Моніторинг просідання ґрунту над шахтними порожнинами: які прилади контролюють безпеку Кривого Рогу 

Під Кривим Рогом пролягає велика мережа старих шахтних виробок. За багато років видобутку залізної руди під землею утворилися величезні порожнини, які оцінюють у 6 мільярдів кубометрів. Землі, порушені гірничими роботами, охоплюють понад 35 000 гектарів. Далі на kryvyi-rih.name.

Це важливо для міста, бо над такими ділянками може змінюватися поверхня. Розмір зон просідання ґрунту чималий, окремі провали мають глибину 150–280 метрів, а іноді і до 300. У 2024–2025 роках у Кривому Розі визначили 15 активних провальних зон загальною площею понад 170 гектарів. Під житловими кварталами, дорогами, школами та ринками залишаються виробки різного віку, зокрема й дореволюційні.

Відкриття руди та століття підземних порожнин

Щоб зрозуміти, чому у Кривому Розі стежать за кожним рухом ґрунту, треба спуститися під землю. Там залишилися шахти, камери та старі виробки, які з’являлися за багато років видобутку. Руду на Криворіжжі відкрили у 1781 році, а перші гірничі роботи почалися у 1875. Відтоді підземний простір міста сильно змінився.

Геологи вивчали ці зміни десятиліттями. Систематичні фільмування 1939–1958 років під керівництвом видатного українського геолога Якова Бєлєвцева стали основою для мап гірничого масиву. За роки видобутку під землею утворилися великі порожнини, а масив порід сильно змінився.

Про масштаб проблеми свідчать показники:

• майже 600 км² – територія, на яку поширився техногенний вплив гірничих робіт;
• мільярди тонн породи – обсяг видобутку за тривалий період розробки родовища;
• великі підземні камери – порожнини, над якими може змінюватися стан масиву;
• зони техногенної тріщинуватості – ділянки, де породи втратили частину своєї початкової стійкості;
• розломи – важливі зони для спостережень, оскільки біля них розташовані окремі промислові об’єкти та хвостосховища.

Саме тут починається робота моніторингу. Над шахтними камерами поверхня може і просідати поступово, і деформуватися раптово. В одному випадку зміни помітні за міліметрами, в іншому – вони завершуються провалом. Маркшейдерські спостереження свідчать, що великі зсуви або самообвалення на шахтах Кривбасу виникають не рідше ніж раз на 5–7 років.

Приклад тому – 1963 рік на тодішній шахті “Центральна”. Тоді раптове обвалення спричинило вихід повітряної хвилі та викид породи на поверхню. Такі процеси необхідно відстежувати ще до того, як вони виходять назовні, щоб бачити, як змінюється ґрунт над старими виробками. Саме для цього використовують геодезичні прилади, геофізичні методи та супутниковий моніторинг.

Катастрофа 13 червня 2010 року

У Кривому Розі є місце, де наслідки підземних процесів помітні на поверхні. 13 червня 2010 року на шахті імені Орджонікідзе (сучасна Колачевського) під час планової посадки потолочини стався масовий вибух. Після чого утворилося провалля площею близько 16 гектарів і глибиною до 70 метрів. Під землю пішли близько чотирьох кілометрів доріг, автомобілі та промислові будівлі, загинула одна людина.

Поштовхи відчули навіть у будинках Гірницького селища Тернівського району. Кандидатка геолого-мінералогічних наук Ольга Калініченко назвала цю подію техногенним обвальним землетрусом. Проблема у тому, що такі провали важко передбачити лише за одним показником. На той момент у Кривбасі не було сейсмічної станції, яка могла б зафіксувати процес.

Площа провалля збільшувалася, на схилах почалися зсуви. Науковиця Калініченко пояснила, що зони зрушення формуються навколо глибоких шахт, де видобуток ведеться на значних глибинах. У цьому районі є й старі дореволюційні виробки, а гірські ходи проходять уздовж Криворізько-Кременчуцького глибинного розлому.

Небезпека ховається під землею

Цей випадок засвідчив головну проблему моніторингу: небезпечний процес може стартувати глибоко під землею, а його наслідки з’являються на поверхні. Тому спостерігати необхідно не лише за провалами, а й:

• вимірювати рух ґрунту;
• стежити за деформаціями;
• порівнювати дані за різні періоди.

Інші випадки підтвердили, що проблема не обмежується однією шахтою. 17 серпня 2010 року провал стався на території Центрально-Міського ринку. А 22 січня 2011 року – поблизу автомобільної траси на території шахтного поля ПАТ “АрселорМіттал Кривий Ріг”. Другий випадок припав через 4 дні після глибинного землетрусу.

Геодезичні інструменти: репери, нівелювання, GPS

Ґрунт може просідати так повільно, що людина цього не помітить. На відміну від приладу. На шахті імена Колачевського Центрального гірничо-збагачувального комбінату для цього й працює спостережна станція. Її встановили 2011 року, а на землі закріпили десятки реперів – від 75 до 160 на різних ділянках.

Репер показує, чи змінилася висота певного місця. Геодезист повертається і порівнює нові дані з попередніми. Зазвичай такі вимірювання проводять 2-4 рази на рік. Біля окремих об’єктів, зокрема дитячих садків, кількість спостережень доходить до 22 на рік.

У Кривому Розі такі вимірювання вже показали, наскільки далеко може поширюватися рух ґрунту:

• до 4,5 км – відстань від гірничих робіт, на якій фіксують вертикальні зміщення поверхні;
• 275 мм – максимальне зафіксоване вертикальне зміщення на небезпечних ділянках;
• 8–10 мм на рік – швидкість осідання на окремих ділянках.

Ці цифри свідчать: під землею не можна просто залишити порожнину й чекати, що поверхня залишиться нерухомою. Геодезичний моніторинг показує, як змінюється ґрунт, і куди рухається процес.

Контроль ґрунту до появи провалу

На родовищі “Об’єднане” ПАТ “АрселорМіттал Кривий Ріг” вимірювання підтвердили: навіть на одному шахтному полі земля поводиться по-різному. На півдні та у центрі рух зупинився. На півночі ґрунт продовжує зміщуватися. Біля залізниці він опускався не швидше ніж на 2,7 міліметра на місяць. Допустиме значення – 100 міліметрів. Біля Жуківки деформація склала 3,2 міліметра на метр при допустимих 6. На окремих ділянках репери показували осідання до 7,1 міліметра на рік.

Але виміряти поверхню недостатньо. Треба знати, що відбувається під нею. Над відпрацьованою територією шахти “Родіна” (сучасна Гвардійська) геофізичні дослідження знайшли 9 підозрілих зон. Кожна сягала завширшки 25–50 метрів на глибині 120–240 метрів. У Кривому Розі також встановили лазерний інклінометр української розробки. Він фіксує навіть дуже маленький нахил поверхні. Так фахівці можуть побачити зміни ґрунту ще до появи великого провалу.

Космічний моніторинг: Sentinel-1 і радарна інтерферометрія

Будинок може стояти рівно, дорога – залишатися цілою, а ґрунт під ними вже починає рухатися. Помітити такі зміни допомагає супутник Sentinel-1. Дослідники проаналізували 66 його світлин і знайшли ділянки, де поверхня просідала на 1–2 сантиметри за місяць. Найбільше таких зон виявилося на північному сході міста вздовж Криворізько-Кременчуцького глибинного розлому. Частина з них розташувалася поруч із багатоповерхівками та комунікаціями.

Супутник може стежити за великою територією і регулярно повертатися до тих самих місць:

• 250 кілометрів – ширина території, яку охоплює одна світлина;
• 5–6 днів – через такий проміжок Sentinel-1 знову фільмує ту саму ділянку;
• 5 × 20 метрів – розмір найменших ділянок, які можна розрізнити на світлині;
• сотні квадратних кілометрів – таку територію можна охопити під час моніторингу Кривого Рогу.

Кадри порівнюють, і якщо місце на поверхні змістилося, це помітять на світлинах. Для цього використовують радарну інтерферометрію. Метод Persistent Scatterers допомагає стежити за будівлями та іншими нерухомими об’єктами. Small Baseline Subset дає змогу досліджувати відкриті ділянки. Так супутникові дані показують рух ґрунту ще до того, як його можна помітити неозброєним оком.

Як заповнення порожнин впливає на ґрунт?

Порожнини після видобутку можна заповнити, щоб підтримати ґрунт зверху. Але навіть після цього за ними треба спостерігати. Моделювання показало: якщо вироблений простір заповнити твердою закладкою, ґрунт над ним просідає набагато менше. Максимальне зміщення зменшується з 260–262 до 118 міліметрів. Це означає, що це реально зменшує рух поверхні.

На стан землі впливає не лише те, що відбувається біля поверхні, а й те, що глибоко під нею:

• глибина старих виробок – потрібно враховувати, коли оцінюють стійкість землі;
• підземні води – можуть посилювати деформації гірського масиву;
• сейсмічні поштовхи – здатні впливати на ділянки з глибокими виробками;
• будова гірського масиву – від неї залежить, як породи реагуватимуть на зміни під землею.

Коли фахівці порівнюють дані про поверхню та під землею, вони отримують повнішу картину. Тоді можна не просто побачити зміщення, а й зрозуміти його причину та оцінити, чи є ризик для будинків, доріг і комунікацій.

Як моніторинг допомагає захистити місто?

Кривий Ріг вже має різні способи стежити за ґрунтом і тим, що відбувається під землею. Головне – помітити просідання ґрунту та інші зміни до того, як вони стануть небезпечними. Для цього фахівці регулярно перевіряють та аналізують дані й вивчають, чи рухається земля.

Чим раніше помітять проблему, тим більше часу буде на перевірку та потрібні дії. Так моніторинг допомагає не просто вимірювати рух ґрунту, а й захищати будинки, дороги та людей, які живуть над старими шахтними виробками.

Джерела:

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/