–29.
Chudek M. Geomechaka z podstawami ochorony środowiska gуrniczego i powierzchni terenu. – Gliwice: Wyd. Politechniki Śląskiej, 2002. – 637 s.