3.3.3. Стан земної поверхні в зоні вугільних розробок
Основні прояви негативного впливу вугільної галузі на стан земної поверхні слідуючі:
1) вилучення площ із землекористування;
2) порушення поверхні землі;
3) забруднення прилеглих до розробок територій відходами добування та переробки вугілля;
Для будівництва вугледобуваючих підприємств із сільськогосподарського або лісогосподарського користування повинні вилучатись землі із розрахунку 5 га на 1 млн.т при шахтному добуванні і 20 га на 1 млн.т при кар’єрному добуванні вугілля. Відвід територій під шахти, кар’єри, відвали, терикони, споруди, забудову, підземні шляхи не тільки знижує валові збори продукції рослинництва та лісівництва, але і знижує їх продуктивність внаслідок погіршення водного режиму і забруднення ґрунтів токсичними елементами або зміни їх структурного стану.
Змінюється рельєф місцевості. Для територій видобування корисних копалин характерним є нагромаджування гірничих мас (відвали, терикони, шламосховища, провали). У цих районах відбувається перебудова всього ландшафту, різко змінюється склад первинної рослинності, падає їх біологічна продуктивність. Порушення земної поверхні відбувається при розкритті корисних копалин в місцях створення кар’єрів, розміщення стволів шахт та надшахтних споруд, при підземному добуванні корисних копалин має місце осідання поверхні. Западини, що при цьому утворюються, заповнюються водою.
Всі поверхневі нагромадження гірських порід стають активними джерелами дисперсного пилу, який переноситься на сусідні землі. Продукт згорання шахтних териконів у вигляді золи, сажі, пилу, техногенних газоподібних речовин вітром і потоками води, що утворюються при випаданні атмосферних опадів, переміщуються на прилеглі землі.
Основним прийомом боротьби з порушенням земної поверхні гірничими виробками є рекультивація відвалів, засипка кар’єрів і провалів. При рекультивації відвалів частково або повністю відновлюється родючість ґрунтів, значні площі повертаються в сільськогосподарський або лісогосподарський обіг. Вирівняні поверхні відвалів можуть використовуватись під забудову промисловими спорудами і житловими будинками, а також під стадіони, іподроми і аеродроми.
При поверненні розкривних порід і родючих ґрунтів в котловани, при відповідних гідрогеологічних умовах, тут також можна вирощувати сільськогосподарські і лісові культури. Важливим моментом початку гірничодобувних робіт є збереження родючого ґрунту, який повинен зніматись з поверхні кар’єрів і відвалів і розміщуватись в окремих буртах для подальшого використання в біологічній рекультивації.
Заходами боротьби з забрудненням земель продуктами горіння і пилоутворення шахтних териконів можуть бути ущільнення поверхневого шару і нанесення захисного шару ґрунту, а також біологічна рекультивація їх.
3.3.4. Техногенні наслідки закриття вугільних шахт
В ХІХ і в першій половині ХХ століття в Україні вугілля добувалось за допомогою мілких (до 100 м) шахт. Так в 1917 році в Донбасі працювало 1604 шахти, з яких 569 (68%) мали глибини до 53 м, а 430 (27%) – мали глибини від 53 до 106 м. В післявоєнні роки було закладено ще близько 600 мілких нахилених шахт. Таким чином на початку ХХІ століття вся поверхня Донецького кам’яновугільного басейну опинилась в підробленому стані на глибинах 20…100 м. В останній час до них додалась багато шахт з більшою глибиною розробки, які були закриті, в основному, як нерентабельні.
Наслідками цієї діяльності з’явилось порушення в багатьох місцях земної поверхні з утворенням лійок обвалювання, а також зсуви і деформація поверхневих шарів землі без утворення лійок.
Лійки обвалювання та провалини утворюються в трьох випадках:
1) над вертикальними виробками (стволи і шурфи), які мають вихід на земну поверхню;
2) над протяжливими гірничими виробками;
3) над тріщинами і розривами в потужних міцних шарах.
Зсув і деформації можливі над старими очисними виробками, а також при активізації зон зосередження деформацій.
Основною причиною утворення провалин земної поверхні біля гирла стволів та інших вертикальних виробок є незадовільна їх ліквідація. Лійки утворюються діаметром 20…30 м з висотою вертикальних стінок 13…15 м, які в нижній частині нахилені до ствола. Крім того біля лійки може формуватись система концентричних тріщин.
Над нахиленими виробками (стволами, штольнями, бремсбергами) можуть утворюватись провалини у вигляді витягнутих вздовж осі виробки лійок. Тут провали можуть утворюватись не тільки біля гирла, але і нижче по падінню виробки.
Провалини земної поверхні над збереженими старими підготовчими виробками (штреками) трапляються при руйнуванні покрівлі цих виробок. При наявності умов для перепуску обваленої породи в нижчелижачі горизонти, наприклад в лаву, збільшується вірогідність виходу склепіння обвалення на поверхню землі. При цьому на поверхні землі можуть утворюватись провалини як колової, так і витягнутої вздовж осі виробки еліптичної форми.
Провалини можуть з’являтись і при розривах потужних міцних шарів (пісчанників або вапняків), причому глибина проведення добувних робіт не має значення. На ділянці максимально витягнутих деформацій утворюються глибокі тріщини на всю потужність шару із розкриттям їх у верхній частині до 1 м. При зволоженні наносів трапляється їх винос в утворені тріщини, що є наслідком появи на поверхні землі витягнутих гребінчастих провалин.
Основна передумова активізації обвалення, зсуву і деформації порід в старих гірничих виробках при малих глибинах шахт – збережені порожнини. Збереження порожнин залежить від багатьох факторів: типу виробки; глибинни розробки; способів охорони і ліквідації виробок; міцності порід підробленої товщі.
Всі ці фактори можна поділити на дві групи: провокаційні і супутні. Провокаційні – це такі фактори, які є поштовхом до активізації процесів зсуву і деформації та ініціаторами їх розвитку. Супутні – в більшості випадків виступають в ролі каталізатора або уповільнювача процесу. Вони із самого початку закладені в масиви.
Провокаційні фактори більш динамічні і мінливі, вплив їх не постійний і може змінюватись в часі. Супутні фактори мають величини більш постійні для певного породного масиву, відображають його фізико-механічний стан, дуже повільно змінюються в часі. Якщо провокаційні фактори обумовлюють процеси обвалення, то супутні визначають розміри можливого пошкодження масиву.
Встановлено три групи провокаційних факторів:
1) зміна міцності гірських порід;
2) зміна напруженого стану навколо старих виробок;
3) сейсмічна дія.
Основна частина провокаційних факторів має техногенне походження: осушення або затоплення виробок, підробка поверхневого масиву гірничими виробками в нижчерозташованих пластах, вібрація ґрунтів від працюючих механізмів і забивки паль, вибухові і будівельні роботи.
До супутніх факторів, яких дуже багато, слід віднести: наявність тектонічних порушень і пливунів, літологію, міцність масиву, потужність, фільтраційні і фізико-механічні властивості порід, розміри порожнин тощо.
Перевагу в цих процесах мають гідрогеологічні фактори, так як товща, що розташована над старими гірничими виробками на малій глибині, є зоною підвищеної тріщинуватості і вивітрювання. Це створює умови для інтенсивної фільтрації у відпрацьовані простори як поверхневих, так і підземних вод з водоносних горизонтів цієї товщі. Вода потрапляючи в підроблену товщу, змочує і розмиває тріщини, що тут знаходяться, обумовлює розвиток процесу обвалення гірських порід у виробках і утворення значних за розмірами лійок обвалення на поверхні землі. Такі явища спостерігаються під час сильних і тривалих дощів, танення снігу, надходження поверхневих і ґрунтових потоків води.
Так, на полі шахти «Свердловскантрацит» в 1976 р. в районі допоміжного ствола утворилась провалина розміром в плані 10 х 16 м і глибиною близько 8 м. Причиною появи провалу послужили паводкові води. Після спорудження спеціального водохідного каналу провалення поверхні в даному місці припинились.
В той же час вплив водонасиченності поверхневого масиву на обвалення порожнин, які залишились після закриття шахти, може бути використано як одним із способів ліквідації порожнин в шахті. Наприклад, в США (штат Вайоминг) внаслідок інтенсивного і тривалого зрошення водою з місцевої річки утворилось замулення порожнин в нижній частині шахти, що з виконанням послідуючої засипки і укріплення верхніх елементів шахти дозволило повністю ліквідувати небезпеку утворення провалин поверхні землі.
Провалини можуть з’являтись і тоді, коли розвинене скріплення обвалу порожнини з’єднується з вищерозташованим водоносним шаром, внаслідок чого під землею утворюється лійка розмиву, гирло якої може виходити на поверхню землі. Такий випадок трапився на шахті «Селідовська», де утворилась лійка діаметром 5 м і глибиною 64 м.
Значний вплив на розвиток обвалин і їх параметри здійснюють пливуни і водонасичені піски. При досягненні скріпленням обвалення пливунів утворюється їх винос з великою швидкістю і під великим тиском в порожнину виробленого простору (рис. 15).
Рис. 15. Розвиток лійки обвалення при наявності пливунів
Так на полі шахти «Кремінна-Східна» об’єднання «Лисічанськвугілля» при наявності пливуну потужністю 15 м розмір провалини становив 15 х 5 м при глибині 6 м.
Зниження рівня води в затоплених гірничих виробках може також бути причиною обвалення і утворення лійки обвалення з виходом на поверхню землі, що є наслідком зменшення підтримуючого тиску на стелю порожнин.