Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Геофильтрационное обоснование систем горизонтальных дренажных скважин на карьерах

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Геофильтрационное обоснование систем горизонтальных дренажных скважин на карьерах"

На правах рукописи

РУСАНОВ Игорь Валентинович

ГЕОФИЛЬТРАЦИОННОЕ ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ДРЕНАЖНЫХ СКВАЖИН НА

КАРЬЕРАХ

Специальность 04.00.06 Гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В.Плеханова (технического университета).

Научные руководители:

член-корреспондент Российской Академии Наук, профессор В.А.Миронепко,

доктор геолого-минералогических наук, профессор Ю.А.Норватов

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук В.Г.Румынин кандидат геолого-минералогических наук В.Н.Назима

Ведущее предприятие: АО "Гипроруда"

Защита диссертации состоится 1997 г. в

/3 ч. /5~ мин, на заседании диссертационного совета Д.063.15.07 в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова по адресу 194026, Санкт-Петербург, ВО, 21-я линия, д.2, ауд. У23!? .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В.Плеханова.

Автореферат разослан _1997 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета доцент, к.г.-м. н.

А.В.Кузьмин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом наиболее острые гидрогеомеханические проблемы возникают в связи с нарушением устойчивости бортов карьеров. Характер напряженного состояния прибортовых массивов существенно зависит от наличия в них напорных водоносных пластов. При сравнительно низкой проницаемости горных пород на многих угольных месторождениях наиболее эффективным средством дренажа прибортовых массивов являются самоизливающие скважины. Однако многие вопросы их геофильтрационного обоснования еще остаются нерешенными. В связи с этим в последнее время возрос интерес к фильтрационным расчетам горизонтальных скважин, стимулировавшийся до этого, преимущественно, практикой нефтяного дела. В частности, фильтрационные расчеты систем горизонтальных дренажных скважин, наряду с использованием известных решений из практики нефтяного дела, требуют разработки новых подходов. Методика численного моделирования систем взаимодействующих горизонтальных скважин, вскрывающих неоднородные массивы, практически не разработана.

Цель работы - повышение эффективности гидрогеологических исследований при освоении угольных месторождений, разрабатываемых открытым способом с применением горизонтальных скважин.

Основные задачи исследований: 1)провести анализ существующих аналитических решений и определить возможности их использования для оценки водопритоков к карьеру и распределения напоров в прибортовом масстзе при использовании горизонтальных скважин как средства дренажа; 2)разработать типизацию и принципы схематизации гидрогеологических условий дренажа прибортовых массивов; 3)проанализировать возможности современного численного аппарата (программ для исследования процессов геофильтрации) при моделировании прибортовых массивов, дренируемых горизонтальными скважинами; 4)разработать методику численного моделирования процессов дренирования прибортовых массивов горизонтальными скважинами; 5)предложить рекомендации по совершенствованию методики планирования и интерпретации гидрогеологических работ, проводимых для обоснования систем горизонтальных дренажных скважин; 6)разработать методику наблюдений при эксплуатации горизонтальных скважин.

Научная новизна работы: 1)разработана типизация гидрогеологических условий дренажа прибортовых массивов горизонтальными скважинами; 2)разработана и апробирована методика численного моделирования систем горизонтальных дренажных скважин; 3)предложены принципы планирования и интерпретации гидрогеологических работ, проводимых на стадии разведки месторождений для обоснования параметров систем горизонтальных скважин; 4)разработана методика режимных наблюдений с использованием современной тензиометрической аппаратуры при дренаже прибортовых массивов на карьерах горизонтальными скважинами.

Реализация работы 1)при оценке условий дренажа западного борта Кор-кинского буроуголъного разреза; 2)при оптимизации систем горизонтальных дренажных скважин на Бачагском разрезе (Кузбасс); 3)при составлении "Методических рекомендаций по оценке параметров устойчивых бортов и крите-

риев их дренирования при отработке кругопадающих пластов" (ВНИМИ, 1996 ).

Практическая значимость работы - разработанные методические подходы могут быть использованы при создании постоянно-действующих моделей прибортовых массивов карьеров, дренируемых горизонтальными скважинами; при планировании, проведении и интерпретации опьггао-фильтрационных работ на стадии разведки месторождений твердых полезных ископаемых, а также для обоснования и интерпретации режимных наблюдений при проходхе и эксплуатации горизонтальных дренажных скважин.

Апробация работы - основные положения диссертационной работы докладывались на II и III научно-практических семинарах "Гидрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторождений". (ВНИМИ Ялта 1993 г.), на IV международном симпозиуме "Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях" (Белгород 1997г), на II Международном рабочем совещании "Проблемы геодшшшческой безопасности", (Спб, ВНИМИ 1997 г) и на постоянно действующем семинаре кафедры гидрогеологии СПбГГИ, а также отражены в 11 публикациях.

Искреннюю признательность за всестороннюю помощь и поддержку автор приносит своим научным руководителям - член-корреспонденту Российской Академии Наук профессору В. А.Мироненко и доктору геолого-минералогических наук, профессору Ю.А.Норватову. За неоценимую помощь в работе автор благодарит также кандидата геолого-минералогических наук И.Б.Петрову. Автор считает своей приятной обязанностью поблагодарил, коллектив лаборатории гидрогеологии ВНИМИ и сотрудников кафедры гидрогеологии СП6ГГИ(ТУ) за содействие в проведении исследований и полезное обсуждение результатов работы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.Перспективы широкого использования горизонтальных скважин для горного дренажа требуют совершенствования применяемого аппарата гидрогеологических расчетов. Для обоснования параметров систем самоизливающих скважин, пробуренных с уступов борта карьера, необходимо проанализировать условия дренирования прибортовых массивов с целью их типизации; предлагаемая типизация выносится на защиту.

Угленосные отложения, как правило, являются слоистыми комплексами водоносных пластов, разделенных относительными водоупорами. Водоносные пласты обычно представлены трещиноватыми песчаниками или песками, а относительные водоупоры - аргиллитами, глинистыми сланцами, алевролитами.

С учетом разнообразия гидрогеологического строения прибортовых массивов предлагается типизация условий их дренирования, позволяющая оценить возможность снижения напоров подземных вод за счет влияния гор-

ных выработок и обосновать необходимость применения специальных дренажных мероприятий для повышения устойчивости бортов разрезов. С этих позиций целесообразно выделить три группы гидрогеологических структур прибортовых массивов:

А - слоистые массивы, представленные наклонными или крутопадающими водоносными пластами и водоупорами (наиболее характерные для угольных месторождений);

Б - слоистые массивы, представленные горизонтально или полого залегающими водоносными пластами и водоупорами;

В - квазиоднородные по фильтрационным характеристикам породные массивы (например, в силу их равномерной трещиноватостн).

Для оценки возможности снижения напоров в прибортовых массивах группы А предлагается рассматривать три типа гидрогеологических структур, вскрываемых открытыми горными (рис. 1).

I тип - моноклинально залегающие водоносные пласты не вскрываются открытой выработкой и залегают согласно с откосом борта;

II тип - моноклинально залегающие водоносные пласты характеризуются падением вглубь прибортового массива и вскрываются выработками на различных отметках по мере развития горных работ;

III тип - водоносные пласты характеризуются синклинальной структурой и вскрываются горной выработкой на разных отметках при развитии горных работ.

/ш

- положение горных работ на разных стадия;

- угольный пласт;

- пьезометрические напоры водоносных пластов на разных стадиях горных работ;

- отметки потока подземных вод на границах дренажа ■ (на горных выработках).

Рис.1

Дренажные мероприятия для повышешы устойчивости бортов карьеров необходимы практически во всех случаях при наличии структур типа I и могут быть целесообразными для дополнительного снижения напоров в структурах типа II и III (при соответствующем обосновании такой целесообразности расчетом устойчивости борта).

Наклонные и крутопадающие пласты, подлежащие принудительному дренированию, можно рассматривать чаще всего как изолированные, а режим фильтрации как напорный. Внешние границы наклонных или крутопадающих пластов располагаются обычно на сравнительно небольших расстояниях от дренажных контуров (эти расстояния соизмеримы с глубиной карьера). Заданное по условиям устойчивости прибортового массива снижение напоров или уровней подземных вод может быть обеспечено при определенных параметрах дренажных систем.

Расчетные гидродинамические схемы группы А-1, отражающие условия снижения напоров самоизливающими скважинами в наклонных или крутопадающих пластах, различаются условиями питания на внешних границах пластов и по площади их развития. С учетом этой специфики для расчета параметров систем горизонтальных самоизливающих скважин выделены следующие расчетные схемы (таблица 1): 1 - изолированный пласт с внешней непроницаемой границей, которая соответствует выходу наклонного пласта под слабопроницаемые покровные отложения; 2 - изолированный пласт с инфильтрационным питанием на его выходах под покровные отложения; 3 -изолированный пласт с обеспеченным питанием (постоянным напором) на выходах под водообильные покровные отложения; 4 - дренируемый пласт, получающий питание по площади за счет перетекания из смежного водо-обильного пласта; 5 - дренируемый пласт с инфильтрационным питанием по площади его развития.

Для схем 4 и 5 возможны варианты граничных условий на выходах дренируемого пласта под покровные отложения. Здесь могут быть заданы либо условия обеспеченного питания (постоянный напор), либо непроницаемая граница - в зависимости от проницаемости (водообильносш) покровных отложений.

Особым типом структур прибортовых массивов являются слоистые комплексы, представленные частым чередованием водоносных и водоупорных пластов относительно малой мощности. Гидрогеологическая схематизация прибортовых комплексов этого типа предусматривает возможность их представления анизотропными по проницаемости (вдоль напластования и в крест напластования) массивами. Этот тип структур при оценке параметров систем самоизливающих скважин может быть рассмотрен в рамках схем 1, 2, 3 (проводимость дренируемой пачки пород можно принимать исходя из вскрытой скважинами мощности анизотропного массива, охарактеризованной проницаемостью вдоль напластования).

Определение параметров дренажных систем может быть выполнено с привлечением аналитических решений, которые для большинства расчетных гидродинамических схем ранее не были получены, в силу сложности учета условий первого рода на дренажных самоизливающих скважинах при их гидродинамическом взаимодействии. Для расчета упорядоченных (контурных) систем самоизливающих скважин, вскрывающих напорные пласты, предлагается рад решений, учитывающих условия шггания дренируемых пластов (таблица 1). Формулы можно применять для определения параметров контурных систем горизонтальных, вертикальных или наклонных скважин. При выводе аналитических зависимостей использованы возможности метода фильтрационных сопротивлений (учитывалось дополнительное сопротивление ряда самоизливающих скважин).

Решения, рекомендуемые для расчета горизонтальных дренажных скважин в прибортовых массивах

_Таблица 1

Расчетная схема Средний напор по линии ряда скважин Дебит скважины,

1 ~ Ко при КО.З 2тгстШ0

\ И° „рг ст, а 2л/а 1 +—1п- п 71ас ст1п-^- + 2 71С1с

2 /А 101 Г" г 0 7И1С 2як51па СО (ГШ Бша

3 г -0 2тгг ст1ПСТ -+- вша 7сс1с Т(Н0 -Нк)аБта Ъ

4 /Ш Г0; -0 н„в 271 +в стА1п- яс1с ТаАВ(Н0 -Нк)

5 .....!..........-о (тн0 +соЬ2/2)ст1пст/яс1с Т(271Ы-ст1ПСТ/Я^ при Н^СОГ^ аТ(Н0-Нк) | оюЬ Ь 2

В формулах, отвечающих рассмотренным гидродинамическим схемам, приняты следующие обозначения: Но - статический напор дренируемого пласта; к, Т, а* - коэффициент фильтрации, проводимость, коэффициент пьезопроводности дренируемого пласта; т, ос - мощность и угол падения пласта; Ъ - превышение выхода пласта под покровные отложения над отметкой вскрытия пласта скважинами; Ь - длина пласта по падению от выхода его под покровные отложения до контура дренажных скважин; Ко, Шо-коэффициенг фильтрации и мощность относительного водоупора; со - интенсивность инфильтрации; сЦ, а - диаметр скважин, расстояние между ними по контуру.

Для расчета систем горизонтальных скважин, применяемых для дренажа прибортовых массивов, представленных горизонтально или полого залегающими пластами (группа Б) или квазиоднородными массивами (группа В), целесообразно использовать следующие типовые гидродинамические схемы: схема 1 - ряд равноотстоящих скважин в напорном пласте, ориентированный параллельно предполагаемому контуру защищаемой выработки (выработка не вскрывает пласт и пьезометрические уровни поддерживаются ниже дна выработки); схема 1а - то же для безнапорного потока; схема 2 - ряд равноОТСТОЯЩИХ скважин в полуограниченном безнапорном (вблизи скважин и защищаемой горной выработки) потоке, ориентированных перпендикулярно контуру выработки, причем последняя служит областью дренирования потока. Определенный интерес представляют также: схема 3 - площадная система равномерно распределенных горизонтальных скважин в напорном пласте; схема 4 - система равноотстоящих скважин или одиночная скважина под рекой, водоемом или другим источником неограниченного питания; схема 5 -одиночная горизонтальная скважина в напорном неограниченном пласте; схема 6 - одиночная горизонтальная скважина на участке напорного пласта, ограниченном некоторым замкнутым контуром с заданным распределением напоров на нем; схема 6а - то же на участке безнапорного потока.

Расчетные схемы 1 и 1а отвечают условиям предварительного водопо-нижения, а схема 2 - эксплуатационному дренажу скважинами, проходимыми из карьера или из дренажного штрека. Схема 3 отвечает предварительному систематическому дренажу по площади карьерного или шахтного поля, сопровождающемуся постепенным истощением пласта на этой площади (до перехода к безнапорному режиму). Схема 4 предполагает установление гидродинамического баланса между водоотбором и поступлением воды из вышележащего (реже - нижележащего) источника питания. Схема 5 представляет главный интерес для интерпретации опытно- фильтрационных опробований горизонтальных скважин. Схемы 6 и 6а ориентированы на чисто вычислительные функции: они отражают "поведение" горизонтальных скважин, вписанных в конечно-разностную сетку численной модели.

В работе рассмотрены аналитические решения, соответствующие схемам 1-6, причем основное внимание уделено анализу схемы 2, представляющей максимальный практический интерес для условий горного дренажа. Решение, предполагающее наличие равноотстоящих скважин, пройденных в основании безнапорного потока, получено В.А.Мироненко для условий плановой фильтрации. Посредством численного моделирования нами подтверждена корректность оценки расходных характеристик трехмерного потока по

формулам:

_ (Хн . бЬ(71У /ст) 0„ = -^агсБШ———-^ 71 сЬ(л! / а)

2 1 <3« = 0»н| 1—агсБт-

п сЪ(я1 / а),

х V лк сЬ(я1/о) х \ як

сЬ(ях / ст)

сЬ(л1 / ст)

где С>,,„ = qB!1ст - внешний приток к ряду скважин в полосе шириной ст (д„„ - удельный приток), С>у - приток к откосу в интервале [0,у], Ьх и V - глубины потока в сечениях у = 0 и у = а/2, 1 - длина скважины, х - ось параллельная скважине, у - перпендикулярная. Решение позволяет учесть неоднородное распределение притоков вдоль ствола скважины с их концентрацией вблизи забоя. Однако при прогнозе уровенного режима вблизи откоса необходим учет промежутка высачивания и задача должна решаться в нелинейной, трехмерной постановке.

В целом, гидродинамические схемы, отвечающие условиям дренирования горизонтально залегающих пластов или квазиоднородных массивов (группы Б и В), характеризуются особо сложными условиями на границах дренажа: при дренировании прибортового массива как скважинами, так и непосредственно карьером необходимо учитывать их взаимодействие.

2. До недавнего времени расчеты систем самоизливающих скважин во многом определялись возможностями аналитического аппарата. Разработанные, так называемые типовые, расчетные схемы отражают закономерности фильтрационных процессов в идеализированных условиях. Использование численных моделей геофильтрационных процессов позволяет учитывать, в отличие от аналитических решений, широкий спектр осложняющих факторов. Однако, методика численного моделирования геофильтрационных процессов в при-бортовых массивах при дренаже их горизонтальными скважинами практически не разработана. В этой связи на защиту выносятся разработки, направленные на методическое обеспечение численного моделирования этих процессов.

Как известно, численное моделирование геофильтрации применяется особенно эффективно для анализа тех гидродинамических схем, которые осложнены влиянием ряда факторов, трудно учитываемых аналитическими решениями (фильтрационная неоднородность водоносного пласта или комплекса, нелинейность процесса, обусловленная взаимозависимостью напоров, фильтрационных характеристик и граничных условий). Для целенаправленного применения моделирования, в работе сформулированы специфические требования к алгоритмам компьютерных программ и технологии моделирования конкретных расчетных схем.

В частности, расчетные схемы, соответствующие гидрогеологическим структурам групп Б и В, практически всегда требуют применения численных моделей, учитывающих взаимодействие карьера и горизонтальных скважин с заданным погашением, а также параметрическую нелинейность безнапорного режима фильтрации. Все это влечет за собой необходимость использо-

9

вания счетных алгоритмов, обеспечивающих повышенную устойчивость получаемых решений и возможность контроля их надежности.

Общей особенностью всех рассматриваемых гидродинамических является наличие скважин с заданным напором. Поэтому общим требованием к программам численного моделирования обсуждаемых расчетных схем является необходимость непосредственного отражения в модели расчетного гидравлического радиуса скважины, определяющего ее дренирующий эффект.

Для обеспечения устойчивости бортов глубоких карьеров, горизонтальные скважины проходят в виде ярусов по мере углубки карьера. В этом случае при оценке параметров дренажных систем необходим учет взаимодействия скважин, пробуренных в пределах яруса и в разных ярусах. Подобная задача может быть решена только с применением численных моделей.

Применяемые для моделирования гидрогеологических задач программы MODFLOW (США) и "Геософг" (Россия) предназначены для анализа трехмерных потоков с учетом нестационарности фильтрационных процессов, различных граничных условий, инфильтрационного питания подземных вод. Счетный алгоритм программ соответствует неявной конечно-разностной схеме, что обеспечивает устойчивость получаемых решений, С точки зрения изложенных требований, эти программы, наряду с их высокой эффективностью, имеют важный недостаток, который связан со сложностью реализации на численной модели реальных размеров дренажных скважин. В связи с этим разработана программа FLOW (авторы В.А.Румянцев, П.К.Коносавский), которая лишена отмеченного недостатка, обладая всеми положительными качествами упомянутых выше численных кодов. Программа FLOW позволяет моделировать трехмерные по структуре потоки и учитывать нелинейность процесса. Достоинством программы является возможность имитации дренажной скважины при грубой разбивке моделируемой области фильтрации с использованием принципа дополнительных фильтрационных сопротивлений, учитывающего реальные размеры скважины, размещенной в крупном блоке. Для определения дополнительного фильтрационного сопротивления разработан специальный программный модуль, основанный на принципе сеточной лупы, который предусматривает дополнительную дискретность крупного расчетного блока включающего скважину. Выполненные исследования позволяют считать эту программу вполне приемлемой для решения широкого круга задач, связанных с оценкой эффективности дренажных скважин в различных гидрогеологических условиях.

В частности, тестирование программы позволяет сделать вывод, что использование в ней специального модуля "горизонтальная скважина" при построении численной модели дает возможность ориентироваться на грубую (в целом) пространственную разбивку, и лишь на участках резкой деформации трехмерного потока следует вводить неравномерную, более мелкую разбивку по соответствующим координатным осям.

Методика численного моделирования геофильтрационных процессов в прибортовых массивах, дренируемых горизонтальными скважинами, отрабатывалась при решении ряда тестовых задач.

Основной целью моделирования в данном случае является обоснование методических подходов при создании численных моделей прибортовых мас-

сивов, сложенных фильтрационно-неоднородньши (слоистыми) комплексами. Модели предназначены в основном для анализа и прогноза режима уровней водоносных горизонтов, дренируемых горизонтальными скважинами. Моделирование позволяет оценить характеристики нелинейных процессов безнапорной фильтрации (например, определить зависимость глубины "написания" потока над скважинами от их гидравлических характеристик, фильтрационных параметров дренируемого пласта и граничных условий).

Для моделирования дренажа слоистых комплексов предлагается в общем случае трехмерная постановка задачи. Прибортовой массив, дренируемый контурной системой равноотстоящих скважин, имитируется на модели симметричным фрагментом содержащим в осевой части одну скважину и ограниченным боковыми границами - непроницаемыми контурами. Наклонный пласт может быть представлен на модели одним расчетным слоем (при этом задаются отметки кровли и подошвы слоя) или серией горизонтальных слоев. Специальный слой модели служит для задания характеристик горизонтальной скважины.

Анализ результатов моделирования процессов дренирования горизонтальными скважинами слоистых систем позволяет считать, что широкий спектр условий питания подземных вод вполне может бьпъ учтен в моделях. Вместе с тем, анализ численных экспериментов показывает, что ряд моделируемых схем требует особого подхода к выбору временной и пространственной разбивки моделей, к обоснованию технологии моделирования сложных нелинейных процессов.

В работе рассмотрена методика построения моделей и результаты моделирования наиболее характерных схем дренирования слоистых массивов. В частности, выполнено моделирование процесса дренирования скважинами изолированного пласта с внешней непроницаемой границей. В рамках этой расчетной схемы, которая характеризуется сильной нелинейностью фильтрации, рассмотрены два варианта модели, имитирующие процесс дренирования скважинами наклонного пласта: а) пласт, ограниченный водоупором, над которым заложен ряд скважин; б) пласт, неограниченный по падению ниже горизонта заложения ряда скважин. Для получения достоверных результатов при имитации нестационарного режима фильтрации требуется дробная и существенно неравномерная временная разбивка моделируемого периода. Замена при схематизации неограниченного по падению пласта моделью пласта с водоупором, расположенным ниже горизонта дренажных скважин может привести к существенной погрешности при оценке времени дренирования прибортового массива до заданных напоров.

На численной модели напорного пласта с инфильтрационным питанием на его выходах отрабатывалась методика реализации этого граничного условия и определялись дополнительное фильтрационные сопротивления контура скважин при различных его положениях относительно нижележащего водо-упора.

На модели изолированного пласта с обеспеченным питанием на выходах оценено влияние вертикальной разбивки на погрешности расчета расхода горизонтальной скважины и распределения напоров в пласте, показана возможность учета на моделях угла наклона пласта и соответствующей

"рабочей" длины дренажной скважины, пересекающей пласт.

Реализована также модель пласта, получающего питание по площади за счет перетекания из смежного водообильного пласта при эксплуатации ряда горизонтальных скважин. Результаты моделирования сопоставлены с аналитическим расчетом для данной схемы, при этом установлено их практическое совпадение.

Рассмотренные методические приемы моделирования слоистых систем, дренируемых скважинами с заданными условиями первого рода, в принципе реализованы для типовых расчетных схем. Однако, они являются основой для создания более сложных моделей, учитывающих широкий спектр осложняющих факторов (фильтрационная неоднородность дренируемых пластов, взаимосвязь нескольких водоносных горизонтов, нелинейность процесса, обусловленная взаимосвязью напоров, фильтрационных характеристик и граничных условий).

ЗИспользование численных геофильтрационных моделей для имитации условий проведения опытных опробований водоносных комплексов дает возможность скорректировать традиционные подходы к постановке экспериментов, обосновать эффективные схемы их выполнения и рациональные методы интерпретации результатов, тем самым повысив надежность оценки фильтрационных параметров, используемых при обосновании систем горизонтальных скважин. Эффективность наблюдений за формированием техногенного режима подземных вод при проходке горизонтальных скважин может быть существенно повышена за счет использования современной тензиометрической аппаратуры.

До недавнего времени обеспечение опытных опробований и методика их выполнения во многом определялись возможностями аналитического аппарата, применяемого для интерпретации результатов экспериментальных работ. Использование типовых расчетных схем при планировании опробований фильтрационно-неоднородных комплексов угленосных толщ зачастую может приводить либо к неоправданно высоким объемам полевых работ, либо к снижению качества гидрогеологической информации, получаемой при разведке месторождений. Между тем, стремительная компьютеризация научных исследований и инженерной деятельности существенно изменяет подходы к планированию натурных экспериментов и интерпретации их результатов в сложных условиях. Это относится, в частности, к опробованиям и наблюдениям на участках заложения горизонтальных скважин, применяемых для снижения напоров в прибортовых массивах сложенных наклонно залегающими пластами, образующими неоднородные в плане водоносные комплексы. Совершенствование методики опробования таких комплексов может быть достигнуто на базе проведения численных экспериментов в имитационной постановке.

Модель для имитации опытных опробований планово-неоднородного пласта реализована в работе на базе программы МОВРЬО\У. Оптимизация структуры модели базировалась на результатах решения тестовых задач.

В первом варианте рассматривался пласт, разделенный прямолинейной

границей на две зоны, проводимости которых различались на порядок. На численных моделях имитировались поочередные откачки в каждой зоне. Для интерпретации полученных результатов использовалась программа Aquitest (автор - Л.Н.Синдаловский), предназначенная для обработки результатов опытных опробований аналитическими и графоаналитическими методами.

Проведенные численные эксперименты позволили предложить ряд методических рекомендаций по планировашпо и интерпретации опытных опробований планово-неоднородных пластов.

1. Диагностические признаки проявления плановой неоднородности сводятся к следующему:

а)на графиках временного прослеживания по наблюдательным скважинам, расположенным вблизи центральной, фиксируются два прямолинейных участка с разными уклонами; б)при интерпретации результатов откачки в рамках типовой расчетной схемы однородного пласта значение проводимости, полученное по первому участку графиков временного прослеживания, значительно отличается от проводимости, рассчитанной по второму участку; в)отмечается тенденция изменения проводимости, рассчитанной по второму участку графиков понижений в скважинах, расположенных на различных расстояниях от центральной; г)на графиках временного прослеживания для скважин, расположенных на больших удалениях от центральной, не фиксируется отдельных прямолинейных участков, а весь индикаторный график достаточно хорошо апроксимируется типовой кривой Тейса; с)графики площадного прослеживания не апроксимируются прямой линией (значения проводимости, рассчитанные по ближним к центральной скважине пьезометрам, дают проводимость зоны, из которой проводится откачка).

2.Оцежу проводимости водоносной толщи, приуроченной к зоне расположения возмущающей скважины рекомендуется проводить по начальному учаспу графиков временного или площадного прослеживания в расположенных здесь пьезометрах.

3.Обработка данных, полученных при моделировании, позволила построить номограммы в координатах Т/Ти -г- т для разных значений г/Ь (г - расстояние от центральной скважины до наблюдательной, Ь - расстояние до границы, Тр - расчетов значение проводимости, Ты - "фактическое" значение проводимости; т = а*,«^ / Ь2, где а кфактическое значение гтьезо про водности; I - время от начала откачки) и 1п(а'р/а*ы) + т для луча, перпендикулярного к границе зон неоднородности. Представленные номограммы позволяют оценить погрешность параметров, определяемых по наблюдательным скважинам.

4. Существующие аналитические зависимости для оценки параметров планово-неоднородного пласта (решения Максимова и Репзке) позволяют получить достаточно достоверные значеши параметров, но излишне трудоемки и не дают однозначных результатов при определешш параметров смежной зоны.

В работе также рассмотрена численная модель, имитирующая опробование полосообразной зоны повышенной проницаемости на фоне однородного по фильтрационным параметрам пласта. По результатам численных экспериментов даны рекомендации по методике ингерпретащш данных опытных откачек

При анализе условий эксплуатации систем горизонтальных скважин коэффициенты фильтрации в крест напластования являются обязательным ком-

понептом исходных данных. В связи с этим выполнено имитационное моделирование опробования несовершенными возмущающими скважинами анизотропного по проницаемости водоносного комплекса. Эксперименты проводились на программе RELIS (двумерная профильная модель осесимметрич-ной фильтрации, автор П.К.Коносавский).

Имитация опытных откачек выполнялась с учетом того, что понижения напоров подземных вод фиксировались по наблюдательным скважинам (совершенным и несовершенным), а также по точечным пьезометрам (датчикам гидростатическго давления).

Анализ полученных результатов подтверждает, что применение схемы Тейса - Джейкоба для интерпретации понижений напоров в анизатропной толще по несовершенным наблюдательным скважинам или по "точечным" пьезометрам дает недопустимые погрешности. Индикаторным признаком анизотропии опробуемой толщи можно считать закономерный рост рассчитанных по схеме Тейса величин проводимости с параллельным снижением величин коэффициентов пьезопроводности по мере увеличения расстояния от возмущающей скважины до пьезометра. Аналогичная закономерность в изменении рассчитанных величин пьезопроводности наблюдается по мере повышения степени вскрытия толщи наблюдательной скважиной или при увеличении расстояния от точечного пьезометра до опробуемого интервала.

Интерпретация результатов имитируемых опробований с использованием расчетной схемы линейного источника - стока в анизотропном комплексе проводилась с помощью программы Aquitest Программа позволяет достаточно однозначно оценить три параметра анизотропного комплекса (коэффициенты фильтрации и коэффициент пьезопроводности). Вместе с тем, выполненные экспериментальные исследования показали, что анализируемая гидродинамическая схема характеризуется существенно различной чувствительностью к изменению того или иного параметра. Поэтому подбор трех параметров рекомендуется выполнять в определенной последовательности.

Для обеспечения надежной оценки фильтрационных параметров необходимо располагать данными о понижениях напоров по трем (или более) точечным пьезометрам, расположенным на различных расстояниях от кровли толщи и от возмущающей скважины. Для детализации емкостных характеристик (коэффициентов пьезопроводности вдоль и вкрест напластования), а также для учета дополнительных осложняющих факторов, рекомендуется использовать численные модели, реализованные на программе RELIS.

Численные эксперименты позволили сформулировать технические требования к конструктивному обеспечению опытных опробований анизотропных толщ (к степени несовершенства возмущающей скважины, числу и расположению точечных пьезометров - датчиков гидростатического давления). Для оценки фильтрационных параметров прибортовых массивов и гидравлических характеристик горизонтальных дренажных скважин рекомендуется проводить натурные наблюдения в процессе бурения скважин.

В слоистых слабопроницаемых комплексах целесообразно использовать наблюдательные станции - гирлянды датчиков гидростатического давления, размещенные в буровых скважинах. Скважины с датчиками гидростатического давления оборудуются до начала проходки горизонтальной скважины.

Для получения полноценной гидрогеологической информации рекомендуется оборудовать датчиками, как минимум, три скважины (дзе в створе с горизонтальной скважиной и одну - между двух скважин). Гидрогеологическое строение изучаемой толщи предопределяет количество и местоположение точечных пьезометров. При оборудовании наблюдательных станций необходимо обеспечивать активную гидравлическую связь датчиков с изучаемой толщей за счет гравийной обсыпки датчиков в шггервале их установки и тщательной изолящш датчиков друг от друга. Замеры по датчикам с одновременной фиксацией изменений дебита при бурении горизонтальной скважины производятся не реже двух раз в супа! (при активном измекешш дебита частота замеров увеличивается).

В работе даны рекомендащш по расположешпо датчиков гидростатического давления в водоносных комплексах различных структур.

4.Выполненные научно-методические разработки внедрены применительно к эксплуатации дренажных систем на Коркинском (Южный Урал) и Бачатском (Кузбасс) угольных карьерах. Соответствующие практические рекомендации выносятся на защиту.

Коркннский карьер - один из самых глубоких в России - его глубина достигает 450 м, диаметр около 2 км. Начиная с 1947 года, добыча угля сопровождается увеличением глубины карьера и обострением проблемы обеспечения устойчивости его бортов. Чрезвычайно важную роль при этом играет силовое воздействие подземных вод на напряженное состояние и деформации прибортовых массивов. Карьером вскрыта сложная по литолопгче-скому составу, тектонически нарушенная мульдообразная структура. Угленосность связана с триасовыми отложениями, содержащими многочисленные угольные пласты, суммарная мощность которых составляет многие десятки метров. Вмещающие породы представлены алевролтами и песчаниками при резкой фациальной изменчивости этих отложений. В западной части карьерного поля мезозойские отложения сменяются, палеозойскими, тектонически нарушенными образованиями, представленными метаморфизо-ванными породами (диабазами, порфиритами, туфами, известняками, песчаниками). Палеозойские и триасовые породы с угловым несогласием перекрыты меловыми, палеогеновыми и олигоценовыми отложениями, выполняющими Припалеозойскую депрессию. Эти отложения, мощность которых достигает 90 м, представлены глинами и песками.

Гидрогеологическое строение месторождения характеризуется развитием четырех водоносных горизонтов и комплексов: 1)олигоценового, 2)мел-палеогенового, 3)триасового (угленосные отложения), 4)палеозойского.

В связи с нарушением устойчивости западного борта карьера выполнен комплекс гидрогеологических работ, включающих проведение опытно-фильтрационных опробований мел-палеогеновых и палеозойских отложений, наблюдения за режимом подземных вод с целью уточнения представлений о фильтрационных параметрах, условиях питания и взаимосвязи водоносных комплексов. Гидрогеологические скважины, при створовом их расположении, использовались поочередно в качестве откачных и наблюдательных. Уроненный режим контролировался на площади наблюдений по сети сква-

жин (около 20 открытых пьезометров). Для оценки фильтрационных параметров опоковидных глин, разделяющих олигоценовый и мел-палеогеновый комплексы, нами были оборудованы две скважины с датчиками гидростатического давления. Для снижения напоров мел-палеогенового комплекса проводилось опытно-эксплуатационное водопонижение несколькими дренажными скважинами, сгруппированными на участках локальных понижений кровли палеозойских отложений. Суммарный дебит водопоннжающих скважин достигал 150 м3/час.

Наличие осложняющих технических и природных факторов при опробовании мел-палеогеновой толщи одиночными и кустовыми откачками предопределило необходимость применения численного моделирования для интерпретации их результатов. Обработка результатов кустовых откачек проведена на базе численных двумерных (в плане) моделей, реализованных на программе Modflow, интерпретация одиночных опробований - на численных моделях осесимметричной фильтрации (программа Relis).

По результатам опытных опробовшшй и режимных наблюдений создана численная модель мел-палеогенового водоносного комплекса. Этот комплекс, перекрывающие его опоковидные глины и олигоценовый водоносный горизонт представлены на модели пятью слоями. Учтено питание мел-палеогенового водоносного комплекса по площади за счет перетекания через опоковидные глины из олигоценового водоносного горизонта. Калибрация численной модели проведена по 20 пьезометрам, а фильтрационные параметры опоковидных глин уточнены по датчикам гидростатического давления. На численных моделях были уточнены гидрогеологические параметры и границы зон неоднородности мел-палеогенового водоносного комплекса, а также параметр, характеризующий его связь с нижележащей толщей палеозойских отложений. По результатам численного моделирования были рекомендации по оптимальному расположению пяти дополнительных водопоннжающих скважин.

Изучение фильтрационных свойств и структуры палеозойского водоносного комплекса при опытно-фильтрационных опробованиях выполнялось для оценки возможности снижения напоров в прибортовом массиве и для обоснования параметров дренажной системы. По результатам работ уточнено сложное тектоническое строение палеозойского комплекса и получены данные о низкой его проницаемости. Верхняя часть палеозойской толщи охарактеризована проводимостью 0,1-0,01 м^/сут и пьезопроводностью 103 -104 м2/сут, нижняя часть толщи - проводимостью 10~3 м2/сут, пьезопроводностью 102 м2/суг.

Палеозойские отложения на западном борту были вскрыты пятью дренажными скважинами, пройденными из карьера на разных отметках под углом 15-17° к горизонту. Самоизливающие скважины характеризовались незначительным дебитом (0,2-2 м3/час), который заметно увеличивался при пересечении тектонических зон.

Для изучения уровенного режима палеозойского комплекса, наряду с открытыми пьезометрами, нами была оборудована специальная скважина глубиной 190 м с гирляндой датчиков гидростатического давления, пройденная с одного из уступов борта. Датчики зафиксировали напоры в палеозойских отложениях до бурения самоизливающих скважин и снижение напоров на 30-35 м после проходки самоизливающей скважины на минимальных отметках. За четыре года

снижение напоров достигло почти 40 м в верхней части палеозойской толщи и 75 Л! по нижнему нз трех датчиков. Дополнительное снижение напоров после проходки горизонтальных скважин обусловлено вскрытием тектонических зон карьером, который был углублен за период наблюдений на 20 м.

По результатам гидрогеологических исследовании на Коркикском карьере можно сделать следующие основные выводы:

1. Использование численного моделирования при интерпретации ОФО и замеров по датчжсам гидростатического давления, установленным в относительные водоупоры, в значительной степени повысило качество исходной информации для создания постоянно действующей модели мел-палеогенового комплекса. По результатам численного моделирования выбрано оптимальное число дополнительных водопонижающих скважин, их местоположение и уточнен регламент проведения режимных наблюдений.

2. Опытная эксплуатация самоизливающих скважин на западном борту карьера подтвердило их эффективность и позволяет рекомендовать их как основное средство дренажа палеозойских огложешш при дальнейшей углубке карьера.

3.Размещение датчиков на разных глубинах по стволу скважины, оборудованной на палеозойские отложения, позволило установить распределение напоров в толще, зафиксировать нали'ше нисходящего потока и оценить эффективность дренажных мероприятий (обычные пьезометры фиксировали максимальную величину напора по вскрытому ими интервалу).

4. Для эффективного контроля напоров было предложено создать дополнительные наблюдательные станции, оборудованные гирляндами датчиков гидростатического давления на низовых бермах западного и южного бортов; они предназначены для контроля эффективности работающих и проектируемых горизонтальных скважин. Интерпретацию наблюдений по датчикам рекомендуется проводить на численных моделях.

Проблема устойчивости бортов карьеров в Кузбассе, как правило, возникает при достижении ими глубин 100-200 м. Гидрогеологическое строение месторождений, сложенных преимущественно крутопадающими пластами с явно выраженной анизотропией фильтрационных свойств вдоль и вкрест напластования, предопределяет консервацию высоких напоров в прибортовых массивах. Повышение устойчивости бортов разрезов в таких условиях достигается применением горизонтальных дренажных скважин.

Бачатскнн карьер - одно из крупнейших угледобывающих предприятий Кузбасса протяженностью около 11 км и шириной до 2 км. Для обеспечения устойчивости его бортов начиная с 1989 года пройдено около 200 скважин длиной 250 - 300 м.

Прибортовые массивы на карьере представлены породами пермского возраста. В литологическом отношении это песчаники, алевролиты, аргиллиты и каменные угли. Углы падения пластов изменяются от 50° до 90°. Для угленосных отложений характерно расчленение массива пород на отдельные крупные и мелкие тектонические блоки. Верхние уступы бортов Бачатского карьера сложены рыхлыми отложениями, представленными преимущественно суглинками и глинами четвертичного и палеоген-неогенового возрастов.

На месторождении развиты водоносные комплексы четвертичных и пермских угленосных огложешш. Питание четвертичного комплекса, развитого по

всей плошзди месторождения, осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков. Водоносный комплекс угленосных отложений характеризуется чрезвычайно сложным стрсашем и ншкой проницаемостью; в верхних частях толщи фиксируется зона выветрившим, отличающаяся повышенной проницаемостью. Питание подземных вод угленосных отложений осуществляется за счет перетекания из четвертичного водоносного комплекса.

При проходке скважин с уступов разреза и вскрытии ими экранированных водоносных пластов и тектонических зон, наблюдается интенсивное снижение уровней подземных вод в полосе, соизмеримой с длиной скважин, и относительно небольшое снижение за пределами этой полосы. Ограшгченность дренажного действия карьера и горизонтальных скважин является следствием анизотропии проницаемости угленосных отложений вдоль и в крест напластования в условиях питания подземных вод на выходах крутонаклонных водоносных пластов.

Для контроля работы горизонтальных скважин и оценки влияния гидроотвала, размещенного вблизи борта карьера на режим подземных вод были пробурены три скважины, оборудованные датчиками гидростатического давления на различных глубинах. Периодические наблюдения за напорами в четвертичных и коренных отложениях показали, что горизонтальные скважины обеспечивают необходимое снижение напоров в угленосном комплексе несмотря на сложные условия его дренирования.

Для интерпретации режимных наблюдений, проводимых по датчикам гидростатического давления, и дня оптимизации дренажной системы, нами была создана численная модель прибортового массива на базе программы FLOW. Модель отражала анизотропию угленосного комплекса - проницаемость в направлении, ортогональном борту карьера, существенно ниже проницаемости в направлении, параллельном борту, и вдоль вертикали. При моделировании рассмотрен широкий диапазон коэффициентов фильтрации (от 0.01 до 1 м/суг) и интенсивности инфильтрации (от 10 до 10'3 м/сут). Решение задачи показало, что для однозначной оценки фильтрационных параметров и характеристик питания угленосной толщи необходимо иметь, как минимум три точки с известными напорами - две над горизонтальной скважиной и одну - между скважинами ряда.

Выполненные исследования позволили обосновать параметры систем горизонтальных скважин, обеспечивающих устойчивость бортов карьера при проектном увеличении его глубины, а также разработать рекомендации по организации наблюдений за режимом подземных вод для контроля эффективности дренажных мероприятий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1.Горизонтальные самоизливающие скважины являются перспективным средством дренажа прибортовых массивов глубоких карьеров, обеспечивающим устойчивость их бортов. Для обоснования систем таких скважин проведен анализ гидрогеологического строения прибортовых массивов и разработана типизация условий их дренирования. Для ряда расчетных схем предложены новые аналитические решения, учитывающие условия питания дренируемых горизонтальными скважинами пластов.

2.Для анализа сложных гидродинамических схем рекомендуется использовать численное моделирование на базе программы FLOW. Достоинством программы является возможность учета гидравлического радиуса горизонтальной скважины, имитируемой на модели с использованием грубой пространственной разбивки, а также нестаииснарности и нелинейности фильтрационных процессов в неоднородных прибортовых массивах.

3.Численные эксперименты, выполненные на программах Modflow и Relis (моделирование трехмерной и плоско-радиальной фильтрации), позволили сформулировать рекомендации по методике опытно-фильтрациоиных опробова-шш неоднородных водоносных толщ ira участках заложения горизонтальных скважин. В частности, выявлены диагностические признаки неоднородности пласта, представленного двумя зонами, разделенных« прямолинейной грающей. Построены номограммы для определения погрешностей оценки фильтрационных параметров при интерпретации результатов откачек в рамках схемы однородного пласта и определены условия применимости аналитических решений. Предложена методика подбора на численных моделях гидрогеологических параметров при опробовании несовершенными скважинами профильно-анизотропных толщ.

4.Разработаны рекомендации по организации режимных наблюдений при бурении и эксплуатации горизонтальных скважин. Для повышения информативности наблюдений за техногенным режимом подземных вод в прибортовых массивах, дренируемых горизонтальными скважинами, рекомендуется использовать датчики гидростатического давления, с размещением их в виде гирляцд в скважинах, что позволяет оценивать сложную структуру потока При интерпретации результатов режимных наблюдений для оценки фильтрационных параметров прибортовых массивов и условий питания дренируемых пластов рекомендуется использовать численные геофильтрациснные модели на базе программы Flow.

5.Результаты исследований апробированы при проведении гидрогеологических исследований на Коркинском (Южный Урал) и Бачатском (Кузбасс) угольных карьерах. Реализация разработанных научно-методических подходов позволила обосновать рекомендации по дренажным мероприятиям, обеспечивающим повышение устойчивости бортов карьеров.

Таким образом, в результате исследований решена важная научно-техническая задача геофильтрационного обоснования систем горизонтальных дренажных скважин на карьерах.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мироненко В.А., Петрова И.Б., Русанов И.В. "О возможностях использования программ численного моделирования па персональных компьютерах для решения гидрогеологических задач при разведке и эксплуатации угольных месторождений". Тезисы докладов учебно-практического семинара "Гидрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторождений". ВНИМИ Ялта 1992 г. с. 15-16

2. Норватов Ю.А., Петрова И.Б., Коносавский П.К., Русанов И.В. "Численное моделирование осушения слоистых прибортовых массивов горизонтальными скважинами". Тезисы докладов второго научно-практического семинара "Гидрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторождений".

ВНИМИЯлта 1993 г. с. 19-20

3. Норватов Ю.А., Петрова И.Б., Русанов И.В., Акенгьев В.А., Рылеев B.C., "Оптимизация системы водопонижающих скважин при дренаже мел-палеогенового горизонта на Коркинсхом разрезе". Тезисы докладов П научно-практического семинара "Гидрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторождений". ВНИМИ Ялта 1993 г. с. 23-24.

4. Норватов Ю.А., Петрова И.Б. Русанов И.В. "Особенности интерпретации результатов опытно-фильтрационных опробований неоднородных водоносных горизонтов". Тезисы докладов П научно-практического семинара "Гидрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторождений". ВНИМИ Ялта 1993 г. с. 46-47.

5. Синдаловский JI.H., Петрова И.Б., Русанов И.В."Разработка программ для обработки групповых откачек с переменным дебитом для схем неограниченного изолированного шаста (схема Тсйса) и неограниченного пласта с перетеканием (схема Хантуша)". Тезисы докладов П научно-практического семинара "Гидрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторождений". ВНИМИЯлта 1993 г. с. 51-53.

6. Акентьев В.А., Норватов Ю.А., Петрова И.Б., Русанов И.В. "Специфика режимных гидрогеологических наблюдений на Корюшском угольном разрезе" Тезисы докладов Ш научно-практического семинара "Гидрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторождений". ВНИМИ Ялта 1994 г. с. 13-14.

7. Синдаловский Л.Н., Петрова И.Б., Русанов И.В. "Программы для обработки результатов опытных откачек с переменным дебитом на персональных компьютерах". Тезисы докладов Ш научно-практического семинара "Гидрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторождении". ВНИМИ Ялта 1994 г. с. 31.

8. Норватов Ю.А., Петрова Й.Б., Коносавский П.К., Русанов И.В., Тугаров И.В. "Изучение условий проведения фильтрационных опробовшшй с применением численного моделирования". "Вопросы осушения и экология. Специальные горные работы и геомеханика" Материалы четвертого международного симпозиума "OcBoemie месторождений латеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях" ВИОГЕМ Белгород 1997 г. с. 17-23.

9. Норватов Ю.А., Петрова И.Б., Коносавский П.К., Русанов И.В. "Гидрогеологическое обоснование систем разгрузочных скважин для обеспечения устойчивости бортов карьеров". "Вопросы осушения и экология. Специальные горные работы и геомеханика" Материалы четвертого международного симпозиума "Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях" ВИОГЕМ Белгород 1997г. с.71-77.

10. Мироненко В.А., Русанов И.В. "Фильтрационная оценка горизонтальных скважин в условиях горного дренажа". "Геология и разведка" 1997 г. №3 с.127-138.

11. Норватов Ю.А., Петрова И.Б., Русанов И.В. "Численное моделирование геофильтрации при планировании мероприятий по обеспечению эффективности и безопасности горных работ". "Проблемы геодинамической безопасности", П Международное рабочее совещание, СПб, ВНИМИ 1997 г., стр.338-341.