Обрушение и проседание над горными выработками

Обрушение выработок может быть бедственным вдвойне: для шахтеров, работающих под землей, и для людей и материальных ценностей на территории непосредственно над местом обрушения. Хотя обрушения кровли случаются часто и представляют огромную опасность, они очень редко достигают масштаба, достаточного для проседания земной поверхности. Тем не менее заброшенные шахты могут таить угрозу для строений и людей, находящихся над ними.

Обычно работу в шахтах ведут таким образом, чтобы некоторое количество породы оставалось в виде целиков для опоры кровли. Однако всегда существует искушение — перед тем как шахта будет оставлена, извлечь из нее как можно больше полезного ископаемого. Медленное течение процессов разрушения пород обеспечивает некоторый латентный период, до того как опора и кровля обрушатся.

Город Скрантон (штат Пенсильвания) в начале нашего века подвергся сильному повреждению, обусловленному добычей антрацита на глубине всего 20 м. Оставленных целиков оказалось недостаточно, и вскоре после консервации шахты кровля обвалилась, что затронуло большие площади. В городе сильно пострадали многие здания. Поскольку столбы породы подпирали кровлю через равные интервалы, главная улица города покрылась углублениями, располагающимися через 1,5 м и больше, что соответствовало расстоянию между целиками.

Слабо консолидированные породы являются плохим материалом для кровли, и это делает ее обрушение по истечении определенного времени почти неизбежным, даже если добыча велась осторожно и разумно. Кровля старых железорудных шахт в Нет-тлтоне (восточная Англия), сложенная мягкими глинами и песчаниками, к настоящему времени обрушилась, и на окрестных полях появились депрессии конической формы.

Другая крупная опасность, грозящая со стороны старых шахт, связана со способом их консервации. До начала XX века шахты редко засыпались каким-либо материалом после того, как их эксплуатация прекращалась. Вместо этого поперек верхней части шахты укладывали конструкцию из бревен и досок, которую затем покрывали почвенным слоем толщиной 30–50 см. По прошествии времени бревна под слоем почвы начинали гнить, что создавало весьма серьезную опасность. В 1892 г. в железнодорожном депо Линдэйл вблизи станции Барроуин-Фернесс (Камберленд) под локомотивом разверзлась старая рудная выработка. Машинист успел выпрыгнуть за секунду до того, как локомотив провалился. В населенном пункте Абрам близ города Уиган (Ланкашир) старая угольная шахта была заполнена и опечатана перед тем, как над ней построили железнодорожное депо. Однако заполняющий материал был уложен неудачно и со временем уплотнился; в 1945 г. покрытие шахты обрушилось и погребло 13 вагонов с углем, паровоз и машиниста. Под городом Уилкс-Барре в штате Пенсильвания находится множество старых угольных шахт, и в 1968 г. покрытие одной из них, расположенной под крупной дорожной магистралью, обрушилось; медленное растрескивание асфальта дало шоферу время спастись бегством, но его автомобиль провалился в пропасть диаметром 9 м. В окрестностях Матлока в Пеннинах на лесистых холмах имеется множество старых свинцовых выработок, и случаи падения людей в них, если их путь пролегал по сгнившему деревянному покрытию, в этой местности довольно часты.

Встает задача обнаружения этих старых шахт. Если такая шахта найдена, ее можно легко заполнить или бронировать бетоном. Бурение скважин с целью поисков старых шахт является исключительно дорогостоящей операцией, даже если надо разведать лишь небольшую площадь для застройки, поскольку малые размеры этих шахт требуют очень близкого расположения скважин друг от друга. Ограниченные размеры шахт затрудняют также их обнаружение геофизическими методами, хотя Национальное управление угольной промышленности Великобритании добилось некоторых успехов в этой области при помощи чувствительных протонных магнитометров. Эти приборы определяют различия в магнитных характеристиках между коренными породами и обломочным материалом, использованным для засыпки шахт. Однако хотя с их помощью и можно локализовать старые шахты, из-за недостаточной разрешающей способности приборов это делается не столь детально, чтобы обойтись без бурения скважин.

К сожалению, обследование и регистрация горных выработок стали в Англии обязательными только с 1872 г., поэтому сведения о более старых разработках отыскать не всегда возможно. В тех районах, где следы выработок на земной поверхности отсутствуют, лучшим источником информации о местонахождении старых шахт является опрос местного населения. В 1964 г. на улице Жаклин-Клоуз в городе Бери-Сент-Эдмендс (Суффолк) было построено несколько домов. В этом районе коренной породой является мел. Исследования местности проведено не было, хотя позже выяснилось, что двое местных жителей в юности работали в меловых шахтах, находившихся под данным участком. Однако карта шахт отсутствовала, а местных жителей никто не спрашивал. Сточные воды из домов сбрасывались в несколько поглощающих колодцов, расположенных на глубине 9—15 м. Жидкая грязь затем стекала в горные выработки, что приводило к образованию ориентированных вертикально к поверхности земли трубчатых полостей. В декабре 1968 г. подъездная дорога к дому 9 на улице Жаклин-Клоуз провалилась в одну из таких полостей диаметром 4,6 м и глубиной 1,8 м. Когда в ходе расследования выявили протяженность шахт, то дома, построенные за четыре года до этого, были признаны опасными для жизни, и людей заставили выселиться, поскольку под канализационными системами все чаще и чаще случались обрушения. Все это произошло потому, что строительная компания, планирующие организации и местные жители не контактировали друг с другом до тех пор, пока уже не стало слишком поздно.

Есть один особый тип проседания шахт, который можно предсказать. Принятые методы горизонтальной разработки, при которой галереи прокладываются между целиками, оставленными для поддерживания кровли, с экономической точки зрения нерентабельны для извлечения маломощных пластов, а таковыми является большая часть всех угольных пластов. Поэтому в современных угольных шахтах врубовые машины вынимают уголь по всей длине забоя, имеющего протяженность в десятки метров. Подвижные опоры поддерживают кровлю над забоем, пока ведется работа, затем их убирают, и происходит постепенное обрушение кровли. Этот процесс обязательно вызывает проседание поверхностной части грунта, поэтому возмещение убытков за поврежденные дороги и строения расценивается как одна из статей расходов при этом методе добычи. Многолетние наблюдения и исследования привели к тому, что теперь характер такого проседания стал понятным и, как правило, предсказуемым.

На практике метод сплошной выемки приводит в действие следующие процессы: возникновение волны проседания, которая затрагивает поверхность земли, создавая первичное напряжение; затем наклон, сопровождающийся сжатием, и, наконец, оседание до нового, более низкого уровня. Если волна проседания чересчур сильна, то возникающее напряжение может привести к тому, что стены строений изогнутся или в них образуются трещины. Наклон представляет менее серьезную проблему, так как он обычно устраняется путем саморегуляции.

Повреждение строений в городских районах, расположенных над угольными шахтами, вполне предсказуемо, а стоимость возмещения убытков вполне приемлема для горнодобывающих компаний. В тех местах, где наземные здания и сооружения очень дорогостоящие, вести под ними сплошную добычу, учитывая возможные повреждения, с экономической точки зрения бессмысленно. В этом случае для поддержания кровли в шахте можно оставлять целики угля. Размеры этих естественных подпорок определяются тем, какая порода залегает между угольным пластом и земной поверхностью. Чем глубже шахта, тем более массивными должны быть оставляемые целики. Новое английское месторождение угля в Селби, восточная часть Йоркшира, пересекается железнодорожной линией, по которой ходят скоростные поезда Лондон — Эдинбург. Можно рассчитать, что ширина полосы целиков в данном случае должна быть не менее 1,6 км. Такое количество угля стоит слишком дорого, чтобы оставлять его в шахте, поэтому в данных условиях наиболее правильным выходом будет перенесение железной дороги за границы месторождения.

На месторождении Селби столкнулись и с другой проблемой: река Уз, которая его пересекает, имеет очень небольшой уклон русла. Общая амплитуда проседания обычно оценивается как 00 % мощности извлеченного пласта или несколько меньше, если некоторое количество пустой породы было возвращено в выработку. Согласно этим расчетам, извлечение пласта Барнсли мощностью около 3 м вызовет опускание района реки Уз ниже уровня моря, что приведет к сильным наводнениям. Поэтому горнодобывающее предприятие в Селби вынуждено идти на сооружение вдоль реки дренажных систем и больших рвов, хотя это и требует дополнительных затрат.

Волна проседания может развиваться только в виде слабых изгибов в достаточно пластичных породах, таких как глины или сланцы. Более хрупкие породы, например песчаники или известняки, а также трещиноватые разности не изгибаются, а растрескиваются, и проседание происходит в виде ряда последовательных сдвигов. Если дом построен на краю двух независимо проседающих блоков породы, пусть даже степень их проседания одинакова, он будет сильно поврежден. На каменноугольных копях Сигма в Южной Африке проседание мощного трещиноватого горизонта долеритов, залегающего над угольным пластом, вызвало сильные местные повреждения.

В районах Хакнолл и Мэнсфилд на угольном месторождении в Ноттингемшире столкнулись с иными проблемами. Если здание оказывается расположенным над трещиной в известняке, оно может подвергаться повторным повреждениям. Один дом в Хакнолле пришлось совсем разрушить, так как одна из его стен сильно осела в том месте, где ее фундамент отделился по разлому от остальной части здания. Потом на этом месте был построен новый дом, на этот раз на неподвижном бетонном- ростверковом фундаменте. Предсказание движений грунта, что необходимо учитывать при планировании новых строительных работ, в данном случае з ависит от локализации крупных трещин в известняке. Обнаружение их затруднено из-за перекрывающего поверхностного слоя пластичной валунной глины, однако исследования с помощью аэрофотосъемки дали некоторый положительный результат, особенно по выявлению трещин у бортов долины, где прочность подстилающих отложений ослаблена.

Знание свойств трещиноватых пород сыграло, таким образом, ¦, важную роль в сокращении повреждений от проседания, которые '" на заре горнодобывающей промышленности случались очень  часто.