Мониторинг проседания почвы над шахтными пустотами: какие приборы контролируют безопасность Кривого Рога 

Под Кривым Рогом пролегает большая сеть старых шахтных выработок. За многие годы добычи железной руды под землей образовались огромные пустоты, которые оценивают в 6 миллиардов кубометров. Земли, нарушенные горными работами, охватывают более 35 000 гектаров. Далее на kryvyi-rih.name.

Это важно для города, так как над такими участками может меняться поверхность. Размер зон проседания почвы немалый, отдельные провалы имеют глубину 150–280 метров, а иногда и до 300. В 2024–2025 годах в Кривом Роге определили 15 активных провальных зон общей площадью более 170 гектаров. Под жилыми кварталами, дорогами, школами и рынками остаются выработки разного возраста, в том числе и дореволюционные.

Открытие руды и век подземных пустот

Чтобы понять, почему в Кривом Роге следят за каждым движением почвы, нужно спуститься под землю. Там остались шахты, камеры и старые выработки, которые появлялись за многие годы добычи. Руду на Криворожье открыли в 1781 году, а первые горные работы начались в 1875-м. С тех пор подземное пространство города сильно изменилось.

Геологи изучали эти изменения десятилетиями. Систематические съемки 1939–1958 годов под руководством выдающегося украинского геолога Якова Белевцева стали основой для карт горного массива. За годы добычи под землей образовались большие пустоты, а массив пород сильно изменился.

О масштабе проблемы свидетельствуют показатели:

• почти 600 км² — территория, на которую распространилось техногенное влияние горных работ;
• миллиарды тонн породы — объем добычи за длительный период разработки месторождения;
• большие подземные камеры — пустоты, над которыми может меняться состояние массива;
• зоны техногенной трещиноватости — участки, где породы потеряли часть своей начальной устойчивости;
• разломы — важные зоны для наблюдений, поскольку возле них расположены отдельные промышленные объекты и хвостохранилища.

Именно здесь начинается работа мониторинга. Над шахтными камерами поверхность может и проседать постепенно, и деформироваться внезапно. В одном случае изменения заметны по миллиметрам, в другом — они завершаются провалом. Маркшейдерские наблюдения свидетельствуют, что крупные оползни или самообрушения на шахтах Кривбасса возникают не реже чем раз в 5–7 лет.

Пример тому — 1963 год на тогдашней шахте «Центральная». Тогда внезапное обрушение привело к выходу воздушной волны и выбросу породы на поверхность. Такие процессы необходимо отслеживать еще до того, как они выходят наружу, чтобы видеть, как меняется почва над старыми выработками. Именно для этого используют геодезические приборы, геофизические методы и спутниковый мониторинг.

Катастрофа 13 июня 2010 года

В Кривом Роге есть место, где последствия подземных процессов заметны на поверхности. 13 июня 2010 года на шахте имени Орджоникидзе (современная Колачевского) во время плановой посадки потолочины произошел массовый взрыв. После чего образовался провал площадью около 16 гектаров и глубиной до 70 метров. Под землю ушло около четырех километров дорог, автомобили и промышленные здания, погиб один человек.

Толчки почувствовали даже в домах Горняцкого поселка Терновского района. Кандидат геолого-минералогических наук Ольга Калиниченко назвала это событие техногенным обвальным землетрясением. Проблема в том, что такие провалы трудно предвидеть только по одному показателю. На тот момент в Кривбассе не было сейсмической станции, которая могла бы зафиксировать процесс.

Площадь провала увеличивалась, на склонах начались оползни. Ученая Калиниченко объяснила, что зоны сдвижения формируются вокруг глубоких шахт, где добыча ведется на значительных глубинах. В этом районе есть и старые дореволюционные выработки, а горные ходы проходят вдоль Криворожско-Кременчугского глубинного разлома.

Опасность скрывается под землей

Этот случай подтвердил главную проблему мониторинга: опасный процесс может стартовать глубоко под землей, а его последствия появляются на поверхности. Поэтому наблюдать необходимо не только за провалами, но и:

• измерять движение почвы;
• следить за деформациями;
• сравнивать данные за разные периоды.

Другие случаи подтвердили, что проблема не ограничивается одной шахтой. 17 августа 2010 года провал произошел на территории Центрально-Городского рынка. А 22 января 2011 года — вблизи автомобильной трассы на территории шахтного поля ПАО «АрселорМиттал Кривой Рог». Второй случай пришелся через 4 дня после глубинного землетрясения.

Геодезические инструменты: реперы, нивелирование, GPS

Почва может проседать так медленно, что человек этого не заметит. В отличие от прибора. На шахте имени Колачевского Центрального горно-обогатительного комбината для этого и работает наблюдательная станция. Ее установили в 2011 году, а на земле закрепили десятки реперов — от 75 до 160 на разных участках.

Репер показывает, изменилась ли высота определенного места. Геодезист возвращается и сравнивает новые данные с предыдущими. Обычно такие измерения проводят 2-4 раза в год. Возле отдельных объектов, в частности детских садов, количество наблюдений доходит до 22 в год.

В Кривом Роге такие измерения уже показали, насколько далеко может распространяться движение почвы:

• до 4,5 км — расстояние от горных работ, на котором фиксируют вертикальные смещения поверхности;
• 275 мм — максимальное зафиксированное вертикальное смещение на опасных участках;
• 8–10 мм в год — скорость оседания на отдельных участках.

Эти цифры свидетельствуют: под землей нельзя просто оставить пустоту и ждать, что поверхность останется неподвижной. Геодезический мониторинг показывает, как меняется почва и куда движется процесс.

Контроль почвы до появления провала

На месторождении «Объединенное» ПАО «АрселорМиттал Кривой Рог» измерения подтвердили: даже на одном шахтном поле земля ведет себя по-разному. На юге и в центре движение остановилось. На севере почва продолжает смещаться. Возле железной дороги она опускалась не быстрее чем на 2,7 миллиметра в месяц. Допустимое значение — 100 миллиметров. Возле Жуковки деформация составила 3,2 миллиметра на метр при допустимых 6. На отдельных участках реперы показывали оседание до 7,1 миллиметра в год.

Но измерить поверхность недостаточно. Нужно знать, что происходит под ней. Над отработанной территорией шахты «Родина» (современная Гвардейская) геофизические исследования нашли 9 подозрительных зон. Каждая достигала в ширину 25–50 метров на глубине 120–240 метров. В Кривом Роге также установили лазерный инклинометр украинской разработки. Он фиксирует даже очень маленький наклон поверхности. Так специалисты могут увидеть изменения почвы еще до появления большого провала.

Космический мониторинг: Sentinel-1 и радарная интерферометрия

Дом может стоять ровно, дорога — оставаться целой, а почва под ними уже начинает двигаться. Заметить такие изменения помогает спутник Sentinel-1. Исследователи проанализировали 66 его снимков и нашли участки, где поверхность проседала на 1–2 сантиметра в месяц. Больше всего таких зон оказалось на северо-востоке города вдоль Криворожско-Кременчугского глубинного разлома. Часть из них расположилась рядом с многоэтажками и коммуникациями.

Спутник может следить за большой территорией и регулярно возвращаться к тем же местам:

• 250 километров — ширина территории, которую охватывает один снимок;
• 5–6 дней — через такой промежуток Sentinel-1 снова снимает тот же участок;
• 5 × 20 метров — размер малейших участков, которые можно различить на снимке;
• сотни квадратных километров — такую территорию можно охватить во время мониторинга Кривого Рога.

Кадры сравнивают, и если место на поверхности сместилось, это заметят на снимках. Для этого используют радарную интерферометрию. Метод Persistent Scatterers помогает следить за зданиями и другими неподвижными объектами. Small Baseline Subset позволяет исследовать открытые участки. Так спутниковые данные показывают движение почвы еще до того, как его можно заметить невооруженным глазом.

Как заполнение пустот влияет на почву?

Пустоты после добычи можно заполнить, чтобы поддержать почву сверху. Но даже после этого за ними нужно наблюдать. Моделирование показало: если выработанное пространство заполнить твердой закладкой, почва над ним проседает намного меньше. Максимальное смещение уменьшается с 260–262 до 118 миллиметров. Это значит, что это реально уменьшает движение поверхности.

На состояние земли влияет не только то, что происходит у поверхности, но и то, что глубоко под ней:

• глубина старых выработок — нужно учитывать, когда оценивают устойчивость земли;
• подземные воды — могут усиливать деформации горного массива;
• сейсмические толчки — способны влиять на участки с глубокими выработками;
• строение горного массива — от него зависит, как породы будут реагировать на изменения под землей.

Когда специалисты сравнивают данные о поверхности и под землей, они получают более полную картину. Тогда можно не просто увидеть смещение, но и понять его причину и оценить, есть ли риск для домов, дорог и коммуникаций.

Как мониторинг помогает защитить город?

Кривой Рог уже имеет разные способы следить за почвой и тем, что происходит под землей. Главное — заметить проседание почвы и другие изменения до того, как они станут опасными. Для этого специалисты регулярно проверяют и анализируют данные и изучают, двигается ли земля.

Чем раньше заметят проблему, тем больше времени будет на проверку и нужные действия. Так мониторинг помогает не просто измерять движение почвы, но и защищать дома, дороги и людей, живущих над старыми шахтными выработками.

Источники:

1. https://procon.bg/system/files/4003_stankevich_geodynamic_risk_mapping.pdf
2. http://spacecenter.gov.ua/contents/uploads/2018/06/Part_2.pdf
3. https://www.e3s-conferences.org/articles/e3sconf/pdf/2020/61/e3sconf_usme2020_01029.pdf
4. https://journals.uran.ua/geofizicheskiy/article/view/354369
5. https://suspilne.media/dnipro/1391342-ponad-16-gektariv-provalla-ci-e-zagroza-vid-virvi-aka-utvorilasa-u-krivomu-rozi-16-rokiv-tomu/
6. https://krnews.ua/index.php/news/17446
7. https://umoloda.kyiv.ua/number/1714/219/60597/