Методика прогноза гидрогеологических условий затопления угольных шахт на базе численного моделирования геофильтрационных процессов

Норватова, Оксана Игоревна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Методика прогноза гидрогеологических условий затопления угольных шахт на базе численного моделирования геофильтрационных процессов
ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Методика прогноза гидрогеологических условий затопления угольных шахт на базе численного моделирования геофильтрационных процессов"

На правах рукописи

НОРВАТОВА Оксана Игоревна

МЕТОДИКА ПРОГНОЗА ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЗАТОПЛЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ШАХТ НА БАЗЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ (на примере Восточного Донбасса)

Специальность 25.00.16 - "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр "

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-Петербург - 2005

Работа выполнена в ОАО "Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ".

Научный руководитель - кандидат геолого-минералогических наук

Петрова И.Б.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гальперин А. М.

кандидат геолого-минералогических наук Коносавский П. К.

Ведущее предприятие - ООО «СПб ГИПРОШАХТ»

Защита состоится "_" декабря 2005 г. в_ч _ мин.

на заседании Диссертационного совета Д 002.108.01 в ОАО "Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела -Межотраслевой научный центр ВНИМИ" по адресу: 199106, Санкт-Петербург, Средний пр., 82, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИМИ.

Автореферат разослан "_"_2005 г.

Исх. №

Ученый секретарь Диссертационного совета

доктор технических наук Мустафин М. Г.

I QZS2>

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Массовое закрытие в России угольных шахт, проводимое в последние годы согласно Государственной программе реструктуризации угольной промышленности, затронуло все основные угольные бассейны страны. Так, в Восточном Донбассе в пределах Шахтин-ского и Новошахтинского районов из 46 шахт в настоящее время осталась в эксплуатации только одна, остальные ликвидируются путем затопления.

Опыт ликвидации угольных шахт, накопленный к настоящему моменту, свидетельствует о развитии под воздействием затопления шахт разнообразных, зачастую опасных, природно-техногенных процессов. В частности, затопление шахт может сопровождаться прорывами шахтных вод в эксплуатируемые шахты, подтоплением территорий, загрязнением подземных и поверхностных вод.

Прогноз условий затопления шахт и подтопления территорий является сложной проблемой, обусловленной объективными трудностями схематизации гидродинамических процессов, а также дефицитом информации об изменении уровенного режима природно-техногенных водоносных комплексов по мере затопления горных выработок. Применение численных геофильтрационных моделей для прогноза гидродинамических процессов при затоплении шахт требует учета специфики питания и разгрузки водоносных комплексов, а также особых граничных условий на затапливаемых выработках, влияние которых различно проявляется на этапах эксплуатации и ликвидации шахт.

В развитие теории и методики применения численного моделирования в горнопромышленной гидрогеологии внесли весомый вклад В. М. Шестаков, И. Е. Жернов, В. А. Мироненко, JI. Лукнер, И. К. Гавич, И. С. Пашковский, Е. А. Ломакин, Ф. П. Стрельский, И. Б. Петрова, П.К. Коносавский, В.Г. Румынии, сотрудники компании Геолинк A.A. Рошаль, И.Г. Гомберг, P.C. Штенгелов и др.; изучению техногенного режима подземных вод при эксплуатации и ликвидации горнодобывающих предприятий посвящены многие работы Ю. А. Норватова.

Накопленный к настоящему времени опыт применения численного моделирования для решения инженерных задач в области горнопромышленной гидрогеологии касается, в основном, стадии разведки шахтного поля, проектирования угледобывающего предприятия и стадии его эксплуатации. Вопросы методики моделирования геофильтрационных процессов, развивающихся при затоплении шахт, не изучены в полной мере. Апробированные программы численного моделирования геофильтрации должны быть адаптированы к особенностям гидрогеологических задач, решаемых при анализе и прогнозе условий ликвидации шахты. Специфика подходов к моделированию нестационарных геофильтрационных процессов, развивающихся при затоплении шахт, обусловлена наличием гетерогенного по емкостным свойствам техногенн гекса

высокой проницаемости, сформированного при проходке горных выработок, в этой связи разработка методики прогноза геофильтрационных процессов, развивающихся при ликвидации шахт, является актуальной научно-технической задачей, решению которой и посвящена настоящая работа.

Цель работы состоит в повышении надежности обоснования инженерных мероприятий, обеспечивающих экологическую и промышленную безопасность при затоплении шахт.

Основная идея работы заключается в том, что анализ техногенного режима действующей шахты и прогноз условий ее затопления выполняется в рамках единой гидрогеологической схематизации, основанной на дифференциации источников водопритоков в шахты в период эксплуатации с использованием численного моделирования.

Задачи исследований:

1. Установление закономерностей формирования водопритоков в затапливаемые горные выработки шахт.

2. Совершенствование методики анализа и прогноза развивающихся при затоплении шахт геофильтрационных процессов на базе их численного моделирования.

3. Разработка аналитических решений для прогноза скорости затопления горных выработок.

4. Разработка концепции информационно-аналитической системы для гидрогеологического мониторинга затопления шахт.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение результатов натурных наблюдений, и экспериментальные исследования геофильтрационных процессов с использованием математического моделирования.

Методика работ включала:

- анализ проведенных ранее исследований по теме диссертационной работы;

-геологический и гидрогеологический анализ условий затопления шахт Восточного Донбасса;

- численное моделирование геофильтрационных процессов и исследование на его основе закономерностей техногенного режима подземных вод, развивающегося при ликвидации шахт;

- оценку параметров водоносных комплексов на основе имитационного численного моделирования условий проведения опытно-фильтрационных работ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности изменений водопритоков в затапливаемые шахты определяются характером природно-техногенных гидрогеологических

структур, сформировавшихся при ведении очистных горных работ. Идентификация природно-техногенных структур должна выполняться на численных геофильтрационных моделях путем имитации техногенного режима подземных вод, формируемого в разные периоды эксплуатации шахты.

2. Характер затопления горных выработок зависит от нелинейного проявления гетерогенности техногенного комплекса по емкостным свойствам и упругоемкости водонасыщенного породного массива, перекрывающего техногенный комплекс, поэтому прогноз режима затопления шахт должен выполняться с применением численных геофильтрационных моделей, учитывающих строение моделируемых природно-техногенных гидрогеологических структур и нестационарность геофильтрационных процессов.

3. Продолжительность затопления горных выработок до подошвы приповерхностного водоносного комплекса может быть оценена на основе предлагаемой методики аналитических расчетов, учитывающих недостаток насыщения и упругоемкость затапливаемых природно-техногенных структур.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика дифференцирования условий затопления шахт по характеру формирования водопритоков в шахты в период их эксплуатации и ликвидации;

2. Разработаны новые методические приемы моделирования гидродинамического режима при имитации процесса затопления шахт, а также сформулированы требования к структуре моделей, предназначенных для анализа и прогноза геофильтрационных процессов, сопровождающих затопление;

3. Разработана методика расчета скорости затопления горных выработок с использованием аналитического аппарата;

4. Разработана концепция информационно-аналитической системы, ориентированной на применение численных геофильтрационных моделей для гидрогеологического мониторинга процессов затопления шахт и обоснования инженерных мероприятий, направленных на обеспечение экологической и промышленной безопасности горных работ.

Личный вклад автора:

- проведен анализ и обобщение ранее полученных результатов по теме диссертационной работы;

- выполнена типизация условий затопления горных выработок, основанная на анализе характера формирования водопритоков в период эксплуатации шахты;

- разработана методика прогноза условий затопления шахт с использованием численных геофильтрационных моделей;

- разработаны и протестированы на численных геофильтрационных моделях аналитические зависимости для расчета скорости затопления горных выработок;

- предложена концепция информационно-аналитической системы, ориентированной на применение численного моделирования для анализа и

прогноза техногенного режима при затоплении шахт в рамках гидрогеологического мониторинга.

Достоверность разработанных научных положений и выводов обеспечена результатами натурных наблюдений за режимом затопления шахт, представительным объемом проведенных численных экспериментов и совпадением прогнозных оценок техногенного режима с натурными наблюдениями на шахтах «Глубокая», «Южная», «Майская» и др. в Восточном Донбассе.

Практическое значение работы заключается в том, что на основе разработанной методики моделирования выполнен анализ и прогноз условий затопления группы шахт, расположенных в пределах Шахтинско-Несветаевской синклинали в Восточном Донбассе, и предложены мероприятия по обеспечению промышленной и экологической безопасности при затоплении этих шахт. Разработанная методика анализа и прогноза процесса затопления шахт с использованием численного моделирования может применяться при разработке проектов ликвидации горнодобывающих предприятий на других месторождениях угля и твердых полезных ископаемых.

Создание информационно-аналитических систем позволит оптимизировать методику гидрогеологического мониторинга и инженерные мероприятия по охране окружающей среды и обеспечению безопасных условий эксплуатации и ликвидации горнодобывающих предприятий.

Предложенные подходы к пересмотру данных гидрогеологической разведки с использованием современных компьютерных технологий позволяют уточнить полученные ранее фильтрационные параметры исследуемых водоносных комплексов и, следовательно, повысить достоверность гидрогеологических прогнозов затопления шахтных полей.

Реализация работы. Основные результаты работы использованы при разработке мероприятий по предотвращению нежелательных экологических последствий затопления ряда шахт ОАО «Ростовуголь» в Восточном Донбассе и отражены в научно-исследовательских работах по темам 233-Г-НИИ-03 "Разработка прогноза гидрогеологических последствий ликвидации шахт Новошахтинского района Ростовской области и обоснование мероприятий по обеспечению экологической и производственной безопасности", 235-Г-ПЛ-МЭ-18 «Исследование причин увеличения проектного водо-притока шахтных вод, выходящих на земную поверхность при затоплении шахты им. Красина ОАО «Ростовуголь» и разработка мероприятий по предотвращению экологических последствий», № 247-Г-ПЛ-МЭ-18 «Проведение гидрогеологических исследований и создание геофильтрационных моделей, обеспечивающих экологическую защиту населения, на шахте «Глубокая» ОАО «Ростовуголь», а также ГК № 457-Г-НИИ-04 «Создание и апробация в промышленных условиях информационно-аналитической системы для мо-

ниторинга гидрогеологической среды с целью обеспечения производственной и экологической безопасности на полях угольных шахт и разрезов».

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI века», г. Саратов, 2002 г., на молодежной сессии Сергеевских чтений, годичная сессия Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, Москва, 2003 г. и на Толстихинских чтениях, СПб, СПГГИ, 2004 г. и 2005 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей.

Искреннюю благодарность за всестороннюю помощь и поддержку автор приносит своему научному руководителю - кандидату геолого-минералогических наук И. Б. Петровой. За неоценимую помощь и методическое руководство автор благодарит член-корреспондента Российской академии естественных наук профессора Ю. А. Норватова. Автор считает своей приятной обязанностью поблагодарить коллектив лаборатории гидрогеологии и экологии ВНИМИ, возглавляемый доктором технических наук Ю. И. Кутеповым, за содействие в проведении исследований и обсуждение результатов работы. Особую благодарность автор приносит коллективу Северо-Кавказского представительства ВНИМИ и его директору кандидату технических наук А. М. Ефимову за сотрудничество и предоставленные материалы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работе раскрыта ее актуальность, сформулированы цель, основная идея и задачи исследований. В первой главе рассмотрено состояние изученности проблемы, приведена типизация гидрогеологических условий затопления угольных шахт, определяющихся характером формирования водопритоков в горные выработки с учетом гидравлической связи затапливаемой шахты с сопредельными.

Во второй главе изложены методические аспекты численного моделирования геофильтрационных процессов для прогноза техногенного режима подземных вод при затоплении шахт. Описана методика и приведены результаты исследования на численных моделях различных концептуальных схем формирования водопритоков в затапливаемые горные выработки. Выполнен анализ влияния гетерогенности породных массивов по емкостным свойствам на закономерности процессов затопления шахт. Сформулированы требования к структуре моделей и даны рекомендации по применению численного моделирования при прогнозе нестационарного процесса затопления шахт.

В третьей главе диссертационной работы изложена методика аналитического расчета продолжительности затопления горных выработок. Пред-

ложены три аналитические зависимости, учитывающие гравитационную и упругую емкость породных массивов природно-техногенной гидрогеологической структуры.

В четвертой главе приведена концепция создания информационно-аналитической системы гидрогеологического мониторинга условий затопления шахт, ориентированной на применение численного моделирования, и приведена ее структура. Особое внимание уделено блокам информационно-аналитической обработки данных и аналитических расчетов скорости затопления горных выработок. На основе приведенной в 1 главе диссертационной работы типизации даны рекомендации по организации гидрогеологического мониторинга на полях затапливаемых шахт. Блок аналитических расчетов скорости затопления шахт дополнен прикладными программами, разработанными автором. В качестве примера приведен состав базы данных для шахт "Майская" и "Южная", расположенных в Шахтинском районе Восточного Донбасса.

Пятая глава содержит результаты численного моделирования при изучении и прогнозе геофильтрационных процессов для оценки негативных последствий затопления шахт ОАО "Ростовуголь" в Восточном Донбассе. Выполнен анализ техногенного режима подземных вод и условий формирования водопритоков в шахты Шахтинско-Несветаевского района. Оценены на численных геофильтрационных моделях условия затопления шахт в пределах Шахтинско-Несветаевской синклинали, а также разработаны рекомендации по организации гидрогеологического мониторинга.

I защищаемое положение

Закономерности изменений водопритоков в затапливаемые шахты определяются характером природно-техногенных гидрогеологических структур, сформировавшихся при ведении очистных горных работ. Идентификация природно-техногенных структур должна выполняться на численных геофильтрационных моделях путем имитации техногенного режима подземных вод, формируемого в разные периоды эксплуатации шахты.

Ликвидация угольных шахт путем их затопления представляет собой сложный комплекс технических мероприятий. Для гидрогеологического обоснования рациональных инженерных мероприятий, направленных на обеспечение промышленной и экологической безопасности при частичном или полном затоплении шахт, необходимы прогнозные оценки:

- скорости (продолжительности) затопления горных выработок;

- величины водопритока в горные выработки на различных этапах затопления шахты;

-величины притока шахтных вод из затапливаемой шахты в соседнюю эксплуатируемую;

-расхода шахтных вод, поступающих в приповерхностный комплекс или выходящих на поверхность по разгрузочным скважинам.

Особенности наблюдаемого гидродинамического режима затопления шахт зависят от сочетания природной гидрогеологической структуры месторождения, техногенных изменений проницаемости породных массивов,

обусловленных горно-технологическими условиями разработки, и характера гидравлической связи затапливаемых шахт с соседними эксплуатируемыми.

Угольные месторождения, как правило, характеризуются наклонным залеганием слоистой продуктивной толщи, представленной метаморфизо-ванными слабопроницаемыми отложениями. При сплошной выемке угольных пластов над выработанным пространством формируются водопрово-дящие трещины, образующие выдержанные по площади техногенные комплексы высокой проницаемости. Учитывая эти особенности генезиса и условий разработки угольных месторождений, можно предложить несколько концептуальных схем-моделей, отражающих наиболее типичные сочетания естественных и техногенных элементов гидрогеологических структур, от которых зависит режим затопления шахт.

При типизации природно-техногенных гидрогеологических структур предлагается выделять три основных структурных элемента гидродинамических схем: техногенный комплекс, перекрывающая его слабопроницаемая толща и приповерхностный водоносный комплекс. Пространственное положение техногенного комплекса и его связь с другими элементами гидрогеологической структуры определяет тип той или иной расчетной гидродинамической схемы (табл. 1).

Предложенные в диссертационной работе методические подходы позволяют обосновать типовые расчетные схемы на основе анализа условий формирования и характера изменения водопритоков в шахту за весь период ее эксплуатации. Хронологический график изменений водопритоков в шахту может служить критерием для выбора гидродинамической схемы, в рамках которой целесообразно выполнять прогноз режима затопления шахты. Предлагаемые схемы могут быть использованы в качестве основы численных геофильтрационных моделей для анализа и прогноза условий затопления шахты при оценке водопритоков в затапливаемые горные выработки, для определения скорости повышения уровней шахтных вод, напоров в водоносных пластах и слабопроницаемых отложениях.

Представленная в таблице 1 типизация гидрогеологических условий ликвидации шахт позволяет выбрать методы прогноза и выявить направленность гидрогеологического мониторинга, осуществление которого необходимо для контроля прогнозных оценок и корректировки расчетной схемы.

При выполнении прогнозных оценок режима затопления угольных шахт, расположенных рядом с эксплуатируемыми, необходимо учитывать характер гидравлической связи ликвидируемой шахты с соседними. Гидравлическая связь между шахтами определяется гидрогеологическими, геомеханическими и горно-технологическими факторами (рис. 1).

При классификации условий гидравлической связи затапливаемой шахты с соседними эксплуатируемыми основным критерием является возможность количественной оценки расхода перетекания. Простым условиям отвечает прямая (активная) гидравлическая связь между шахтами. В сложных

Таблица 1

Типовые гидродинамические схемы природно-техногенных структур

УСЛОВИЯ

СХЕМЫ

й - 3

Выдержанные водоносные горизонты отсутствуют Водопритоки формируются за счет инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод на участках подработки земной поверхности вблизи выходов пластов

СО

VUhU^U. «Л

Графики пмемвт млопритоков при эксплуатации

F, Fj F3 F

Qk при затоплении

s «

s- s

Я 3

Очистные работы велись под водоносным комплексом, который подработан зоной водопроводящих трещин Водопритоки формируются за счет привлечения запасов подработанного комплекса.

Графики изменения водопрнтоков q. при эксплуатации

S 3

. . и

ЗВТ над выработанным пространством не достигает подошвы водоносного комплекса Водопритоки формируются за счет перетекания из взаимодействующего комплекса

Графики изменения вшопритосов in

при эксплуатации

F, F2F

Q. при затоплении

Я S

£ 8

Комбинация схем II и III Водопритоки формируются за счет инфильтрации атмосферных осадков на участках подработки земной поверхности и перетекания из приповерхностного комплекса по остальной площади

Графики изменения водопрнтоков при эксплуатации

F, F, F

q при затоплении

По горизонтальной гарной выработке, пересекающей целик

Активная гидравлическая связь

Через междупластие, нарушенное водопроводящими трещинами

По наклонной горной выработке, пересекающей междупластие

Затрудненная гидравлическая связь Перетекание через разделительные массивы над целиками Л

Между очистными горными выработками через

разделительный массив над целиком

Между очистными горными выработками по пласту песчаников

Между очистной и капитальной (подготовительной) горной выработкой

Перетекание на участках подработки - надработки

Перетекание между очистными выработками через междупластие

Образование прорывов шахтных вод в горные выработки

Условные обозначения:

Возможная гидравлическая связь между шахтами через стволы

1 - целик

2 - разделительный массив

3 - затапливаемая очистная выработка

4 - очистная выработка эксплуатируемой шахты

5 - горная выработка, пересекающая целик

6 - капитальная или подготовительная горная

выработка эксплуатируемой шахты

7 - водонепроницаемая перемычка

//_ - высота зоны водопроводяших трещин

Н^-уровень затопления шахты Г- площадь участка подработки q - расход перетекания к - коэффициент фильтрации

разделительного массива к, - коэффициент фильтрации

пласта песчаников т - мощность пласта песчаников

г, - приведенный радиус горной выработки

Рис. 1. Классификация гидродинамических связей между шахтами

условиях, при затрудненной гидравлической связи, для определения расхода перетекания необходима оценка проницаемости разделительных массивов, в особо сложных условиях характер гидравлической связи непредсказуем. Условия гидравлической связи ликвидируемых шахт с эксплуатируемыми определяют направленность технических мероприятий, необходимых для обеспечения производственной безопасности при затоплении горных выработок.

II защищаемое положение

Характер затопления горных выработок зависит от нелинейного проявления гетерогенности техногенного комплекса по емкостным свойствам и упругоемкости водонасыщенного породного массива, перекрывающего техногенный комплекс, поэтому прогноз режима затопления шахт должен выполняться с применением численных геофильтрационных моделей, учитывающих строение моделируемых природно-техногенных гидрогеологических структур и нестационарность геофильтрационных процессов.

Основной особенностью задач по оценке условий затопления угольных шахт является этапность их решения. На первом этапе моделирования решается обратная задача, имитирующая условия эксплуатации шахты, которая позволяет обосновать расчетную гидродинамическую схему, оценить параметры водоносных комплексов, а также параметры перетекания, уточнить граничные условия и получить распределение начальных напоров, необходимых для решения прогнозной задачи.

Методические приемы, используемые при моделировании геофильтрационных процессов, выражаются в особых подходах к гидрогеологической и численной схематизации. Обязательным элементом расчетной гидродинамической схемы при анализе и прогнозе условий затопления шахт является образованный при сплошной выемке угольных пластов техногенный комплекс, представленный выработанным пространством и зоной водопроводящих трещин (ЗВТ) над ним. Мощность техногенного комплекса, определяемая высотой ЗВТ, зависит от горно-технологических параметров отработки и литологи-ческого состава угленосной толщи, положение его в плане определяется площадью очистных горных работ. При решении обратной задачи техногенный комплекс схематизируется как граница разгрузки с напорами, соответствующими отметкам верхней границы ЗВТ. При решении нестационарной прогнозной задачи необходимо учитывать гетерогенность техногенного комплекса; он должен быть охарактеризован гравитационной водоотдачей (недостатком насыщения) в период повышения уровней в нем, а после насыщения - упругоем-костью. Коэффициенты фильтрации комплекса на порядок и более превышают коэффициент фильтрации вмещающих отложений. Для имитации процесса затопления шахт техногенный комплекс следует моделировать одним расчетным слоем, охарактеризованным напорно-безнапорным режимом и начальными напорами, соответствующими отметкам подошвы комплекса.

Водонасыщенная слабопроницаемая угленосная толща, перекрывающая техногенный комплекс, при анализе техногенного режима и прогнозе процессов затопления шахт схематизируется как относительный водоупор, через который расход перетекания поступает в техногенный комплекс при экс-

плуатации или затоплении шахты. Значение осредненного коэффициента фильтрации водоупора вкрест напластования уточняется в ходе решения обратной задачи. Упругоемкость водоупора может быть уточнена сопоставлением фактических и прогнозных темпов затопления горных выработок.

На основе предложенных концептуальных геофильтрационных схем были созданы профильные численные модели, отражающие типовые условия затопления горных выработок. Методика численного моделирования отлаживалась на серии численных экспериментов, 10 наиболее значимых из которых подробно изложены во второй главе диссертационной работы. Исследовались закономерности геофильтрационных процессов при затоплении горных выработок в условиях выделенных типовых гидродинамических схем, в том числе при наличии различных граничных условий - ин-фильтрационного питания, рек и т. п. В диссертационной работе выполнена также оценка условий подтопления надпойменной речной террасы при зарегулированной отметке уровня затопления горных выработок и оценка влияния техногенного водоносного комплекса, образовавшегося в результате отработки угольного пласта, на перераспределение напоров подземных вод в массиве горных пород при затоплении шахты.

Численное моделирование позволяет выполнить анализ водного баланса исследуемого объекта. Соотношение части притока, идущего на восполнение гравитационных и упругих запасов толщи, определяется упруго-емкостью перекрывающих техногенный комплекс пород. Чувствительность моделей к изменению значения гравитационной и упругой водоотдачи пород исследовалась в рамках различных схем. Так, например, при формировании водопритоков в шахту за счет перетекания из приповерхностного комплекса (гидродинамическая схема III) изменение гравитационной водоотдачи этого комплекса на порядок существенно отражается как на статьях баланса (рис. 2), так и на уровнях подземных вод.

водоотдача 0,1

I ' | перетекание из приповерхностного комплекса емкостные запасы техногенного комплекса

ЩЩ инфильтрационное питание упругие запасы относительного водоупора

восполнение гравитационных запасов приповерхностного комплекса

Рис. 2. Водный баланс модели при формировании водопритоков в горные выработки за счет перетекания из приповерхностного комплекса

Как видно из рис. 3, изменение гравитационной водоотдачи приповерхностного комплекса мало отражается на скорости подъема уровней в горных выработках и напорах подземных вод в относительном водоупоре, тогда как максимальные различия уровней отмечаются в приповерхностном водоносном комплексе. Следовательно, для определения скорости затопления горных выработок фильтрационные параметры приповерхностного водоносного комплекса имеют подчиненное значение, в то время как при решении задач по предотвращению подтопления территорий в рамках гидрогеологического мониторинга условий затопления шахт наблюдательные скважины на приповерхностный комплекс должны быть оборудованы в обязательном порядке.

Анализ результатов численного моделирования в рамках различных концептуальных схем позволил установить закономерности снижения во-допритока в затапливаемые шахты. В работе приведены графики изменения водопритока подземных вод в затапливаемые горные выработки для каждой из схем. В частности, характер изменения притока в затапливаемые выработки, формирующегося за счет перетекания из приповерхностного водоносного горизонта, получающего питание за счет инфильтрации атмосферных осадков и поверхностного водотока (условия, характерные для Восточного Донбасса), представлен на рис. 4.

¡5

1000

^ § ^ ^ ^ ^ ^

2000 3000 время затопления, сут приповерхностный в относительный О техногенный комплекс водоупор комплекс

Рис. 3. Относительная разность напоров (уровней) в породном массиве

500 |ОН 1500 2000 2500 3000 3500

Время от начала затопления, сутки

Рис. 4. График изменения водопритока в затапливаемые выработки

Решение тестовых задач на численных моделях позволило проиллюстрировать принципиально важное положение: в процессе затопления горных выработок водоприток, поступающий в шахту, расходуется частично на насыщение сдренированного при эксплуатации шахты техногенного комплекса, а частично поглощается за счет упругоемкости водонасыщенного породного массива, - чем выше упругоемкость, тем медленнее идет подъем уровней шахтных вод (рис. 5). Так, при коэффициенте упругоемкости (3 = 10"6 1/м скорость подъема уровня шахтных вод в затопленных выработках составила 0,15 м/сут; при изменении упругоемкости с глубиной от Р1 = 10'31/м до р2 = 10"51/м - 0,1 м/сут. Этот факт доказывает также, что водоприток в горные выработки на различных этапах затопления нельзя рассчитывать только по скорости подъема уровня в горных выработках и объему выработанного пространства.

Рис. 5. График подъема уровней шахтных вод в затапливаемых выработках

При параметрах, характерных для Восточного Донбасса, это приводит к погрешностям, превышающим 50%.

Эффективность численного моделирования определяется не только обоснованностью гидрогеологической схематизации, но и рациональной вычислительной схематизацией. Дискретность модели в разрезе определяется природно-техногенной гидрогеологической структурой месторождения. При схематизации относительного водоупора большой мощности целесообразно представить его совокупностью горизонтальных слоев, проницаемость которых снижается сверху вниз в соответствии с затуханием трещиноватости пород с глубиной. Однородный водоупор может схематизироваться одним слоем: тестовое моделирование показало, что при увеличении дробности вертикальной разбивки однородного водоупора повышение точности прогноза темпов подъема уровней шахтных вод при затоплении горных выработок соизмеримо с погрешностью вычислений.

Особые требования при моделировании процесса затопления горных выработок предъявляются к дискретности процесса во времени. Модели-

руемый период должен быть представлен несколькими стресс-периодами с большим количеством временных шагов. Шаг разбивки должен приниматься прогрессирующим - первый временной шаг задается в пределах 10"3-10"2 суток, с увеличивающимся множителем.

По результатам выполненных исследований сформулированы рекомендации по методике численного моделирования геофильтрационных процессов при затоплении горных выработок и требования к структуре моделей.

III защищаемое положение

Продолжительность затопления горных выработок до подошвы приповерхностного водоносного комплекса может быть оценена на основе предлагаемой методики аналитических расчетов, учитывающих недостаток насыщения и упругоемкость затапливаемых природно-техногенных структур.

В диссертационной работе разработана методика оценки аналитическими методами режима затопления шахты для типовых расчетных схем. Предлагаемая методика расчета скорости затопления шахт позволяет оценить продолжительность затопления горных выработок до отметок подошвы приповерхностного водоносного комплекса. Аналитическая оценка скорости затопления основана на предварительном выделении нескольких расчетных положений уровней шахтных вод в затапливаемых выработках (интервалов затопления шахты). Уровням затопления отвечают горизонтальные плоскости, секущие объемную мульдообразную геологическую структуру, которая представляется в виде совокупности расчетных горизонтальных слоев.

Продолжительность затопления горных выработок в пределах каждого расчетного интервала затопления шахты определяется условиями формирования водопритоков в горные выработки. Полная продолжительность затопления шахты до принятой максимальной отметки определяется суммированием временных отрезков затопления Д^ всех расчетных интервалов.

Для оценки продолжительности затопления горных выработок в условиях, соответствующих гидродинамической схеме типа I целесообразно использовать зависимость:

о)

где Д?„ - продолжительность периода затопления выработок в пределах расчетного интервала отметок (уровней) п\ У„ - объем горной массы, извлеченной в пределах расчетного интервала отметок; ^ - коэффициент пустотно-сти техногенного комплекса (к^ =0,1-0,3); У„-к„ - объем пустот техногенного комплекса, насыщаемый в течение расчетного периода Д/„; % - коэффициент упругоемкости водонасыщенного техногенного комплекса; ■/*"„ - общая площадь затопления техногенного комплекса (всех очистных выработок) к концу расчетного периода Д?„; Язвт - высота зоны водопроводящих трещин; 0, „ - водоприток в затапливаемые выработки в расчетный период времени.

Для схем типа II и типа III предлагаются зависимости:

л*.

1=1

а,„

1-п

ГА+

41 +

пк0&1„

(3)

где А/„ - продолжительность периода затопления выработок в пределах расчетного интервала отметок (уровней) п; - объем горной массы, извлеченной в пределах расчетного интервала отметок; к„ - коэффициент пустотности техногенного комплекса (к„ =0,1-0,3); % - коэффициент упру-гоемкости техногенного комплекса; Р„ - величина коэффициента упруго-емкости массива в пределах п-ного интервала глубин, /<"„ - общая площадь затопления техногенного комплекса (всех очистных выработок) к концу расчетного периода Д?„; Язвт - высота зоны водопроводящих трещин; Q, „ -водоприток в затапливаемые выработки в расчетный период времени; Д#„

/=л

- повышение напора при затоплении расчетного интервала; ^ - сумма

1=1

затопленных интервалов глубин к концу расчетного периода Д/„; рср>, -средняя величина коэффициента упругоемкости массива в пределах затопленных интервалов глубин, ^ дг ^ /(/• -^дг )' и Р ~ коэффициент

/=1 м

фильтрации и коэффициент упругоемкости толщи, перекрывающей техногенный комплекс; Ь, - расстояние от техногенного комплекса до подошвы приповерхностного комплекса по вертикали; и - площадь очистных работ и высота зоны водопроводящих трещин в пределах каждого из выделенных интервалов (рисунки 6 и 7).

Рис. 6. Схема к расчету по формуле (2) продолжительности затопления горных выработок'

I - приповерхностный водоносный комплекс, 2 - подошва приповерхностного водоносного комплекса, 3 - слабопроницаемый массив, 4 - техногенный комплекс, 5 - положение расчетных уровней (интервалов) затопления горных выработок

Зависимости (2) и (3) целесообразно использовать при выполнении критерия й^рсрАДш» > 0,5 ¥„кп (где IV, - объем угленосной толщи, перекрывающей площадь затопления). Согласно этим зависимостям, водоприток, поступающий в затапливаемые выработки, расходуется на насыщение техногенного комплекса и восполнение упругих запасов водонасыщенного породного массива (техногенного комплекса и перекрывающей его толщи).

Рис. 7. Схема к расчету по формуле (3) продолжительности затопления горных

выработок.

1 - приповерхностный водоносный комплекс, 2- подошва приповерхностного комплекса, 3 - слабопроницаемая пачка угленосных отложений, 4 - зона водопроводящих трещин (техногенный комплекс), 5 - расчетные положения уровней шахтных вод в затапливаемых выработках, (, V, - объем горной массы, извлеченной при проходке горных выработок, Ь, - среднее расстояние от кровли техногенного комплекса до подошвы приповерхностного комплекса в пределах каждого расчетного интервала; Я, - площадь очистных горных выработок в пределах расчетного интервала

Зависимость (2) можно использовать преимущественно при малых глубинах залегания техногенного комплекса. Зависимость (3) получена с использованием решения Н. Н. Веригина, которое учитывает нестационарный процесс восполнения статических запасов водоносного пласта при повышении напоров на одной из его границ. Эту зависимость рекомендуется использовать при значительных глубинах залегания техногенного комплекса.

время от начала затопления, сут

Рис. 8. Результаты тестирования аналитических зависимостей

' Предлагаемые аналитические зависимости были протестированы с ис-

пользованием численных моделей, отражающих гидродинамическую схему, принимаемую в аналитических расчетах. Так, на рис. 8 приведены результаты расчета скорости повышения уровней шахтных вод в затапливае-^ мых выработках, выполненные по предлагаемым зависимостям и по

результатам численного моделирования (при мощности относительного водоупора 500 м). При существенной мощности относительного водоупора, ^ перекрывающего техногенный комплекс, наименьшие погрешности харак-

терны для третьей зависимости. По результатам численных экспериментов были определены условия применимости предложенных зависимостей.

Область применения предложенных аналитических решений ограничивается требованием предварительной аналитической оценки притока, поступающего в затапливаемые горные выработки в течение выделенного расчетного интервала, а также условием плановой фильтрационной однородности водоносных комплексов и относительных водоупоров и невозможностью учета дополнительных граничных условий.

Следовательно, при оценке продолжительности затопления шахт затопления в сложных гидрогеологических условиях, при прогнозе распределения уровней и напоров в угленосной толще и приповерхностном водоносном комплексе, прогнозе величины притока в затапливаемые выработки на различных этапах, расчете скорости затопления шахты до отметок, превышающих подошву приповерхностного водоносного комплекса, следует использовать численное моделирование геофильтрационных процессов. В диссертационной работе сделан вывод о том, что аналитические расчеты следует рассматривать как ориентировочные.

' пополняемые базы фактографической^ и картографической информации

ДИН1ЫХ

ИАС

топографическая база данных

. данных

'фмштшяфш&а*

Сданные

гидрогеологического мониторинга вдишыеОФР 0 гидрохимия 0 Гидрология ^ метеорология

Рис. 9. Структура информационно-аналитической системы

^ Сформулированные в первых трех главах диссертационной работы на-

учно-методические принципы анализа и прогноза гидрогеологических ус-

с ловий затопления шахт отражены в предлагаемой концепции создания ин-

формационно-аналитической системы, ориентированной на применение численного моделирования геофильтрационных процессов при организации гидрогеологического мониторинга на полях затапливаемых шахт.

1 17

Предлагаемая концепция отражает современное понимание гидрогеологического мониторинга, включающего систему целенаправленных наблюдений, их интерпретацию с целью анализа и прогноза режима затопления горных выработок и разработку мероприятий по минимизации негативных последствий ликвидации шахт (рис. 9). Оригинальные разработки, предложенные автором, касаются структуры информационно-аналитического блока и блока аналитических расчетов.

Одним из основных модулей информационно-аналитического блока является модуль гидрогеологической схематизации, формируемый на основе предложенной в первой главе типизации условий затопления шахт и классификации гидродинамических связей между шахтами. В рамках этого модуля выполняется типизация природно-техногенных гидрогеологических структур, выбор расчетной гидродинамической схемы, определяются фильтрационные параметры, выявляются источники питания подземных вод, анализируется характер гидравлической связи затапливаемой шахты с соседними.

Оригинальной авторской разработкой является модуль ревизии данных опытно-фильтрационных опробований, выполненных ранее на стадии разведки и доразведки месторождения. Повторную интерпретацию предлагается выполнять с использованием современных компьютерных технологий. Для анализа типовых схем предлагается использовать программу AQUITEST (Синдаловский JI. Н., 1992-2004 гг.), с которой автор имеет более чем десятилетний опыт успешной работы. При анализе опытных откачек в сложных гидрогеологических условиях, которые не соответствуют типовым расчетным схемам, рекомендуется использовать численное моделирование геофильтрационных процессов. В диссертационной работе предложена методика имитации опытного опробования в рамках осесим-метричных и трехмерных численных моделей и приведен подробный анализ современных программ, используемых для интерпретации данных опытно-фильтрационных работ. Среди программ для моделирования осе-симметричных потоков можно отметить программы Коха (США), «WELL» (Муха, Словакия), «SATIR» (Ломакин Е. В., Россия), «RELIS» (Коносав-скийП. К., Россия, 1992-2004 гг.). В работе приведены характеристики перечисленных выше программ и обоснован выбор программы «RELIS» при проведении численных экспериментов, выполненных автором диссертационной работы. Примеры имитации двумерных в плане и трехмерных потоков вблизи возмущающей скважины приведены с использованием программы «MODFLOW».

Для предварительных оценок скорости затопления шахт предложено ввести в состав информационно-аналитической системы блок аналитических расчетов на основе методики, изложенной в третьей главе диссертационной работы. Для выполнения аналитических расчетов автором написана прикладная программа в среде программирования VisualBasic 6.0 и выполнен расчет скорости затопления шахт «Майская» и «Южная» в Восточном Донбассе.

Выполненные научно-методические разработки были использованы при создании численных геофильтрационных моделей, предназначенных для анализа и прогноза условий затопления горных выработок при массовой ликвидации шахт в Шахтинском и Новошахтинском районах Восточного Донбасса.

В пределах этих районов можно выделить две синклинальные структуры - Несветаевскую и Шахтинскую мульды, территориально расположенные в Новошахтинском и Шахтинском районах. Естественная гидрогеологическая структура угленосной толщи при ведении горных работ была существенно нарушена в связи с образованием выдержанных по большой площади техногенных комплексов сложного строения.

Природно-техногенное гидрогеологическое строение района представлено в виде совокупности взаимосвязанных структурных элементов. В пределах Шахтинской мульды выделен приповерхностный водоносный комплекс, связанный с зоной выветривания пород угленосной толщи и перекрывающих эту толщу песчано-глинистых отложений неогена, палеогена и четвертичных аллювиальных отложений речных долин, и техногенный комплекс, приуроченный к нарушенной горными работами Грушевской свите. В пределах Несветаевской мульды выделены приповерхностный водоносный комплекс, и техногенные комплексы, приуроченные к отработанным пластам несветаевской и степановской свит, разделенные относительным водоупором мощностью 350-400 м. Затопление шахт началось в 90х годах. В настоящее время все шахты, кроме «Аютинской», отрабатывающей пласты степановской свиты, ликвидированы и частично затоплены.

С целью анализа и прогноза условий затопления шахт были созданы численные геофильтрационные модели, имитирующие различные стадии затопления горных выработок.

Численная геофильтрационная модель Шахтинской мульды, реализованная в трехмерной постановке, включает поля 15 шахт и охватывает площадь порядка 170 км2. Структура модели представлена пятью слоями: техногенный комплекс, образованный в результате отработки грушевской свиты пластов к42-к52, представлен на модели единым слоем мощностью от 150 до 200 м. В центральной части он погружается на глубину 600 м, на краях мульды выходит непосредственно под приповерхностный водоносный комплекс. Относительно водоупорная толща, представленная переслаиванием песчаников, алевролитов и аргиллитов, а также известняков грушевской свиты, задана на модели тремя слоями, что позволяет учесть затухание с глубиной коэффициента фильтрации относительного водоупо-ра. Внешние границы модели совпадают с выходом пластов грушевской свиты на поверхность, по рекам Кадамовка, Грушевка и Аюта задано граничное условие третьего рода. Интенсивность инфильтрационного питания в пределах моделируемой области задавалась дифференцированно, в зависимости от состава покровных отложений.

На созданной численной модели решены следующие задачи:

1. Обратная задача по уточнению фильтрационных параметров водоносных комплексов и относительных водоупоров - имитация конечного периода эксплуатации гидравлически связанных шахт.

2. Имитация периода затопления шахт до отметки —240 м.

3. Этап откачки шахтных вод гидравлически связанной группы шахт при производительности водоотливного комплекса на шахте «Глубокая» 1400 м3/час, поддерживающего уровень затопления на отметке -240 м.

В зависимости от решаемой задачи изменялись условия на внутренних границах моделей, подробное описание которых вместе с методикой моделирования изложено в последней главе диссертационной работы.

В результате решения серии обратных задач получены следующие фильтрационные характеристики водоносных горизонтов и условий их питания:

-приповерхностный водоносный комплекс - коэффициент фильтрации от 0,01 м/сут до 1,5 м/сут;

- интенсивность инфильтрации по моделируемой площади от 9-10"4 м/сут до 5-10"5 м/сут.

На конечном этапе эксплуатации шахт уровни приповерхностного водоносного комплекса существенно снижены, фильтрационные потери из реки Грушевки составляют 26 м3/час (по фактическим данным - 20 м /час), из реки Кадамовки - 22 м3/час (по фактическим данным - 20 м3/час).

При имитации этапа затопления до абсолютной отметки -240 м разгрузка приповерхностного водоносного комплекса в реки возросла на 109 м3/сут, средняя скорость подъема уровня шахтных вод в затапливаемых выработках составила 1 м/сут, что совпадает с фактической. Полученная на модели упругоемкость относительного водоупора составила 10"6 1/м.

При полученных на модели фильтрационных параметрах дан прогноз дальнейшего затопления группы шахт при полном отключении водоотливных установок на шахте «Глубокая» (рис. 10).

Рис. 10. График повышения уровней шахтных вод при затоплении шахты «Глубокая»

Модель группы шахт, расположенных в Новошахтинском районе, имеет ряд принципиальных отличий. Модель представлена одним слоем,

прогноз факт

0 500 1000 1500 2000 2500 I Время от начала заюпления, су1

имитирующим приповерхностный водоносный комплекс. На первом этапе моделирования воспроизведен естественный режим водоносного комплекса до разработки месторождения, подобраны фильтрационные параметры и уточнены условия питания подземных вод.

Коэффициент фильтрации приповерхностного водоносного комплекса составил порядка 1 м/сут, интенсивность инфильтрационного питания составила от 810"5 до 410"4 м/сут. Суммарный расход водоотлива шахт, отрабатывающих пласты несветаевской свиты, составлял 1800 м3/час, степанов-ской свиты - 2250 м3/час. При имитации периода эксплуатации шахт влияние шахтного водоотлива на модели задавалось по площади водоотбором, соответствующим суммарному водопритоку, поступающему в шахты. При этом интенсивность водоотбора, соответствующего водопритоку в шахты степановской свиты, задаваемая модулем «испарение», составила 5,8-1 О*3 м/сут, а в шахты несветаевской свиты - 7,8-10"4 м/сут. На третьем этапе моделирования воспроизведен гидродинамический режим частичного затопления шахт, сформировавшийся к лету 2003 года, и оценены изменения уровней приповерхностного водоносного комплекса по сравнению с периодом эксплуатации всех шахт.

В диссертационной работе показано, что дальнейшее эффективное использование численных моделей для оценки негативных последствий затопления шахт требует организации гидрогеологического мониторинга, в частности - оборудования наблюдательных скважин на приповерхностный водоносный комплекс с учетом результатов выполненного моделирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится решение актуальной для угольной промышленности задачи разработки методики анализа и прогноза условий затопления угольных шахт с использованием численного моделирования геофильтрационных процессов.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Разработана типизация условий затопления шахт по характеру при-родно-техногенной гидрогеологической структуры. Установлено, что результаты анализа условий формирования водопритоков в шахту на этапе ее эксплуатации являются определяющей информацией для прогноза скорости повышения уровней шахтных вод и водопритоков в шахту в процессе ее затопления. Предлагаемая типизация позволяет оценить сложность выполнения гидрогеологического прогноза режима затопления шахты и выбрать методы прогноза.

2. Идентификация природно-техногенных гидрогеологических структур выполняется путем имитации на численных геофильтрационных моделях техногенного режима подземных вод, формируемого в период эксплуатации шахты.

3. При затоплении шахт, расположенных вблизи с эксплуатируемыми, необходимо учитывать условия их гидравлической связи, определяющие направленность технических мероприятий, необходимых для обеспечения производственной безопасности в ликвидационный период. Предложена классификация условий гидродинамической связи затапливаемой шахты с * соседними эксплуатируемыми с рекомендациями по аналитической оценке расхода перетекания шахтных вод через разделительные массивы.

4. Предложена методика аналитического расчета скорости затопления * горных выработок с учетом недостатка насыщения и упругоемкости породных массивов.

5. Предложены новые методические приемы численного моделирования условий затопления угольных шахт в сложных гидрогеологических условиях и сформулированы требования к структуре моделей, предназначенных для анализа и прогноза геофильтрационных процессов, сопровождающих затопление. Техногенный комплекс, представленный выработанным пространством и зоной водопроводящих трещин над ним, является обязательным элементом гидродинамической схемы и должен моделироваться с учетом гетерогенности по емкостным свойствам.

6. Предложена концепция структуры информационно-аналитической системы, являющейся важнейшим элементом гидрогеологического мониторинга при затоплении шахт. Концепция отражает современное понимание гидрогеологического мониторинга, включающего систему целенаправленных наблюдений, интерпретацию их результатов с применением численных геофильтрационных моделей и разработку мероприятий по минимизации негативных последствий затопления шахт.

7. В рамках предложенной концепции определена структура и функциональные характеристики двух основных блоков системы: информационно-аналитического блока и блока аналитических расчетов скорости затопления шахт. Разработаны прикладные программы для аналитического расчета скорости затопления горных выработок и обоснован выбор программного обеспечения для отдельных блоков системы.

8. На основе разработанных научно-методических принципов и приемов численного моделирования выполнен анализ и дан прогноз условий затопления шахт, расположенных в пределах Шахтинско-Несветаевской синклинали в Восточном Донбассе.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Быкова О. Г., Норватова О. И. Перспективы использования программного пакета «МАРГИС» для оценки водопритоков в очистные выра- / ботки // Сб. тр. международной научно-практической конференции «ВНИМИ-2000». - СПб.: ВНИМИ, 2000.

2. Норватов Ю. А., Петрова И. Б., Норватова О. И. Оптимизация гидрогеологических исследований при разведке и эксплуатации угольных месторождений на базе компьютерных технологий // Ресурсный потенциал твердых полезных ископаемых на рубеже XXI века: Сб. - Ростов-на-Дону: ВНИГРИуголь, 2001.

3. Норватов Ю. А., Петрова И. Б., Миронов А. С., Норватова О. И.

Гидрогеологические проблемы ликвидации шахт в Восточном Донбассе // Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики. - СПб., 2002.

4. Норватова О. И., Щербич К. Н. Методические аспекты моделирования геофильтрационных процессов при затоплении шахт // Материалы всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI века», - г. Саратов, 2002.

5. Норватов Ю. А., Петрова И. Б., Норватова О. И. Гидрогеоэкологические проблемы ликвидации шахт «Нежданная» и им. Красина в Восточном Донбассе. Сергеевские чтения, Москва, 2003.

Печатный цех ВНИМИ Заказ 10 Тираж 100 1,5 печ л

К 20 7 17

РНБ Русский фонд

2006-4 19252

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Норватова, Оксана Игоревна

Введение

Глава 1. Производственная и экологическая безопасность при затоплении угольных шахт

1.1 Анализ изученности вопроса

1.2 Типизация гидрогеологических условий затопления шахт по сложности прогноза техногенного режима

1.3 Мероприятия по управлению режимом затопления шахт 5 \

Глава 2. Разработка методических аспектов численного моделирования геофильтрационных процессов, развивающихся при затоплении шахт

2.1 Специфика методики моделирования условий затопления шахт и подтопления земной поверхности

2.2 Численные эксперименты по разработке методики моделирования процесса затопления горных выработок

2.3 Рекомендации по применению численных геофильтрационных моделей при имитации процесса затопления горных выработок

Глава 3. Оценка скорости затопления горных выработок аналитическими методами

3.1 Аналитические зависимости для расчета скорости затопления горных выработок

3.2 Результаты тестирования предлагаемых аналитических решений с использованием численного моделирования

Глава 4. Концепция создания информационно-аналитической системы для анализа и прогноза условий затопления шахт

4.1 Общая структура информационно-аналитической системы ц-/

4.2 Блок объективной информации \

4.3 Информационно-аналитический блок

4.4 Блок аналитических расчетов скорости затопления шахт

4.5 Блок численного моделирования

4.6 Блок обобщения полученных результатов и принятия инженерных решений

Глава 5. Результаты численного моделирования затопления шахт в Шахтинско-Несветаевском районе

5.1 Общая характеристика Шахтинско-Несветаевского района

Восточного Донбасса

5.2 Геологическое строение объекта исследований

5.3 Гидрогеологическое строение Шахтинско-Несветаевской синклинали

5.4 Использование численного моделирования для прогноза негативных последствий ликвидации шахты «Глубокая» в Шахтинском районе

5.5 Использование численного моделирования для прогноза техногенного режима приповерхностного водоносного комплекса при затоплении группы шахтных полей в Новошахтинском районе

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Методика прогноза гидрогеологических условий затопления угольных шахт на базе численного моделирования геофильтрационных процессов"

Актуальность работы

Массовое закрытие в России угольных шахт, проводимое в последние годы согласно Государственной программе реструктуризации угольной промышленности, затронуло все основные угольные бассейны страны. Так, в Восточном Донбассе в пределах Шахтинского и Новошахтинского угольных районов из 46 шахт в настоящее время осталась в эксплуатации только одна, остальные ликвидируются путем затопления.

Опыт ликвидации угольных шахт, накопленный к настоящему моменту, свидетельствует о развитии под воздействием затопления шахт разнообразных, зачастую опасных, природно-техногенных процессов. Технические ликвидационные мероприятия и вызываемые ими природно-техногенные процессы охватывают значительные территории в угледобывающих районах региона и нередко - в пределах городов и крупных шахтерских поселков. Проявляющиеся при этом негативные последствия приобретают особую значимость. В результате подтопления территорий, возникающего за счет повышения уровней грунтовых вод, нарушается нормальная эксплуатация жилых зданий, гражданских или промышленных сооружений, ухудшаются условия сельскохозяйственной деятельности. Возможен также излив на земную поверхность шахтных вод с повышенной минерализацией - для проектирования очистных сооружений необходима информация о расходе шахтных вод и их составе. В определенных условиях затопление шахт может сопровождаться прорывами шахтных вод в эксплуатируемые шахты.

Прогноз условий затопления шахт и подтопления территорий является сложной проблемой, обусловленной объективными трудностями схематизации гидродинамических процессов, а также дефицитом информации об изменении уровенного режима природно-техногенных водоносных комплексов по мере затопления глубоких шахт. Анализ и прогноз гидродинамических процессов при затоплении шахт целесообразно выполнять с применением численных геофильтрационных моделей, однако при этом необходимо совершенствование методики моделирования с учетом специфики питания и разгрузки водоносных комплексов, а также особых граничных условий на затапливаемых выработках, влияние которых различно проявляется на этапах эксплуатации и ликвидации шахт.

В развитие теории и методики применения численного моделирования в горнопромышленной гидрогеологии внесли весомый вклад В. М. Шестаков, И. Е. Жернов, В. А. Мироненко, JI. Лукнер, И. К. Гавич, И. С. Пашковский, П.К. Коносавский, Ф. П. Стрельский, Е.А.Ломакин, И.Б.Петрова, В.Г. Румынии, сотрудники компании Геолинк А.А. Рошаль, И.Г. Гомберг, Р.С. Штенгелов и др.; изучению техногенного режима подземных вод при эксплуатации и ликвидации горнодобывающих предприятий посвящены многие работы Ю. А. Норватова.

Существующие до настоящего времени разработки, учитывающие опыт применения численного моделирования для решения конкретных гидрогеологических задач шахтной гидрогеологии, касались в основном стадии разведки шахтного поля, проектирования угледобывающего предприятия и стадии его эксплуатации. Вопросы методики моделирования геофильтрационных процессов, развивающихся при затоплении шахт, не изучены в полной мере. Принципиальные подходы к численному моделированию геофильтрационных процессов, развивающихся при ликвидации шахт, имеют ряд особенностей, обусловленных наличием гетерогенного по емкостным свойствам техногенного водоносного комплекса высокой проницаемости, сформированного при проходке горных выработок. Апробированные программы численного моделирования процессов геофильтрации должны быть адаптированы к специфике гидрогеологических задач, решаемых при анализе и прогнозе условий затопления шахты, в связи с чем разработка методики анализа и прогноза геофильтрационных процессов, развивающихся при ликвидации шахт, является актуальной научно-практической задачей, решению которой и посвящена настоящая работа.

В современном понимании гидрогеологический мониторинг затопления шахт трактуется как система целенаправленных гидрогеологических наблюдений, сопровождающихся их интерпретацией с целью анализа и прогноза гидродинамического режима и разработкой мероприятий по минимизации негативных последствий затопления шахт. В такой постановке гидрогеологический мониторинг требует системного подхода, который может быть реализован с помощью информационно-аналитических систем.

Целевой функцией подобной системы является обеспечение производственной и экологической безопасности путем повышения эффективности технических мероприятий, сопровождающих затопление шахты. Надежность прогноза техногенного режима подземных вод обеспечивается достоверной гидродинамической схематизацией природно-техногенной структуры месторождения. Применение численного моделирования позволяет решить ряд практических задач, таких как:

• прогноз водопритоков в подземные горные выработки для оценки условий их затопления;

• прогноз уровенного режима водоносных пластов при ликвидации шахт для обеспечения безопасности горных работ на соседних шахтах, а также для решения природоохранных задач на шахтных полях;

• обоснование целесообразности организации дренажных мероприятий на подтопленных территориях, определение оптимальных параметров дренажных сооружений и условий их эксплуатации.

Вышеизложенное позволило сформулировать задачи исследований, последовательность решения которых определила структуру работы. Часть диссертационных исследований выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ, проводимых лабораторией гидрогеологии и экологии ВНИМИ в Восточном Донбассе.

Задачи исследований:

1. Установление закономерностей формирования водопритоков в затапливаемые горные выработки шахт.

3. Разработка аналитических решений для прогноза скорости затопления горных выработок.

4. Разработка концепции создания информационно-аналитической системы для гидрогеологического мониторинга затопления шахт.

Методика работ включала:

- анализ проведенных ранее исследований по теме диссертационной работы;

- геологический и гидрогеологический анализ условий затопления шахт Восточного Донбасса;

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности изменений водопритоков в затапливаемые шахты определяются характером природно-техногенных гидрогеологических структур, сформировавшихся при ведении очистных горных работ. Идентификация природно-техногенных структур должна выполняться на численных геофильтрационных моделях путем имитации техногенного режима подземных вод, формируемого в разные периоды эксплуатации шахты.

Научная новизна работы

1. Разработана методика дифференцирования условий затопления шахт по характеру формирования водопритоков в горные выработки в период их эксплуатации и ликвидации;

2. Разработана методика расчета скорости затопления горных выработок с использованием аналитического аппарата;

3. Разработаны новые методические приемы моделирования гидродинамического режима при имитации процесса затопления шахт, а также сформулированы требования к структуре моделей, предназначенных для анализа и прогноза геофильтрационных процессов, сопровождающих затопление;

Личный вклад автора:

-проведен анализ и обобщение ранее полученных результатов по теме диссертационной работы;

-разработана методика прогноза условий затопления шахт с использованием численных геофильтрационных моделей;

- предложена концепция создания информационно-аналитической системы, ориентированной на применение численного моделирования для анализа и прогноза техногенного режима при затоплении шахт в рамках гидрогеологического мониторинга.

Несветаевской синклинали в Восточном Донбассе, и предложены мероприятия по обеспечению промышленной и экологической безопасности при затоплении этих шахт. Разработанная методика анализа и прогноза процесса затопления шахт с использованием численного моделирования может применяться при разработке проектов ликвидации горнодобывающих предприятий на других месторождениях угля и твердых полезных ископаемых.

Реализация работы. Основные результаты работы использованы при разработке мероприятий по предотвращению нежелательных экологических последствий затопления ряда шахт ОАО «Ростовуголь» в Восточном Донбассе и отражены в научно-исследовательских работах по темам 233-Г-НИИ-03 "Разработка прогноза гидрогеологических последствий ликвидации шахт Новошахтинского района Ростовской области и обоснование мероприятий по обеспечению экологической и производственной безопасности", 235-Г-ПЛ-МЭ-18 «Исследование причин увеличения проектного водопритока шахтных вод, выходящих на земную поверхность при затоплении шахты им. Красина ОАО «Ростовуголь» и разработка мероприятий по предотвращению экологических последствий», № 247-Г-ПЛ-МЭ-18 «Проведение гидрогеологических исследований и создание геофильтрационных моделей, обеспечивающих экологическую защиту населения, на шахте «Глубокая» ОАО «Ростовуголь», а также ГК № 457-Г-НИИ-04 «Создание и апробация в промышленных условиях информационно-аналитической системы для мониторинга гидрогеологической среды с целью обеспечения производственной и экологической безопасности на полях угольных шахт и разрезов»

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей. Объем работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав, введения и заключения, изложенных на 2о2 страницах, и сопровождается списком использованной литературы из 87 наименований, 96 рисунками и И таблицами.

Искреннюю благодарность за всестороннюю помощь и поддержку автор приносит своему научному руководителю - кандидату геолого-минералогических наук И. Б. Петровой. За неоценимую помощь и методическое руководство автор благодарит член-корреспондента Российской академии естественных наук профессора Ю. А. Норватова. Автор считает своей приятной обязанностью поблагодарить коллектив лаборатории гидрогеологии и экологии ВНИМИ, возглавляемый доктором технических наук Ю. И. Кутеповым, за содействие в проведении исследований и обсуждение результатов работы. Особую благодарность автор приносит коллективу СевероКавказского представительства ВНИМИ и его директору кандидату технических наук А. М. Ефимову за сотрудничество и предоставленные материалы.

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Норватова, Оксана Игоревна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа представляет собой законченный научно-исследовательский труд, в котором содержится решение актуальной для угольной промышленности задачи разработки методики анализа и прогноза условий затопления угольных шахт с использованием численного моделирования геофильтрационных процессов.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Разработана типизация условий затопления шахт по характеру природно-техногенной гидрогеологической структуры. Установлено, что результаты анализа условий формирования водопритоков в шахту на этапе ее эксплуатации является определяющей информацией для прогноза скорости повышения уровней шахтных вод и водопритоков в шахту в процессе ее затопления. Предлагаемая типизация позволяет оценить сложность выполнения гидрогеологического прогноза режима затопления шахты и выбрать методы прогноза.

3. При затоплении шахт, расположенных вблизи с эксплуатируемыми, необходимо учитывать условия их гидравлической связи, определяющие направленность технических мероприятий, необходимых для обеспечения производственной безопасности в ликвидационный период. Предложена классификация условий гидродинамической связи затапливаемой шахты с соседними эксплуатируемыми с рекомендациями по аналитической оценке расхода перетекания шахтных вод через разделительные массивы.

4. Предложена методика аналитического расчета скорости затопления горных выработок с учетом недостатка насыщения и упругоемкости породных массивов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Норватова, Оксана Игоревна, Санкт-Петербург

1. Автореферат диссертации «Геогидродинамическое обоснование мониторинга процесса затопления угольных шахт Донбасса (на примере Стахановско-Брянского региона)»: Черникова С.А., канд. техн. наук 25.00.06: -Пермь, 2004.

2. Азимов Б. В. Проблемы ликвидации экологических последствий при закрытии угольных шахт и разрезов. // Уголь, 2001 г., №7

3. Антонов В.В. Математическое методы в гидрогеологии и инженерной геологии, Ленинград, ЛГИ, 1987, 88 с.

4. Бабушкин В.Д., Плотников П.Н., Чуйко В.М. Методы изучения фильтрационных свойств неоднородных пород. М., Недра, 1984 г.

5. Блинов С. М. Методологические основы применения геохимических барьеров для охраны окружающей среды. //Перспективы развития естественных наук в высшей школе: Труды международной научной конференции. Пермь, 2001 г. - т. 3 - Экология. - с. 56-61

6. Боревский Б.В., Самсонов Б.Г., Язвин Л.С. Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек. М: Недра, 1973.

7. Бочевер Ф.М., Гармонов Н.В., Лебедев А.В., Шестаков В.М. Основы гидрогеологических расчетов. М., Недра, 1969

8. Быкова О. Г., Норватова О. И. Перспективы использования программного пакета «МАРГИС» для оценки водопритоков в очистные выработки. Сборник трудов международной научно-практической конференции «ВНИМИ-2000», СПб, ВНИМИ, 2000

9. Ю.Веселов В.В. Управление моделированием гидрогеологических объектов и процессов, Алма-Ата, 1989.11 .Гавич И.К. Теория и практика моделирования в гидрогеологии, Москва. 1980.

10. Гальперин A.M., Зайцев B.C., Норватов Ю.А. Гидрогеология и инженерная геология. М, Недра, 1989 г.

11. Гидрогеология СССР, т. VI, Донбасс, 1971

12. Гидродинамические расчеты на ЭВМ. Под ред. Р.С.Штенгелова. М., изд-во МГУ,1994

13. Диколенко Е. Я. Экологические проблемы угольной отрасли и пути их решения. //Уголь. №1, 2003 г. с.25-27.

14. Гидрогеологические аспекты ликвидации шахт в России. //Ежемесячный научно-производственный журнал: Уголь. №12, 1999 г.19.3еегофер Ю.О., Шестаков В.М. Методика обработки данных опытных откачек вблизи реки. Разведка и охрана недр, 1968, 9, с.38-44

15. Инструкция по безопасному ведению горных работ у затопленных выработок, ВНИМИ, 1996 г.

16. Кононов И.Ф., Кононова Н.Б., Денщик В.А. "Кризис и самоорганизация" (Шахтерские города и поселки Донбасса в период реструктуризации угольной промышленности: социальное и экологическое измерения),Луганск, «Альма Матер», 2001

17. Ломакин Е.А., Мироненко В. А., Шестаков В.М. Численное моделирование геофильтрации. М., Недра, 1988

18. Маслов А.А., Штенгелов Р.С. «Новые возможности ИКС ГМСКС сбор, диагностика и обработка данных ОФР», II конференция пользователей и партнеров «Геолинка», Москва, 2001 г, с. 79 - 81

19. Методические указания по оценке гидрогеологических условий ликвидации угольных шахт, обоснованию мероприятий по управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической безопасности, ВНИМИ, 1997 г.

20. Методические указания по изучению и прогнозу техногенного режима подземных вод при освоении угольных месторождений, ч. 1 и ч.2, СПб, ВНИМИ, 1992, 160с.

21. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. М., изд-во МГУ, 1996

22. Мироненко В.А., Мольский Е.В., Румынии В.Г. Горно-промышленная гидрогеология, М: Недра, 1989

23. Мироненко В.А., Шестаков В.Н. Теория и методы интерпретации опытно-фильтрационных работ. М: Недра, 1978 г.

24. Норватов Ю.А. Изучение и прогноз техногенного режима подземных вод, Ленинград, Недра, 1987, 261 с.

25. Норватов Ю.А. Изучение и прогноз техногенного режима подземных вод (при освоении месторождений полезных ископаемых). Л: Недра, 1984 г.

26. Норватов Ю. А., Петрова И. Б. Гидрогеологическая оценка условий затопления угольных шахт. //Журнал по сырью, горной промышленности, энергетике ЭССЕН.ФРГ.: ГЛЮКАУФ, №2(4), ноябрь 1999 г.

27. Норватов Ю. А., Петрова И. Б., Миронов А. С., Норватова О. И. Гидрогеологические проблемы ликвидации шахт в Восточном Донбассе. Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики. С-Пб, 2002

28. Норватова О. И., Щербич К. Н. Методические аспекты моделирования геофильтрационных процессов при затоплении шахт. Материалы всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI века», г. Саратов, 2002

29. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. М., 1977

30. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных выработок на угольных месторождениях СССР. М., Недра, 1981,288с.

31. Рекомендации по методике определения гидрогеологических параметров для прогноза условий строительства и эксплуатации угледобывающих предприятий, ВНИМИ, Л., 1986, 115с.

32. Рекомендации по методике прогноза условий подтопления территорий при отработке угольных месторождений, ВНИМИ, СПб, 1993, 103с.

33. Руководство по организации мониторинга на полях затапливаемых шахт, ВНИМИ, 1995

34. Сальников В.П. и др.,Философия для аспирантов, Санкт-Петербург, 1999.

35. Смирнов А. М. Организация мониторинга отрицательных техногенных воздействий предприятий угольной промышленности // Уголь, 2001, №7

36. СНиП 2.06.15-85. Инженерная защита территории от затопления и подтопления /Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988. - 70 с.

37. Справочное руководство гидрогеолога. Под редакцией Максимова В.М. Т.1,2. Л, 1967

38. Угольная база России, т. 1, Угольные бассейны и месторождения Европейской части России (Северный Кавказ, Восточный Донбасс, Подмосковный, Камский и Печорский бассейны, Урал), под ред. В. Ф. Череповского, ЗАО "Геоинформмарк, Москва, 2000 г.

39. Указания по оценке гидрогеологических условий шахтных полей и прогноз водопритоков в горные выработки, ВНИМИ, Л., 1987, 101с.

40. Хантуш М.С. Анализ данных опытных откачек из скважин в водоносных горизонтах с перетеканием. В книге: Вопросы гидрогеологических расчетов. М., Мир, 1964, с.27-42

41. Чернодаров А. И. Ликвидация основных технологических объектов на закрываемых шахтах. //Уголь. №3, 2001 г. с. 17-18

42. Шестаков В.М. Динамика подземных вод. М., изд-во МГУ, 1973

43. Штофф В.А. Роль моделей в познании, ЛГУ, Ленинград. 1963

44. Штофф В.А. Моделирование и философия, Москва-Ленинград, Наука, 1966

45. Штофф В.А. Введение в методологию научного познания, Ленинград, 1977

46. Экологический мониторинг ликвидации неперспективных шахт Восточного Донбасса. Под ред. В. М. Еремеева Шахты: Издательство ЮРО АГН. 2001 - 182 с.

47. Chiang Н., Kinzelbach W. "Processing MODFLOW. Version 3.0". Hamburg -Heidelberg. 1992- 1993

48. Chiang, W. H. and W. Kinzelbach. 1993. Processing Modflow (PM), Pre- and postprocessors for the simulation of flow and contaminants transport in groundwater system with MODFLOW, MODPATH and MT3D

49. Harbauf, A.W. & McDonald, M.G. 1996. User's documentation for MODFLOW-96, an update to the US Geological Survey modular finite-difference ground-water flow model. Reston, Virginia: U.S. Geological Survey, Open-File Report 96-495

50. Hill, M. C., 1992. MODFLOW/P A computer program for estimating parameters of a transient, three-dimensional, groundwater flow model using nonlinear regression, U.S. Geological Survey, Open-file report 91-484

51. НП1, M. C., 1998. Methods and guidelines for effective model calibration. U.S. Geological Survey, Water-Resources Investigations Report 98-4005

52. Kruseman G.P., Ridder N.A. Analysis and evaluation of pumping test data. Wageningen, The Netherlands, 1994

53. McDonald M.G., Harbough A.W., 1988 MODFLOW, A Modular D3 Finite-Difference Ground-Water Flow Model US GS. Tec. Water-Resources Inv. Bk 6, Chap Al. Washington. DC.

54. Neuman S.P. Analysis of pumping test data from anisotropic unconfined aquifers. Water Resources Research, 1975, v.l 1, pp.329-345

Информация о работе

Норватова, Оксана Игоревна
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2005
ВАК 25.00.16

Диссертация

Методика прогноза гидрогеологических условий затопления угольных шахт на базе численного моделирования геофильтрационных процессов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы