CC BY
54
© А.А. Панжин, С.В. Усанов, 2004
УДК 622.838
А.А. Панжин, С.В. Усанов
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В ОБЛАСТИ ВЛИЯНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ*
Семинар № 8
пасность и риск сопровождают горняков на протяжении всей истории горного дела. Кроме ежегодных человеческих жертв, вредное влияние горных работ сказывается и на техническом состоянии зданий, сооружений и объектов окружающей природы, попадающих в область влияния горных работ. Сооружаемые или расположенные в зоне влияния горных работ объекты недвижимости могут испытывать повреждения различной степени, начиная весьма ничтожными повреждениями или отсутствием таковых, и заканчивая полным разрушением или выходом из строя. Обычно область распространения негативного влияния горных работ превышает в плане размеры выработанного пространства в 1.5-3 раза. Поэтому при подземной разработке месторождений полезных ископаемых на дневной поверхности формируются и развиваются значительные площади, нарушенные горными работами. В науке и практике их принято называть подработанными территориями. Такие территории присущи всем без исключения горнодобывающим регионам. В СССР по данным на 1980 г. [1] площадь нарушенных горными работами земель по основным горнодобывающим министерствам составила 646 тыс. га. По итоговым данным на 01.01.1985 [2] на горнорудных предприятиях Министерства черной металлургии территорий, подработанных подземными горными работами, числилось 5003 га, из которых 4698 га - зоны обрушения.
В последнее время все более актуальной становится проблема безопасного использования территорий, подработанных горными разработками. Особенно остро эта проблема стоит на уральских подземных рудниках, где эконо-
мически освоенные и застроенные территории подработаны как старыми, 18-19 веков, так и современными горными выработками. Необходимость современной подработки объектов, расположенных на земной поверхности, диктуется как экономическими, так и экологическими причинами. С одной стороны, выемка запасов из предохранительных целиков экономически более выгодна, чем освоение новых месторождений, а с другой стороны, действующий закон об охране недр требует как можно более полной выемки полезного ископаемого. Одной из распространенных проблем, связанных с подработкой, является обеспечение безопасной эксплуатации области плавных деформаций. Действующими нормативными актами [3] допускается выемка полезного ископаемого под объектами различных категорий охраны, при условии неполной подработки земной поверхности и осуществлении соответствующих прогнозных расчетов и выполнении особых мер безопасности при ведении горных работ. На начальном этапе влияние горных работ на сохранность сооружений прогнозируется расчетом высоты области обрушения. При развитии процесса сдвижения без образования воронки обрушения на поверхности, подработанный участок может быть использован в хозяйственных целях.
В условиях неполной подработки земной поверхности, когда процесс сдвижения горных пород не развивается в полной мере, необходимо иметь точные сведения об изменении напряженно-деформированного состояния (НДС) подрабатываемой территории. Традиционно изменения параметров поля деформаций получали в результате
*Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента РФ.
наблюдений по специально закладываемым
Рис. 1. Ситуационный план промплощадки шахты
«Эксплуатационная» Рис. 2. Распределение зон концентраций деформаций
по территории промплощадки и вектора смещений реперов наблюдательной станции
наблюдательным станциям, состоящим из
профильных линий [4]. Однако такая конструкция наблюдательной станции более всего подходит при мониторинге процесса сдвижения, происходящего при полной подработке земной поверхности, когда имеют место зоны провала, трещин и выраженная мульда сдвижения, так как в этом случае необходимо определить границы зон с разной степенью деформирования. Параметры же НДС в этом случае будут получены в результате интерполяции данных, что снижает их достоверность. В случае же обоснованного решения вопросов подработки объектов с обеспечением их сохранности необходима точная информация о распределении поля деформаций по исследуемой территории. К тому же сложность строения геологической среды, а особенно массивов скальных горных пород, с точки зрения как прогнозирования процесса сдвижения, так и инструментального контроля его параметров, вносит в реальное, фактическое развитие сдвижения свои коррективы. В частности, тектонические нарушения и структурное деление массива на иерархические блоки приводит к дискретному деформированию поверхности. Поэтому на общем фоне допустимых деформаций формируются, как правило, линейные области концентрации деформаций по тектоническим нарушениям и границам структурных блоков.
Институтом горного дела УрО РАН уже около 40 лет проводятся работы по геомехани-ческому обеспечению безопасной эксплуатации зданий и сооружений различных категорий охраны в области влияния горных работ, в том числе и при подработке охраняемых объектов горными работами. Комплекс выполняемых работ включает в себя прогноз развития процесса сдвижения на основании геологических данных и фактических результатов о развитии процесса сдвижения, полученных маркшейдерско-геодезическими методами, а также мониторинг изменения напряженно-деформированного состояния подрабатываемой территории во время ведения горных работ. Одним из объектов является шахта «Эксплуатационная» Высокогорского ГОКа, где в течение длительного периода времени ведутся инструментальные наблюдения за развитием процесса сдвижения как на промплощадке шахты, так и в мульде сдвижения. Площадка шахты охраняется от вредного влияния горных работ предохранительным целиком. Однако в связи с тем, что запасы шахты заканчиваются, целик, начиная с 1990 г., был частично подработан по трем
горизонтам. В 1999 г. граница целика была перенесена и площадь охраняемой поверхности сократилась. При отработке запасов предохранительного целика промплощадки шахты на основании имевшихся в распоряжении геологических данных и результатов деформационного мониторинга прошлых лет был сделан предварительный прогноз развития процесса сдвижения (рис. 1). Область опасных деформаций не должна была достичь даже гаража, вынесенного за пределы предохранительного целика и расположенного в восточной части площадки шахты. На момент прогноза информация о наличии тектонических нарушений на территории промплощадки была ориентировочна и их мощность представлялась до 1-3 м. Кроме этого, за время инструментального мониторинга деформаций на территории промплощадки эти нарушения никак проявлялись в геодинамическом плане. Поэтому при прогнозе деформаций тектоническая ситуация не рассматривалась в качестве определяющего фактора. Кроме того, сопряженность выемочного блока с зоной обрушения, позволила рассчитывать на перепуск обрушенных пород в выработанное пространство.
Для мониторинга развития процесса сдвижения во временя подработки предохранительного целика на промплощадке шахты была дооборудована наблюдательная станция, состоящая как из профильных линий, так и стенных реперов, равномерно распределенных по всей площади. Поскольку в настоящее время Институт горного дела располагает большим парком современного геодезического оборудования, позволяющем на качественно новом уровне фиксировать изменения напряженно-деформированного состояния на исследуемых территориях, при производстве мониторинговых измерений использовалось высокоточное цифровое геодезическое оборудование, как традиционной, так и спутниковой геодезии. При помощи комплексов спутниковой геодезии Trimble и Sokkia, лазерных рулеток DistoPro, электронного тахеометра Sokkia с миллиметровым уровнем точности определяется изменение планового положения реперов наблюдательной станции в пространстве и относительно друг друга. Изменение высотного положения реперов фиксируется с точностью порядка 0.1-0.2 мм высокоточным цифровым нивелиром Sokkia. Данные измерений записываются во внутреннюю память приборов и обрабатываются на компьютере. В результате обработки геодези-
ческих измерений становится доступным комплекс информации об изменении координат реперов наблюдательной станции, изменении полей вертикальных и горизонтальных деформаций и изменении полей напряжений, вызывающих эти деформации.
Как было отмечено выше, в результате геодезических измерений будет получено площадное распределение полей вертикальных и горизонтальных деформаций, определены основные закономерности изменения их во времени и рассчитаны изменения полей напряжений, вызывающие эти деформации. Для решения конкретных вопросов дальнейшей подработки территории промплощадки шахты и охраны ее сооружений необходимо полученную информацию об изменении НДС массива увязать во времени и в пространстве с расположением охраняемых объектов, расположением и порядком отработки очистных блоков и выявленными дизъюнктивными нарушениями, которые во многом определяют дискретность картины деформационного поля. Эта задача была решена путем создания специальной ГИС мониторинга подработанной территории, в которой реализованы задачи отображения графической информации, характеризующей геоме-ханическое состояние массива горных пород в различные интервалы времени, с привязкой ее к геологическим и геолого-структурным планам месторождения, ситуационному плану поверхности и погоризонтным планам ведения горных работ на требуемый момент времени. Реализованный на практике комплекс мер инструментального мониторинга НДС подрабатываемой территории и компьютерной обработки результатов с увязкой полученной информации в единую систему позволяет более обоснованно принимать технические решения о подработке целиков промплощадки шахты и вести постоянный мониторинг состояния земной поверхности и сохранности расположенных на ней зданий и сооружений.
На начальных этапах подработки предохранительного целика развитие процесса сдвижения происходило без значительных деформаций, а после начала отработки запасов, вынесенных за пределы целика, процесс сдвижения принял дискретный характер, и здание адмбыткомбината претерпело значительные деформации с образованием трещин в стенах и полу. Кроме того что целик частично подработан, с трех сторон он окружен зоной обрушения, и морфологически выглядит как полуост-
ров в море зоны обрушения, а также ситуация усугубляется наличием на территории дизъюнктивных нарушений, пересекающих целик под углами, близкими к углам сдвижения. По результатам инструментальных измерений в деформационном поле промплощадки шахты четко выделились зоны концентрации деформаций (рис. 2) и достаточно рассогласованное распределение величин и направлений векторов сдвижений. Такое распределение поля деформаций - линейные области концентрации деформаций и дискретный характер деформирования, направления векторов смещений, по мнению авторов, явно указывает на особую роль тектонических структур в формировании напряженно-деформированного состояния участки при подработке предохранительного целика.
Когда в результате непредвиденного развития процесса сдвижения деформации в районе адмбыткомбината превысили допустимые значения и объект начал разрушаться, был поднят вопрос о проведении на промплощадке шахты геофизических исследований методом спектрального сейсмопрофилирования, и на участке с минимальной концентрацией линий электропередач и железнодорожных путей, создающих помехи, методом электроразведки. При этом авторы отдавали себе отчет, что данные геофизических изысканий возможно использовать только для целей детального картирования тектонических нарушений, поскольку современными геофизическими методами реально установить местонахождение структурных особенностей массива горных пород, но они не дают ответа о степени геодинамической активности выявленных нарушений. При производстве работ основным был принят метод спектрального сейсмопрофилирования, поскольку с одной стороны, он компактен - не требуется разноса датчиков на значительные расстояния, а производятся точечные замеры, а с другой стороны, он, в отличие от электрораз-ведочных методов, практически не подвержен помехам. Электроразведочные работы
Рис. 3. План-схема расположения выходов тектонических нарушений на поверхность по результатам спектрально-сейсморазведочного профилирования
проводились только на одном участке - между адмбыткомбинатом и воронкой обрушения и проводились в целях контроля основного геофизического метода.
В результате проведенных геофизических исследований на контролируемом участке выявлено пять тектонических нарушений, мощность которых составляет от 5 до 20 метров (рис. 3), причем тектоническое нарушение №2 было уверенно закартировано обеими геофизическими методами. Образуемые нарушениями структурные блоки контрастно проявляются по уровню деформаций на границах блоков и в их массиве. В частности, здания адмбыткомбината и мехцеха, которые находятся на значительном удалении от прогнозируемой зоны опасных деформаций, претерпели гораздо более значительные разрушения чем гараж. Как видно на рис. 3, гараж попадает в центр структурного блока, образуемого нарушениями 2, 3 и 4. Трещины, образовавшиеся на поверхности, хорошо коррелируют с расположением и направлением выходов тектонических нарушений. Однако следует заметить, что само наличие на участке тектонического нарушения не подразумевает безоговорочно возможности концентрации деформаций на границах структурного блока. Так, тектоническое нарушение №1, находящееся в за-
ном отношении сеоя пока никак не проявилось.
Потому как история не имеет обратной силы, для обеспечения дальнейшей безопасной подработки территории промплощадки шахты «Эксплуатационная» был пересмотрен и дополнен проект мер охраны. Для здания адмбыткомбината, наиболее пострадавшего от непредвиденного развития процесса сдвижения, был рекомендован ряд конструктивных мер охраны, связанных с реконструкцией северо-восточной части здания и усилением конструкций юго-западной части здания. Также было рекомендовано продолжать инструментальные наблюдения за развитие процесса сдвижения по существующей наблюдательной станции, общее количество реперов которой в настоящее время достигает 80 штук, что обеспечивает надежный своевременный контроль и безопасность эксплуатации сооружений. Высокая плотность реперов обеспечивает в настоящее время возможность использования менее поврежденных частей зданий с проведением конструктивных мероприятий по усилению конструкций. Однако это всего лишь вынужденный шаг, которому должно было предшествовать исследование структуры массива.
Маркшейдерско-геодезический мониторинг за состоянием жилых домов в зоне влияния горных работ шахты «Магнетитовая» Высокогорского ГОКа свидетельствует об аналогичных проявлениях процесса сдвижения. На общем фоне допустимых деформаций проявляются участки, где образуются трещины в зда-
ниях, более удаленных от зоны обрушения, чем здания, где трещины отсутствуют. Концентрация деформаций на границах структурных блоков была зафиксирована инструментально, при проведении специальной статистической обработки результатов деформационных измерений за длительный период. Было установлено, что в местах пересечения профильными линиями тектонических нарушений суммарные деформации, как вертикальные, так и горизонтальные, в несколько раз выше, чем такие же суммарные деформации, замеренные во внутриблоковой части. Тектоническая ситуация на контролируемом участке в основном изучена только по двум
1. Г.П. Семенов, Ю.С. Иванов Районирование подработанных территорий на меднорудных месторождениях Среднего Урала. Известия Уральской государственной горно-геологической академии. Екатеринбург. -№11, 2000. -с. 215-219.
2. Анализ использования земель на горнорудных предприятиях отрасли за 1984 г. Отчет о НИР/ Мин-чермет СССР, ИГД. Рук. Сашурин А.Д., -Свердловск, 1985. - 142 с.
основным нарушениям - разломам «главный» и «средний». Протяженность подработанной зоны составляет около 2 км, приблизительно столько же и между «главным» и «средним». Глубина горных работ достигает 700 м. Поэтому следует ожидать проявлений сдвижения на более мелких нарушениях, которые по результатам геодезического мониторинга проявляются и сейчас. Своевременные и достоверные сведения о структуре подработанного массива позволят выявить ряд участков, где восстановительный ремонт зданий может не иметь смысла, и где при значительных оседаниях поверхности опасность разрушения объектов отсутствует.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана: Утв. Минмет СССР 02.08.90. -Свердловск: ИГД Минмета СССР, 1990. -64 с.
4. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений: Утв. Госгортехнадзор СССР, 1986. - М.: Недра, 1988. -113 с.
— Коротко об авторах ---------------------------
Панжин Андрей Алексеевич - старший научный сотрудник, Усанов Сергей Валерьевич - младший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА им. Д. А. КУНАЕВА МИНИСТЕРСТВА ЭНЕРГЕТИКИ, ИНДУСТРИИ И ТОРГОВЛИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
МУЗГИНА Вера Сергеевна Оптимизация составов многокомпонентных смесей для комбинированной закладки в малоотходных технологиях добычи-переработки руды 25.00.22 д.т.н.
