Kniga3

шения, выходящие на поверхность. Устанавливаются наиболее вероятные места (зоны) возможного проникновения газа и степень их опасности. Места возможного проникновения газа на поверхность определяются в соответствии с «Инструкцией по защите зданий и сооружений от проникновения метана». Инструкция является обязательной для шахт второй категории по метану и выше.

По степени опасности выделения метана земная поверхность горных отводов газовых угольных шахт должна разделяться на неопасные, угрожаемые и опасные участки (зоны).

Кнеопасным участкам относятся площади, в пределах которых нет и не ожидается выделения метана.

Кугрожаемым по выделению метана участкам земной поверхности относятся зоны над выходами пород, залегающих над выработанным пространством пластов в замковых частях антиклиналей, и в радиусе 20-25 м над устьями погашенных горных выработок, имеющих выход на дневную поверхность. Путями миграции газа к поверхности могут быть водоносные трещиноватые породы, прежде всего на участках, где мощность наносов не превышает 10 м; трещины тектонических нарушений в зонах всех выходящих на поверхность надвигов; ликвидированные выработки, имевшие выход на земную поверхность, незатампонированные или плохо затампонированные скважины. Все эти зоны уточняются МакНИИ и наносятся на геологическую карту. Часто к этим зонам относятся участки в районе жилых домов.

Копасным участкам земной поверхности относятся площади, в пределах которых обнаружено выделение метана.

Оценка участков земной поверхности шахт по степени опасности выделения метана по специальной методике производится не реже одного раза в три года, а при наличии угрожаемых или опасных зон – ежегодно.

Границы зон и степень их опасности по выделению метана определяются летом (до 1 сентября) специальной комиссией. О границах зон в десятидневный срок ставятся в известность районные и городские Советы народных депутатов.

Особую опасность при ликвидации шахт и их затоплении представляет метан, вытесняемый к земной поверхности водой. В этих условиях увеличивается число опасных зон. Так, в результате обследования территорий горных отводов закрытых шахт Стахановского региона Луганской области специалистами МакНИИ и замерами, произведенными службами шахт, доказано, что количество опасных и угрожаемых зон по выделению метана на поверхность значительно превысило определенное ранее проектами, а их границы постоянно расширяются. В угрожаемых и опасных зонах шахт «Центральное Ирмино», «Замковская», «Брянковская» оказалось около 2000 жилых и 300 административных зданий. В заглубленных частях этих зданий

180

выявлены взрывоопасные концентрации метана, а в почвенном воздухе они составляют 15-25%, достигая в отдельных случаях 40-60%.

Для предотвращения неконтролируемого выхода шахтных газов на поверхность, поступления их в подземные сооружения, подвалы, погреба осуществляется организованный их отвод через дегазационные трубопроводы, закладываемые при ликвидации стволов, а также через специально пробуренные дегазационные скважины в опасных и угрожаемых зонах.

Наиболее распространенные (типовые) схемы отвода газа из ликвидируемых шахт показаны на рисунке 6.1. Сущность заключается в том, что

вверхней части вскрывающих выработок в закладочном материале размешаются газоотводящие трубы (см. рис.4.3, 4.4). Другие выработки, имеющие выход на дневную поверхность, по возможности подлежат дополнительной изоляции в виде тампонирования.

Вкачестве дополнительных мер для предотвращения неорганизованного выхода метана на поверхность возможно бурение (рис.6.1) скважин до пересечения с выработками верхнего горизонта. Эффективность подобной меры экспериментально доказана. Дегазация выработанного пространства осуществлялась с помощью передвижной вакуум-насосной установки ВВН-12 с автономным приводом. Содержание метана в смеси 30-33%. Давлении газа в выработанном пространстве было снижено до уровня, близкого к атмосферному, и выделение его на земную поверхность

прекратилось. Содержание СН4 и СО2 в почвенном воздухе постепенно снизилось до фоновых значений (было 22,3% и 21,1% соответственно). Но уже менее, чем через полгода после дегазации, все восстановилось.

Совершенно очевидно, что периодичность и длительность дегазации

вкаждом отдельном случае требует уточнений. Необходимы и соответствующие технико-экономические обоснования. Хотя уже сейчас имеются данные о том, что откачка газа из выработок и использование его в хозяйственных целях экономически целесообразна в течение 5-7 лет, а затем по мере уменьшения объема газа становится убыточной, но необходимой по условиям безопасности.

Опыт Англии, Германии, Франции и Бельгии показал, что интенсивность и объемы извлечения метана из выработанных пространств закрытых шахт настолько велики, что использование его в качестве источника энергии экономически оправдано.

ВДонбассе же извлечение и использование метана целесообразно только в определенных условиях - расположение выработок на антиклиналях и куполах с высокой трещиноватостью пород, большие объемы незатапливаемых выработок, высокая газообильность шахты в последний год

ееэксплуатации (более 20 м3/мин). Но такие условия имеют не более 10% шахт, планируемых к ликвидации в ближайшие годы.

181

Всвязи с изложенным надо отметить, что при проведении дегазационных работ обнаружилась новая проблема. Из-за недостоверности планов горных выработок (работы велись несколько десятилетий назад) значительное количество скважин не попало на подготовительные выработки и не могло быть использовано для дегазации. Поэтому число скважин пробуривалось с запасом. А это не дешево. Отсюда не новое, но весьма важное требование – геолого-макшейдерская документация должна быть качественной и надежно хранимой.

Всоответствии с требованиями «Инструкции по защите зданий и сооружений от проникновение метана» контроль за выделением газа осуществляет правопреемник. Практика, в частности опыт закрытия шахт Стахановского региона, свидетельствует, что систематический контроль метана на угрожаемых территориях необходимо вести не менее 6 лет со времени прекращения проветривания шахты. А вот на затопленных шахтах этот вопрос остается еще недостаточно изученным.

При организации контроля надо иметь в виду то обстоятельство, что

врезультате организации газодинамического мониторинга в зоне проводимых работ выявлен скачкообразный динамический характер процесса выделения газа на земную поверхность, обусловленный колебаниями барометрического давления и обрушениями пород в выработанных пространствах.

Безусловным является выполнение требований вышеназванной «Инструкции…» по организации ежемесячного контроля содержания метана переносными приборами и ежеквартального анализа проб воздуха работниками ГВ ГСС на территориях возможного выделения газа, где находится большое число одноэтажных домов с подвалами и хозяйственными постройками. Жителям под расписку вручаются «Памятки об основных мерах предупреждения скопления метана в жилых и подсобных помещениях».

Впамятке описываются и признаки, сопутствующие выделению метана. В частности выделению метана на поверхность зачастую предшествует уход воды из колодцев. В местах метановыделения на поверхность наблюдаются полосы «окисленной почвы», где она становится слипшейся, серой, а растительность погибает. Зимой в этих местах образуются проталины. Проникающий в здание метан может быть причиной постоянных головных болей после сна в слабо проветриваемых комнатах, а также необычно беспокойного поведения домашних животных, которые содержатся в плохо проветриваемых помещениях. Помимо этого даются общие рекомендации по проветриванию подвалов и подполов. Жители первых этажей, проживающие в угрожаемых и опасных зонах, обеспечиваются переносными приборами контроля содержания метана, организуются пункты обмена и проверки исправности этих приборов. Но надо заметить, что контроль в жилых помещениях затруднен, а, кроме того, он нервирует людей.

182

Рисунок 6.1. Примерные схемы организованного выпуска газа

В зданиях, расположенных на опасных участках, осуществляется непрерывный автоматический контроль посредством стационарных автоматических приборов контроля содержания метана.

Опыт показывает, что появление метана в почвенном воздухе значительно опережает загазирование помещений. Поэтому специалисты считают, что можно, во всяком случае в летний период, ограничится измерением СН4 и СО2 в почве и что это положение следует зафиксировать (узаконить) путем внесения соответствующих изменений в «Инструкцию…».

183

Реальную опасность представляет и углекислый газ, вытесняемый из горных выработок при их затоплении. Зарегистрированы случаи гибели людей от отравления углекислым газом. В связи с этим необходима методика защиты поверхности горных отводов ликвидируемых шахт от скопления углекислого газа, подобно защите от проникновения метана.

6.3.Меры по предотвращению подтоплений земной поверхности и вредного влияния шахтных вод на водный бассейн и рельеф.

Весьма актуальной и сложной проблемой при закрытии угольных шахт, особенно по варианту их полного затопления, является обеспечение экологической безопасности, связанной с предотвращением подтопления земной поверхности и загрязнения подземных вод. По своим масштабам и последствиям проблема подтопления территорий населенных пунктов промышленных зон является и наиболее опасной.

Ошибки в прогнозах и проектах здесь особенно ощутимы. Так, при закрытии шахты им. С. Тюленина в г. Краснодоне прогноз возможного подтопления территории через 5–6 лет не оправдался. Ситуация развивалась чрезвычайно быстро и уже через несколько месяцев около 20 гектаров поверхности было залито водой. Не оправдались прогнозы водопритоков и при ликвидации многих шахт, в частности «Ремовская» (г. Снежное), «Центральная» (г. Макеевка), «Красный Октябрь» (г. Енакиево), «Мушкетовская» (г. Донецк), им. газеты «Луганская правда», «Никанор» (Луганская обл.) и др.

Процесс прогнозирования зон подтопления в связи с большим разнообразием условий весьма сложен. Однако выполненные Институтом геологических исследований НАН Украины в составе датско-украинского проекта предварительные оценки свидетельствуют, что в случае предельного подъема уровней подземных вод при закрытии шахт методом «мокрой» консервации от 20 до 50% территории в границах горнопромышленных районов может оказаться подтопленной и заболоченной.

Усложнению эколого-инженерно-геологических условий способствует наличие многочисленных ранее затопленных старых шахт, гидравлически связанных с действующими. Их число в отдельных наиболее старых угледобывающих районах (в частности Донецко-Макеевском) превышает количество эксплуатируемых в 1,5–2 раза и имеет устойчивую тенденцию к возрастанию, что существенно снижает возможность стабилизации уровня подземных вод на безопасных глубинах.

Специфические гидрогеологические условия Донбасса (неглубокое залегание грунтовых вод, сложная многопластовая гидродинамическая

184

система с большим количеством горизонтов напорных вод), высокая природная и техногенная нарушенность горного массива, большая насыщенность земной поверхности химически опасными промышленными объектами предопределяют реальную возможность заражения вредными веществами как подземных вод, так и водоемов на поверхности. Последнее особо опасно и приобретает чрезвычайную остроту в регионах, где питьевая вода берется из колодцев, где отсутствует канализация.

При закрытии шахт с их затоплением по мере подъема уровня воды возможно ее насыщение токсичными веществами и от ранее зараженных горных пород и водоносных горизонтов с последующим поступлением в водоемы и водотоки на поверхности. Отравленные воды не попадут лишь в те водоемы, которые расположены выше уровня грунтовых вод. А таких естественных водоемов в Донбассе практически нет.

И еще. По мере затопления шахты происходит замещение минерализированной и грязной водой ранее сформировавшихся водоносных горизонтов карбона и покрывных отложений. Процесс загрязнения водоносных горизонтов практически необратим.

Воды ликвидируемой шахты при прекращении водоотлива будут стремиться восстановить прежний статический уровень. В настоящее время не имеется нормативно-методических документов по прогнозированию уровня и времени восстановления подземных вод при затоплении шахт, определению зон возможно подтопления. Ориентировочно же время затопления горных выработок ликвидируемой шахты можно определить по формуле:

T = ∑n				∑n	Qbi
	T		=	i= 1				, мес.,	(6.4)
i= 1		i		qi	k t
где Тi – время затопления отдельного участка (пласта), мес.;
Qbi – объем пустот, подлежащих заполнению, м3,
Q	bi	=	V k			з	, м3,		(6.5)
				i

где kз – коэффициент заполнения выработанного пространства. Минимальный из определенных в Донбассе при осушении затоплен-

ных шахт kз = 0,3. В конкретных условиях kз принимается по данным наблюдений геолого-макшейдерской службы шахты;

qi – приток воды для i-го участка (пласта), м3/час; kt=720 – коэффициент перевода времени в месяцы.

На деле же естественная трещиноватость горных пород, их нарушенность в процессе производственной деятельности в совокупности с раз-

185

ветвленной сетью погашенных и действующих выработок составляет сложную геотехногенную систему, изучение и описание которой на практике чрезвычайно затруднено. В то же время для правильной оценки ситуации и принятия эффективных мер по предупреждению подтоплений поверхности необходимо детально изучить и знать пространственное распространение водоносных горизонтов, их количество и мощности, связи между ними и с поверхностью, режим поступления подземных вод; зоны тектонических нарушений, где могут быть сосредоточены большие объемы воды; водопроницаемость, водоотдачу пород; нарушения естественного поверхностного стока в результате деформации поверхности, прогноз интенсивности и продолжительности дренирования воды после прекращения водоотлива; динамические ресурсы подземных вод, которые, как правило, и обеспечивают подтопление поверхности.

Исследованию подлежит обводненность горных выработок за счет подземных вод, приуроченных к песчаникам и известнякам. Подлежат оценке нормальный и максимальные притоки воды в горные выработки шахты за счет притока воды из старых работ, гидравлические связи с соседними шахтами и т.д. и т.п.

Только знание этих и других геологических, гидрогеологических условий, характеристик и параметров геотехногенной системы закрывающихся шахт позволит принять обоснованные решения в процессе проектирования и осуществления ликвидационных работ, обеспечивающих должную экологическую безопасность. С этой целью необходимо выполнить дополнительные гидрогеологические работы, изучить гидродинамический режим фильтрационных потоков подземных вод, провести гидрогеологическую съемку и на этой основе сделать гидрологическую оценку района ликвидируемых шахт, составить прогнозную гидрогеологическую карту. Причем делать это необходимо в совокупности с построением зон подработки, с прогнозной картой просадок (деформаций) поверхности, размещением на подрабатываемых территориях населенных пунктов и промышленных зон с вредными производствами. Надо смоделировать, исследовать и оценить процессы, которые произойдут при ликвидации водоотливов и как эти процессы повлияют на местные источники водоснабжения и водотоки, перетоки минерализованных шахтных вод в гидрографическую сеть и др.

Но в реальных условиях выполнение указанных работ представляет чрезвычайную сложность и требует немалых затрат. Кроме того, из-за большого числа и сложности взаимосвязанных и взаимообусловленных факторов достоверность полученных результатов будет сравнительно невысока. В частности, многопластовая гидродинамическая система Донбасса со сложной уровневой поверхностью многочисленных водоносных горизонтов не позволяет установить истинную форму этой поверхности. Поэтому представляется целесообразным идти по пути комплексного решения проблемы,

186

в центре которого должны быть меры по управлению не столько водотоками подземных вод, сколько положением их пьезометрического уровня, поддержанием его в конкретных условиях на заданной высоте.

Понижение уровня подземных вод осуществляется путем откачки воды из стволов и скважин. При этом образуются депрессионные воронки с радиусом до сотен метров.

Радиус депрессионной воронки в конкретных условиях приближенно может быть вычислен по формуле (6.6) И.П. Кусакина (рис. 6.2)

R = 0,2S H k , м ,

(6.6)

где S – достигаемое стационарное понижение пьезометрического уровня вод, м;

H – глубина затопления ствола (скважины), м;

k – средневзвешенный коэффициент фильтрации обводненных горных пород по глубине ствола (скважины), м/сут.

Рисунок 6.2. Параметры депрессионной воронки в окрестностях вертикального ствола (скважины): 1 – пьезометрический уровень; 2 – депрессионная воронка; 3 – водоупорный слой; 4 – перфорированная труба; 5 – станция водоотлива

Дебит подземных вод в ствол (скважину) в таких условиях можно ориентировочно определить по формуле

187

q =	2π k a S				3
					, м /сут,	(6.7)
	lnR −	ln	D
			2

где D – диаметр ствола (скважины), м;

а – суммарная мощность водоносных слоев, пересекаемых стволом (скважиной), м.

Задаваясь величиной R из выражения (6.6) получим величину S, подставив которую в формулу (6.7) вычислим необходимую производительность насосной станции.

Из выражений (6.6), (6.7) и рис. (6.2) следует, что для решения задачи в конкретных условиях необходимо по данным геологоразведки установить глубину расположения верхнего водоупорного слоя – НВ.С., коэффициенты фильтрации обводненных пород, пересекаемых стволом (скважиной) – ki, мощность и водонасыщенность каждого слоя, а также принять аргументированное решение о глубине пьезометрического уровня подземных вод – НП.У.. Последняя устанавливается в том числе и с учетом профиля (рельефа) горного отвода, но во всех случаях ниже уровня грунтовых вод. В том случае, если заданная (необходимая) величина НП.У не достигается, принимается решение о бурении дополнительных водоотливных скважин.

Даже краткое изложение проблемы предотвращения подтопления земной поверхности свидетельствует о ее чрезвычайной сложности и во многом неопределенности. Поэтому в практическом плане наряду с вышеизложенным существенным является создание на полях ликвидируемых шахт сети гидронаблюдательных скважин, что позволит осуществлять мониторинг геологической среды на шахтных полях и прилегающих территориях, регулярно получать данные о колебаниях уровня подземных вод, об их минерализации, о направлении движения ореолов загрязнения подземных вод. Все это позволит разработать систему природоохранных мер. Но бурение скважин, оборудование их фильтрами, оголовками достаточно дорого. Поэтому в организации мониторинга можно использовать геофизические методы разведки, сравнительно дешевые и в достаточной степени точные. Положение уровня подземных вод можно установить по данным вертикально-электрического зондирования – ВЭЗ, комбинированного электропрофилирования – КЭП и гравиразведки.

Наблюдения за движением подземных вод, ореолов загрязнения возможно осуществлять методами естественного поля – ЕП, для оценки минерализации использовать резистивиметрию, ВЭЗ.

Изменение режима подземных вод, оценка возможности проникновения шахтных вод в водоносные горизонты, используемые для водоснабжения, решаются на основании специальных исследований.

188

Для выполнения прогноза привлекаются специализированные организации (п.о. «Укруглегеология», «Донбассгеология» и др.).

Проводятся проверочные расчеты возможного подтопления поверхности под влиянием подземных разработок в соответствии с «Рекомендациями по методу прогноза условий подтопления территорий при отработке угольных месторождений» (ВНИМИ, 1995).

Подтопление поверхности происходит, как правило, если

ηm + A > h , м,

(6.8)

где çm – максимальное оседание земной поверхности от влияния подземных разработок;

А – амплитуда сезонных колебаний уровня грунтовых вод, м;

h – расстояние от земной поверхности до уровня грунтовых вод на рассматриваемом участке без учета влияния шахтного водопонижения, м.

Вслучае возможного подтопления земной поверхности при затоплении водой горных выработок определяются величина и контуры подтопления, разрабатываются меры по предотвращению подтопления. Для шахт Центрального района Донбасса в связи с размещением в нем большого количества химических производств дополнительно разрабатываются решения по защите недр и водного бассейна от загрязнения вредными химическими веществами с осуществлением контроля загрязнения.

Всоответствии с действующими строительными нормами и правилами подтопленными территориями считаются такие, где уровень грунтовых вод находится выше 2,5 м.

Для наиболее распространенных строений на прилегающих к шахте территориях – одноэтажных жилых домов усадебного типа, гаражей и др. подтоплением считается поднятие грунтовых вод выше пола заглубленных сооружений (подвалов и погребов) или подошвы фундамента с запасом на капиллярное повышение.

Опасность заключается в изменении физико-механических свойств и характеристик грунтов оснований. В частности, модуль деформации грунта при изменении его влажности от природной до полного водонасыщения может снизиться в 2-4 раза, что приведет к деформации фундаментов, стен

идругих частей зданий. И тогда в качестве мер предупреждения опасных деформаций придется либо усиливать конструкции, либо осуществлять гидроизоляцию. А это и не просто, и не дешево.

Принципиально новым горно-геологическим фактором, связанным с закрытием шахт, является то, что скачок водонасыщения подработанных пород способствует накоплению потенциальной энергии в затопленных выработках и росту гидромеханических напряжений с одновременным снижением стойкости породных массивов. Такие процессы обуславливают повышенную

189