Обоснование мониторинга процессов, связанных с ликвидацией стволов угольных шахт в сложных гидрогеологических условиях

Актуальность работы. К началу 90-х годов в стране добывалось свыше 340 млн. тонн угля. Однако подавляющее большинство угледобывающих организаций было дотационным. По официальным данным, на поддержку угольной отрасли ежегодно тратилось до 2 трлн. руб. (1,5% ВВП страны). В этих условиях реформирование угольной промышленности стало объективно необходимым. Первоначально реформа ограничивалась разделением угольных шахт и разрезов на рентабельные и нерентабельные (неперспективные, особо убыточные) и закрытием последних. Начиная с 1993 г., было ликвидировано около 200 угледобывающих предприятий.

Угольная промышленность современной России претерпевает сложный период, связанный с завершением этапа коренных структурных преобразований и переходом к рыночным условиям ее функционирования. Проблемы, стоящие перед угольной промышленностью, имеют системный характер и требуют особого государственного внимания для обеспечения энергетической безопасности страны и ее социально-политической стабильности.

Одной из важнейших проблем является научное и практическое обеспечение промышленной и экологической безопасности процессов, связанных с ликвидацией угольных шахт и разрезов. Имевшая место в 2003 г. крупная авария на шахте «Западная» ООО «Компания «Ростовуголь» еще больше подчеркнула важность и актуальность своевременного и качественного решения этой проблемы.

При ликвидации угледобывающих организаций действующее законодательство предусматривает обязательное выполнение комплекса технических работ, связанных с прекращением деятельности шахт и разрезов как опасных производственных объектов. Проведение этих работ регулируется Отраслевой инструкцией о порядке ликвидации и консервации предприятий по добыче угля (сланца), утвержденной Федеральным горным и промышленным надзором России (Госгортехнадзором) и Министерством топлива и энергетики РФ в 1997 г., и Инструкцией о порядке ведения работ по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с пользованием недрами, Москва, 1999 г. Инструкция устанавливает единый порядок полной или частичной ликвидации и консервации на территории России предприятий по добыче угля (сланца) — шахт, разрезов, разведочных выработок, обеспечивающий безопасность жизни и здоровья населения, охрану недр и других компонентов природной среды от загрязнения.

Для выполнения этих требований на ликвидируемых угледобывающих предприятиях должен обязательно проводиться горно-экологический мониторинг.

Теория и методы обеспечения ведения мониторинга поверхности горного отвода при ликвидации угольных шахт разработаны еще не в полном объеме, поскольку процесс массовой ликвидации шахт в Российской Федерации начался относительно недавно, и исследования в этой области имеют пока еще фрагментарный характер. Вместе с тем, в нашей стране накоплен большой опыт по изучению сложных гидрогеологических и геомеханических процессов, происходящих в массиве горных пород и на земной поверхности вследствие сдвижения пород и перераспределения напряжений в окрестности горных выработок, охране зданий, сооружений и природных объектов, находящихся на поверхности горного отвода, который, несомненно, должен быть использован при выработке обоснованных рекомендаций.

Среди сооружений, входящих в состав угледобывающего комплекса, шахтные стволы представляют наиболее крупные сооружения общим объемом в десятки тысяч кубометров. Поэтому их ликвидация является весьма трудоемкой, дорогостоящей и небезопасной. Даже после ликвидации стволы представляют собой объекты повышенной опасности, нуждающиеся в течение неопределенно длительного времени в постоянном контроле полков, перекрывающих устья стволов, в наблюдениях за сдвижением и деформациями земной поверхности.

В связи с этим научное обоснование мониторинга процессов, связанных с ликвидацией стволов угольных шахт, находящихся в сложных гидрогеологических условиях, является актуальной научной задачей, решение которой имеет также важное практическое значение.

Цель работы состоит в разработке комплекса научно-обоснованных решений, позволяющих обеспечить организацию и проведение эффективного мониторинга процессов, возникающих в стволах угольных шахт во время их ликвидации и в постликвидационный период.

Идея работы заключается в совокупном учёте закономерностей сдвижения горных пород при выборе технических решений к началу ликвидационных работ в стволе угольной шахты в сложных гидрогеологических условиях.

Методы исследований включают анализ накопленного опыта ликвидации стволов угольных шахт, теоретические исследования, натурные наблюдения, моделирование процесса уплотнения закладочного материала, апробацию технических решений в условиях ликвидируемых шахт.

Защищаемые научные положения и их новизна:

1. Надежность и безопасность ликвидации стволов угольных шахт обеспечивается техническими и организационными решениями на основе получаемой информации о характеристиках процессов сдвижения горных пород, изменении гидрогеологических условий путем проведения комплексных наблюдений, объединенных в систему мониторинга;

2. Разработанная методика прогноза гидрогеологических последствий ликвидации шахт позволяет определять фильтрационные характеристики массива горных пород с учетом наличия зон повышенной трещиноватости и нарушенности барьерных целиков и районировать шахтные поля по комплексам;

3. Система периодических наблюдений за плотностью закладочного материала при детальном изучении свойств материала и моделировании процесса его уплотнения дает возможность с помощью гравиметрической съемки оценить скорость оседания материала и его унос из ствола в прилегающие выработки;

4. Своевременная информация о возможности образования провалов у шахтных стволов определяется на основе маркшейдерских наблюдений в установленных зонах постоянного контроля для обеспечения безопасности поверхностных зданий и сооружений.

Научное значение работы состоит в выявлении факторов, влияющих на состояние стволов, установлении закономерностей сдвижения горных пород, уплотнения засыпаемых пород в стволе и взаимосвязи гидрогеологических систем в техногенном массиве пород.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

• анализом мирового и отечественного опыта ликвидации стволов горнодобывающих предприятий;

• удовлетворительной сходимостью результатов лабораторных и натурных наблюдений с практическими результатами.

Практическое значение работы состоит в:

• разработке методики прогнозирования гидрогеологических и гидрологических последствий ликвидации угольных шахт Восточного Донбасса;

• разработке технических решений по организации мониторинга ликвидированных стволов Восточного Донбасса.

Реализация работы. По результатам работы выполнены проекты маркшейдерского мониторинга на ликвидируемых шахтах, а также разработаны и переданы Заказчику следующие работы: «Разработка прогноза гидрогеологических и гидрологических последствий ликвидации шахт.

Ростовской области и мероприятий по обеспечению производственной и экологической безопасности" (2003 г.), «Заключение о возможности нахождения жилых строений в опасной зоне восточного вентиляционного ствола шахты «Майская» ОАО «Ростовуголь» (2004 г.), «Заключение о возможности и способах ликвидации главного (скипового) ствола № 2 шахты «Западная-Капитальная» ОАО «Ростовуголь» (2003 г.), «Рекомендации по ликвидации стволов шахты им. Ленина ОАО «Ростовуголь» (2004 г.), «Заключение по ликвидации вертикальных стволов шахты им. газеты «Комсомольская правда» ОАО «Ростовуголь» (2004 г.), «Заключение о возможности аварийного прорыва воды в клетьевой (вспомогательный № 2) ствол шахты «Западная» ООО «Компания «Ростовуголь» (2003 г.), «Рекомендации по ликвидации вентиляционного ствола № 1 шахты «Западная» ООО «Компания «Ростовуголь» (2003 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и были одобрены на семинарах, проводимых в рамках «Недели горняка» — 2003, 2004, 2005 г. г. (г. Москва, МГГУ — ИПКОН РАН), а также на юбилейной конференции Южгеологии, г. Ростов-на-Дону, 2000 г., научно-практической конференции ВНИМИ, С-Пб, 2001 г., на Международном рабочем совещании ВНИМИ, С-Пб, 2003 г.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 12 рисунков, 17 таблиц и список использованной литературы из 61 наименования.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6.

1. Предложено использовать понятие «маркшейдерский мониторинг» и раскрыто его содержание.

2. Определена область применения маркшейдерского мониторинга при ликвидации стволов.

3. Определены схемы расположения наблюдательных станций в стволе и в зоне постоянного контроля и порядок проведения наблюдений за сдвижением земной поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи — обоснование мониторинга процессов, связанных с ликвидацией вертикальных стволов угольных шахт, находящихся в сложных гидрогеологических условиях, что вносит существенный вклад в теорию и практику этих работ.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации, полученные при выполнении исследований и внедрении разработок, заключаются в следующем:

1. Выполнен анализ состояния ликвидированных шахтных стволов, расположенных в различных странах, и причин происшедших в них аварий. Определено, что одной из основных причин аварий является отсутствие мониторинга за состоянием ликвидированных стволов, который мог бы позволить своевременно предотвратить аварии. Кроме того, причинами аварий явились: некачественная засыпка стволов шахтзатопление стволов поверхностными или подземными водами, разрушение крепи стволов и др.

2. Установлено, что существующая нормативная база в недостаточной степени регулирует требования к методам ликвидации стволов шахт, в частности, к крупности и механическим свойствам материала закладки стволов, допустимой величине его усадки. Не сформулированы требования к обязательному проведению мониторинга процессов, происходящих в процессе ликвидации ствола и после ее завершения, составу и периодичности этих работ.

3. В результате проведенного комплекса работ установлено, что между шахтами ОАО «Ростовуголь» имеется гидравлическая связь, что значительно осложняет условия ликвидации шахтных стволов и ухудшает химический состав подземных и поверхностных вод.

4. Разработана методика изучения процесса уплотнения закладочного материала, основанная на использовании компрессионных испытаний. Определены зависимости уплотнения закладочного материала от величины приложенного давления. Обоснована прогнозная оценка величины уноса закладочного материала из ствола, и определены величины возможного оседания закладочного материала в стволе. Показана возможность и целесообразность применения методов геофизического мониторинга за состоянием ликвидированных стволов и, в частности, за заполнением стволов закладочным материалом.

5. Обосновано новое понятие «маркшейдерский мониторинг» и определено его содержание применительно к наблюдениям за ликвидированными шахтными стволами. Предложены типовые схемы размещения наблюдательных станций в зоне постоянного контроля на поверхности и определен порядок проведения наблюдений за сдвижением земной поверхности.