Мульда сдвижения

Мульда сдвижения — это участок земной поверхности, подвергшийся деформации (сдвижению, оседанию, наклону, искривлению) в результате подземной разработки месторождений полезных ископаемых, преимущественно угля и руд. Мульда сдвижения представляет собой впадину (мульду) в рельефе, образующуюся над выработанным пространством горной выработки. Форма, размеры и параметры мульды зависят от горно-геологических условий, способа и глубины ведения горных работ, а также от физико-механических свойств горных пород.

Образование и механизм

Мульда сдвижения формируется в результате процесса сдвижения горных пород, который начинается после извлечения полезного ископаемого из недр. При подземной добыче (например, в угольных шахтах) над выработанным пространством происходит обрушение кровли, что приводит к образованию зоны обрушения, затем зоны трещин и, наконец, зоны плавного прогиба. Этот прогиб передаётся на поверхность, образуя мульду сдвижения.

Процесс сдвижения развивается во времени: сначала происходит быстрое оседание, затем оно замедляется и может продолжаться в течение нескольких лет. Скорость и продолжительность сдвижения зависят от глубины разработки, мощности пласта, угла падения, состава пород и наличия тектонических нарушений. В среднем, полное затухание сдвижения наступает через 2–5 лет после завершения горных работ, но в некоторых случаях процесс может длиться десятилетиями.

Основные параметры

Мульда сдвижения характеризуется рядом геометрических и деформационных параметров:

Максимальное оседание (η_max) — наибольшая величина вертикального смещения земной поверхности в центре мульды. Измеряется в миллиметрах или метрах. Для угольных месторождений России (например, Кузбасс, Донбасс) типичные значения составляют от 0,5 до 3 метров при глубине разработки 200–600 метров.
Граница мульды — линия, за пределами которой деформации поверхности не превышают фоновых значений (обычно принимается порог в 0,1–0,2 мм/м по наклону). Граница определяется углом сдвижения (β), который зависит от свойств пород и угла падения пласта.
Радиус мульды (R) — расстояние от центра мульды до её границы. Для пологих пластов (угол падения до 25°) радиус может составлять 0,5–1,5 глубины разработки.
Наклон (i) — первая производная оседания по горизонтали, характеризующая крутизну склона мульды. Измеряется в мм/м. Максимальные значения наклона наблюдаются на краях мульды.
Кривизна (K) — вторая производная оседания, характеризующая искривление поверхности. Положительная кривизна соответствует выпуклости, отрицательная — вогнутости.
Горизонтальные деформации (ε) — растяжение или сжатие земной поверхности. В зоне растяжения (на краях мульды) возникают трещины, в зоне сжатия (в центре) — выпучивания.

Классификация

Мульды сдвижения классифицируют по нескольким признакам:

По форме в плане

Симметричные — образуются при разработке пологих пластов на горизонтальной поверхности. Имеют форму, близкую к эллипсу или кругу.
Асимметричные — возникают при наклонном залегании пластов или на склонах. Один край мульды более пологий, другой — более крутой.
Сложные — при наличии нескольких выработок, тектонических нарушений или неоднородного строения массива.

По глубине разработки

Мелкие — глубина до 100 м. Характеризуются быстрым развитием и значительными деформациями.
Средние — глубина 100–500 м. Наиболее распространены в угольной промышленности.
Глубокие — глубина более 500 м. Деформации менее интенсивны, но процесс длится дольше.

По типу подрабатываемой толщи

В скальных породах — мульда имеет чёткие границы, деформации локализованы.
В рыхлых отложениях — мульда более плавная, границы размыты.

Влияние на инфраструктуру и окружающую среду

Мульда сдвижения оказывает существенное воздействие на здания, сооружения, дороги, трубопроводы и другие объекты, расположенные на подрабатываемой территории. Основные виды повреждений:

Здания и сооружения — трещины в стенах, перекосы дверных и оконных проёмов, разрушение фундаментов. Для жилых зданий допустимые деформации регламентируются строительными нормами (например, СП 21.13330.2012 «Здания и сооружения на подрабатываемых территориях»).
Линейные объекты — железные и автомобильные дороги, линии электропередачи, газопроводы — испытывают растяжение или сжатие, что может привести к разрывам, изгибам или авариям.
Гидротехнические сооружения — плотины, каналы, водоёмы — могут быть нарушены, что приводит к утечкам или подтоплениям.
Природная среда — изменение рельефа, нарушение почвенного покрова, изменение гидрологического режима (осушение или заболачивание), активизация оползней и карстовых процессов.

В России наиболее масштабные мульды сдвижения наблюдаются в Кузбассе, на Донбассе (включая территории ЛНР и ДНР), в Печорском и Канско-Ачинском угольных бассейнах, а также в районах добычи железных руд (КМА, Урал) и апатитов (Хибины).

Прогнозирование и мониторинг

Прогнозирование параметров мульды сдвижения осуществляется с помощью методов геомеханики и математического моделирования. Наиболее распространённые подходы:

Метод типовых кривых — основан на эмпирических зависимостях, полученных для конкретных горно-геологических условий. В России используется методика ВНИМИ (Всероссийский научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела).
Метод конечных элементов — численное моделирование напряжённо-деформированного состояния массива горных пород.
Метод вероятностных моделей — учитывает случайный характер трещиноватости и неоднородности пород.

Мониторинг мульд сдвижения включает:

Инструментальные наблюдения — установка реперов (геодезических знаков) на поверхности и в скважинах, периодические измерения их высотных отметок и плановых координат. Используются нивелиры, тахеометры, GPS-приёмники.
Дистанционное зондирование — спутниковая радарная интерферометрия (InSAR) позволяет выявлять оседания с точностью до миллиметров на больших площадях.
Автоматизированные системы — датчики деформаций, наклона, трещин, передающие данные в реальном времени.

Меры защиты

Для снижения ущерба от мульд сдвижения применяются следующие меры:

Горнотехнические — закладка выработанного пространства (например, твердеющей смесью), частичная выемка, оставление целиков, управление кровлей.
Строительные — усиление фундаментов, устройство деформационных швов, применение гибких конструкций, подъём зданий домкратами.
Планировочные — ограничение застройки на подрабатываемых территориях, вынос объектов из зон опасных деформаций.
Правовые — установление зон охраны, обязательное страхование, компенсация ущерба.

В России действуют «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния горных работ» (утверждены Ростехнадзором), которые регламентируют допустимые деформации и меры защиты.

Исторические примеры

Донбасс (Украина, Россия) — массовые подработки городов (Донецк, Макеевка, Горловка) привели к значительным оседаниям, повреждению жилых домов и промышленных объектов. В некоторых районах оседания достигают 3–5 метров.
Кузбасс (Россия) — подработка городов Прокопьевск, Киселёвск, Междуреченск. В 1990-х годах из-за мульд сдвижения были разрушены десятки домов, переселены тысячи жителей.
Рурский бассейн (Германия) — после закрытия шахт в 1960–1980-х годах оседания продолжались десятилетиями, потребовались масштабные работы по стабилизации грунтов и ремонту инфраструктуры.
Верхняя Силезия (Польша) — подработка городов Катовице, Бытом, Гливице. Оседания достигают 2–4 метров, что привело к изменению гидрологической сети и образованию искусственных озёр.

Интересные факты

В некоторых районах Кузбасса мульды сдвижения привели к образованию «провальных» озёр глубиной до 10–15 метров.
В городе Прокопьевск (Кемеровская область) из-за мульд сдвижения была разрушена часть центральной площади, и её пришлось реконструировать с подъёмом на 1,5 метра.
Спутниковая интерферометрия позволяет выявлять оседания даже в удалённых и труднодоступных районах, что используется для контроля за незаконной добычей полезных ископаемых.

Источники

Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния горных работ. — М.: Ростехнадзор, 2013.
Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземной разработке угольных месторождений / Под ред. В. Н. Зыкова. — М.: Недра, 1988.
Геомеханика: учебник для вузов / В. В. Адушкин, А. А. Барях, В. Н. Зыков и др. — М.: МГГУ, 2006.
Методика прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности при подземной разработке угольных пластов. — СПб.: ВНИМИ, 2005.
Отчёт о состоянии геологической среды на территории Кемеровской области за 2020 год. — Кемерово: Департамент природных ресурсов, 2021.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →