Класифікація методів деформації поверхні землі

Авторы: О. О. Вовк, А. Є. Гай, О. В. Рябчевський

Постановка проблеми

В Україні, яка займає 0,5% суходолу, видобувають 5% твердих корисних копалин. Велика кількість вугілля, залізних і мідних руд, будівельних матеріалів видобувається в Росії, Польщі та інших країнах [1]. Розробка родовищ підземним способом негативно впливає на земну поверхню, викликаючи її осідання, змінюючи ландшафт та спричиняючи інші зміни в геологічному середовищі. Вона супроводжується утворенням пусток в гірничому масиві, порушенням рівномірного напруженого стану і створенням вогнищ концентрації напруг, руйнуванням і зсувами гірських порід навколо пусток.

Зсуви порід досягають денної поверхні та викликають осідання ґрунту під поверхневими будівлями і природними об’єктами (водоймища, береги річок), викликаючи деформації, що призводять до руйнування цих об’єктів. Особливо небезпечні ці процеси в поєднанні з сейсмічною дією вибухових робіт, землетрусів або гірничих ударів, 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 гірничих ударів збільшуються.

Вплив гірничих ударів на об’єкти, розташовані над територіями, що підробляються, або в околиці шахтного поля, проявляється у вигляді сейсмічних пружних коливань, що взаємодіють із ґрунтами основ фундаментів і гірських схилів. Особливо небезпечними ці прояви бувають в районі мульди опускання, коли поверхня піддається різним деформаціям з утратою рівноважного стану або досягненням граничних станів. У цьому випадку додаткові динамічні навантаження, самі по собі навіть далекі від граничних рівнів, можуть викликати лавинні ґрунтові потоки в основах 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 вібровипромінювання різного походження.

Зокрема, зростання параметрів транспортних систем призводить до збільшення вібраційних навантажень на ґрунтовий масив основ і фундаментів довколишніх будівель і споруд, що спричиняє втрату несучої здатності ґрунту в результаті його динамічної утомленості, а це знижує довготривалу міцність порівняно із статичною міцністю у двічі. У районі мульди опускання шкідлива дія таких коливань значно зростає. Прогнозування явищ, які супроводжують виникнення гірничого удару і його наслідки, являє собою складне науково-технічне завдання і вимагає вироблення нових концептуальних і методичних підходів, які б ураховували основні чинники і базувалися на досягненнях фундаментальних і прикладних наук, передусім екологічного, механіко-математичного та гірничого профілю. Зокрема, під час вивчення характеру дії гірничого удару на поверхню Землі слід використовувати розроблену геофізиками теорію рухів сейсмічних хвиль різного походження як у безмежному середовищі, так і на межі середовищ з різко відмінними властивостями, та взаємодії хвиль різних типів із фундаментами поверхневих споруд.

Спосіб використання закономірностей у процесі вивчення гірничих ударів

Оцінювання їх параметрів за тротиловим енергетичним еквівалентом дозволить отримати початкові дані вогнища сейсмічних збуджень та обрахувати характеристики сейсмічних хвиль в масиві і на поверхні.

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

Указані явища викликають необхідність розробляти спеціальні інженерно-технічні заходи захисту поверхневих природних об’єктів, будівель і споруд для зниження інтенсивності сейсмічних коливань сейсмопоглинаючими екранами або облаштування протизсувних локалізуючих комплексів.

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 h₃ над параболічною зоною обвалення безпосередньо в покрівлі вироблення обмежена кривою у (х). Висота h 3 визначає фактичне положення стелі над вершиною зони обвалення.

Для практичних розрахунків складно пов’язати рівняння ( h₃P вірогідності з параметрами осідання. На основі модельних експериментів установлено, що в ряді випадків рівняння (10) навіть при заляганні пласта на невеликих глибинах дає значну розбіжність, наприклад, висота зони деформацій над виробкою постає еквівалентною багатократному значенню висоти виробки або потужності пласта. Тому доцільно рівняння вірогідності виразити через показник z у формулі.

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

Для прогнозування категорії беруть середньоарифметичну величину d₁ за отриманими значеннями вірогідності, виходячи з параметрів Z і W_n .

Наведена класифікація і розроблена на її основі номограма під час використовування має висвітлити такі положення, пов’язані з прогнозуванням деформацій поверхні:

– з’ясувати вплив виробленого простору на ґрунти 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 деформацій наносів в об’ємі воронки.

У разі конічної форми зони деформацій наносів діаметр визначають за формулою (8). Якщо, користуючись номограмою, поверхню позначити символом 1112А, то 111 означає величину деформацій 6 мм/м; 2 – максимальну величину горизонтальних деформацій порушення суцільності на поверхні за d≤10 м; А – область, в якій незворотні деформації ущільнення мають великі значення.

Отже, якщо взяти в середньому d₈ м, слід мати 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 категорію поверхні залежно від ступеня впливу підземних робіт.

Література

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