Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геогидродинамическое обоснование мониторинга процесса затопления угольных шахт Донбасса

ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Геогидродинамическое обоснование мониторинга процесса затопления угольных шахт Донбасса"

На правах рукописи

ЧЕРНИКОВА Софья Александровна

ГЕОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МОНИТОРИНГА ПРОЦЕССА ЗАТОПЛЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ДОНБАССА (на примере Стахановско-Брянковского региона)

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь - 2004

Работа выполнена на кафедре технологии горного производства Украинской инженерно-педагогической академии Министерства образования и науки Украины

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Валуконис Г.Ю.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Капгаиков Ю.А.

кандидат геолого-минералогических наук, доцент. Яковлев Ю.А

Ведущее предприятие: ФГУП Межотраслевой НИИ экологии

топливно-энергетического комплекса

Защита состоится 2004 г. в на заседании

диссертационного совета Д 004.026.01 при Горном институте УрО РАН по адресу: 614007, г.Пермь, ул.Сибирская, 78а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института УрО. РАН.

Автореферат разослан « 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Б.А.Бачурин

•л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Интенсивное освоение угольных ресурсов Стахановско-Брянковского региона восточного Донбасса в 1960-1996 гг. обусловило нарастание объемов шахтного водоотлива до 3 млн. м3 в год. Под влиянием такого мощного техногенного воздействия возникли региональные и локальные воронки депрессии подземных вод и была сформирована квазиравновесная система «подработанный породный массив - шахтная вода».

С середины 90-х годов угольная отрасль Украины проходит этап реструктуризации. В соответствии с программой «Уголь Украины» количество шахт с 2000 по 2010 годы уменьшится с 275 до 159 с одновременным ростом добычи на оставшихся шахтах. В Стахановско-Брянковском регионе ряд нерентабельно работающих шахт поставлен на так называемую «мокрую консервацию» - в результате прекращения работы шахтных водоотливных установок происходит подъем уровня подземных вод и затопление горных выработок и подработанного массива в целом. Стабилизация пьезометрических уровней подземных вод носит долговременный характер и происходит в сложных горно-геологических условиях нарушенного горными работами породного массива. Происходящие при этом гидродинамические процессы в системе «подработанный породный массив — шахтная вода» изучены еще весьма слабо, что затрудняет организацию эффективной системы гидромониторинга за процессами затопления шахт.

Гидрогеологический мониторинг выполняется с целью контроля, оценки и прогноза состояния подземных и гидравлически связанных с ними поверхностных вод для объективного и своевременного информационного обеспечения природоохранных мероприятий в условиях ликвидации нерентабельных шахт. Кроме того, осуществление подобного мониторинга необходимо и для корректировки режимов работы водоотливных установок на шахтах, территориально сопряженных с ликвидированными, что позволяет контролировать возможные перетоки шахтных вод и исключать негативные последствия данных процессов.

Существующие технологии мониторинга водоподъема и прогнозные оценки динамики данных процессов основаны на учете статически заданных объемов притоков воды в шахтные выработки и не вполне отражают влияние на данные процессы горнотехнических и гидрогеологических факторов, характерных для различных частей подработанного массива. Это может привести к существенным ошибкам прогноза характера происходящих в геологической среде гидродинамических процессов.

В связи с этим, для повышения эффективности мониторинга процесса затопления шахт весьма актуальна разработка методик и средств геометризации динамики затопления породного массива, которые позволяют учесть характер техногенной изменчивости данного процесса под влиянием горнотехнических факторов.

Цель работы - геогидродинамическое обоснование мониторинга процесса затопления угольной шахты, позволяющего осуществлять прогноз скорости водоподъема с учетом горнотехнических

БИБЛИОТСКЛ С.Пст»рЗ 08 ТОО/

«с

чивости свойств горного массива.

Задачи исследований:

1. Анализ характера изменения уровня шахтных вод и гидродинамических параметров процесса затопления углепородного массива при ликвидации шахты.

2. Классификация объектов затопления с учетом горнотехнических и гидрогеологических факторов и свойств подработанного горного массива.

3. Создание алгоритмического обеспечения математической модели динамики водоподъема в зависимости от горнотехнических и гидрогеологических факторов, позволяющей осуществлять прогноз уровня шахтных вод и скорости водоподъема.

4. Обоснование новой технологической схемы мониторинга процесса затопления угольных шахт, способствующей оптимизации расположения объектов-наблюдения.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач осуществлено обобщение и сравнительный анализ значительного объема результатов исследований гидродинамики закрывающихся шахт. При обработке данных использовались методы математической статистики, математического моделирования, структурной геометризации углепородного массива.

Научная новизна работы

Доказано, что изменения пьезометрической поверхности шахтных вод носят, как правило, дискретный характер с разновекторными гидравлическими градиентами, что необходимо учитывать при организации мониторинга процесса затопления шахт.

Разработана классификация объектов затопления по горно-геологическим условиям их местонахождения.

Показано, что повышение эффективности мониторинга процесса затопления возможно только на основе геометризации затапливаемого углепородного массива с учетом его техногенной нарушенности.

Построены математические модели процесса затопления шахты, в основу алгоритмов которых положены разработанные принципы классификации данных объектов и выявленные закономерности динамики водоподъема.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Методология мониторинга процесса затопления шахт, основанная из геометризации зон углепородного массива по скорости водоподъема V, используемой в качестве интегрального показателя характера происходящих гидродинамических процессов.

2. Пространственно-временная модель пьезометрической поверхности шахтных вод, отражающая функциональную зависимость скорости водоподъема от совокупности горно-геологических показателей участка затопления и фильтрационных свойств пород в зонах водопроводящих трещин.

3. Методические подходы к проектированию системы мониторинга процес- ' са затопления шахты и созданию геоинформационной системы ликвидации горного предприятия позволяющие осуществлять прогнозные оценки водоподъема

и его экологических последствий.

Практическая значимость работы

Разработанные методические принципы создания мониторинга процесса-затопления шахты позволяют за счет выбора рациональной схемы расположения объектов наблюдений оптимизировать его структуру и повысить эффективность его функционирования.

Предложенный метод прогноза параметров водоподъема по локальным участкам затопления позволяет принимать управленческие решения по его регулированию.

Разработаны рекомендации по созданию системы информационного обеспечения маркшейдерского, мониторинга затопления шахт на всех этапах существования горного предприятия.

Полученные методические и технологические разработки внедряются на шахте им. Ильича Луганской областной дирекции Управления реструктуризации угольной отрасли.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается результатами большого объема данных наблюдений по 34 объектам гидромониторинга, их соответствия фундаментальным положениям горной геомеханики и гидрогеологии, корректностью используемой для прогноза динамики затопления математической модели. Оценка достоверности прогнозных оценок, проведенная на материалах маркшейдерского мониторинга в условиях шахт Стахановско-Брянковского региона Донбасса, показала высокую сходимость расчетных и фактических параметров (ошибка не превышает 23%).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях Украинской инженерно-педагогической Академии в 1998-2001 г.г., Международном научном семинаре «Экологические проблемы энергетики и ресурсопользования» (Луганск, 2000), Международной научно-практической конференции «Вщродження Донбасу" (Луганск, 2001), научных семинарах кафедры маркшейдерского дела Донецкого национального технического университета и кафедры геодезии Национального-университета «Львiвська полггехшка" в 2001-2002 г.г.

Полученные научные положения, методические и технологические разработки положительно оценены на техническом семинаре с участием специалистов Ленинской геологоразведочной экспедиции (г.Брянка) в 2003 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 11 работах, в том числе 4 - в специализированных изданиях, 7 - в материалах конференций различного уровня.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, и изложена на 125 страницах, включая 31 рисунок, 33 таблицы, список использованных литературных источников из 89 наименований.

Исходные материалы и личный вклад автора.

Диссертация базируется па результатах научно-исследовательских работ по госбюджетной и договорной тематикам, выполненных под руководством автора на горном факультете Украинской инженерно-педагогической академии. Поста-

новка и выполнение теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертации, осуществлены при непосредственном участии автора.

Успеху исследований способствовали действенная помощь со стороны сотрудников кафедры ТГП УИПА Алексеенко С.Ф., Овчинникова В.Ф. и кафедры маркшейдерского дела ДНТГУ Грищенкова Н.Н. Практические эксперименты и внедрение исследований были бы невозможны без содействия руководителей и ведущих специалистов производственных и проектно-изыскательских организаций: Козаченко М.Г., Сушко Е.Т., Смешко Н.И., Мележика А.М., Марушкевич М.Т.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Современные представления о гидродинамических процессах, происходящих при затоплении угольных шахт.

В результате десятилетий шахтной добычи угля в Стахановско-Брянковском регионе Восточного Донбасса и сопровождающего его шахтного водоотлива естественная гидрогеологическая обстановка рассматриваемого района существенно нарушена: Основной особенностью данного процесса явилось формирование новых гидродинамических условий, обусловленных развитием локально-региональных депрессионных воронок пьезометрической поверхности подземных вод. Процесс затопления нерентабельных шахт сопровождается восстановлением естественного уровня подземных вод в трещиноватом и неустойчивом техногенно - измененном углепородном массиве (коэффициент нарушенно-сти выработками в среднем 26%). Обзор существующих представлений о характере данных процессов показал, что фильтрационные параметры углепородного массива определяются геолого-тектоническим строением и литологическим составом пород и, особенно, их трещиноватостью. Данный параметр влияет не только на проницаемость и водообильность дренируемых горными выработками горизонтов, но и определяет характер сдвижения перекрывающих пород при отработке угольных пластов.

Значительный вклад в геометризацию зон обрушений и деформаций, изучение связи сдвижения горных пород и фильтрации подземных вод внесли Щеголев Д.И., Бочевер Ф.М., Ломизе Г.М., Сыроватко М.В., Авершин С.Г. и др. Закономерности деформаций пород массива и изменение их фильтрационных параметров при подработке водных объектов изучались с целью обеспечения безопасности ведения горных работ и отражены в работах Керкиса Е.Е., Чернышева С.Н., Хохлова ИВ., Скворцова А.Г. и др. Результаты их исследований нашли применение на практике и были включены в ряд нормативных документов, определяющих порядок ведения горных работ: «Инструкция по безопасному ведению горньк работ у затопленных выработок» (1984 г.), «Инструкция по изучению и прогнозированию горно-геологических условий отработки ...»(1985 г.), «Правила охраны сооружений и природных объектов ...» (1998 г.) и др.

Режим движения подземных вод подработанного массива определяется такими фильтрационными свойствами пород, как пористость, влагоемкость, водопроницаемость, растворимость и др.

Степень водопроницаемости нарушенного массива характеризуется коэффициентом фильтрации Кф, посредством которого определяется проводимость пласта и величина водопритока.

Результаты исследований фильтрации воды в трещиноватых породах подработанной толщи, в частности поинтервальные нагнетания и наливы воды в скважины, показывают, что в таком массиве преобладает ламинарный режим движения вод, подчиненный линейному закону фильтрации Дарси. За границу зоны изменений фильтрационной способности пород условно принимается параболическая кривая, огибающая на вертикальном разрезе зону трещин и расслоений. В этой зоне, называемой зоной водопроводящих трещин (ЗВТ), удельные водопоглощения и коэффициенты фильтрации отдельных пород могут значимо возрастать в зависимости от степени раскрытия трещин расслоения. Кроме того, зональность водопритоков определяется тектоническим строением массива, наличием барьерных целиков, неравномерностью отработки пластов. Все вышеперечисленные факторы обуславливают неравномерность восстановления депрес-сионной воронки.

Используемые в настоящее время методики мониторинга динамики водоподъема не учитывают особенностей данного процесса в различных частях подработанного массива, различающихся по степени его техногенной нарушенности, водопроницаемости и ряда других физико-механических свойств, оказывающих влияние на характер данного процесса. В связи с этим, прогнозные оценки скорости водоподъема недостаточно адекватно отражают влияние горнотехнических и гидрогеологических факторов.

В существующей методике прогноза затопления шахты, задаваясь статически предопределенным балансом объема шахтной воды и суммарным объемом очистных и подготовительных выработок в интервале затопления, динамику затопления выражают в виде следующей зависимости:

где: С?,, я, - соответственно водоприток в ьм интервале и переток на соседние объекты, м3/час; Н -время заполнения ьго интервала; К»,,. - коэффициент заполнения выработанного пространства, представляющий отношение объема воды, идущей на заполнение горных выработок, к объему данных выработок; V - объем затопляемых выработок в ьм интервале, м3.

Коэффициент заполнения выработанного пространства определился из опыта откачки затопленных шахт Донбасса после Великой Отечественной войны. Установлено, что в среднем по Донбассу величина параметра К31Ш равна 0.47. Были выявлены зависимости данного параметра от следующих факторов: объема заполняемых горных выработок, степени метаморфизации углей, физико-механических свойств пород, скорости затопления, способа управления кровлей.

Анализ показал, что расчетные значения из-за сложных условий за-

легания, неравномерной отработки шахтных полей, а также несовершенства ме-

тодик их определения, колеблются в широком диапазоне, а ошибки их определения достигают порядка, сопоставимого с их величиной данных параметров. Полученные эмпирические зависимости требуют развития и корректировки на настоящий момент с учетом изменившихся за десятилетия угледобычи характеристик подработанного массива.

Из выполненного автором сравнительного анализа прогноза затопления отдельных горизонтов и частей шахтного поля исследуемого региона следует, что мониторинг водоподъема с использованием зависимости (1) не отображает характер изменения пьезометрического уровня в локальных частях депрессионной воронки. Очевидно, что гидрогеологическое обоснование мониторинга должно основываться на геометризации углепородного массива с учетом геологических, технологических и физических параметров взаимозависимой системы «подработанный породный массив - подземные воды - объект наблюдения».

Выполненный в первой главе анализ используемых в настоящее время методических подходов к мониторингу затопления выработанного пространства и прогнозу параметров водоподъема в подработанном массиве позволил сформулировать цель и задачи исследований.

Глава 2. Гидродинамические параметры процесса затопления углепо-родного массива как основа мониторинга.

Исследуемый Восточный регион Донбасса включает следующие группы предприятий: шахта "Брянковская" с шахтоучастками "Криворожская" и им. Ф.Э.Дзержинского; шахта «Замковская»; шахта им. Ильича. Шахты отрабатывали пласты среднего карбона (каменская, алмазная и горловская свиты), мощности отрабатываемых пластов 0.7-1.35 м, угол падения пластов 5-25 градусов, управление кровлей производилось полным обрушением с одновременной работой 3-5 горизонтов. Длительность эксплуатации шахт до ликвидации - 3 0-90 лет.

Шахты поставлены на «мокрую консервацию» в период с 1995 по 1998 г.г. В исследовании отражено время наблюдения за процессом затопления с 1997 по 2001гг. Интервал исследуемых глубин затопления - 700-50 м.

Очистные работы, в связи со сложными условиями отработки, распределены по площади шахтных полей-крайне неравномерно - оставлены многочисленные целики, имеются участки старых работ.

Анализ горно-геологической документации показал наличие в исследуемом углепородном массиве геодинамических зон, представленных разуплотненными породами повышенной проницаемости. Произведенное картирование выявило осложнение пликативных структур многочисленными разрывными нарушениями с амплитудами в десятки и сотни метров.

Проявления водоносности по слоям пород неравномерны по отдельным горизонтам - водопритоки по полям исследуемых шахт колеблются в пределах 30350 м3/час. Плотность шахтных вод колеблется в пределах 1.03-1.05 г/см3 (учитывая незначительный диапазон колебаний она в дальнейших расчетах принята в качестве постоянной величины).

Маркшейдерскими и геологическими службами специализированных организаций в Стахановско-Брянковском регионе для контроля возможного перетока шахтных вод на смежные разрабатываемые шахтные поля и определения мест

возможного заложения дренажа, производится мониторинг уровня и гидрохимических характеристик шахтных вод. Объекты маркшейдерского мониторинга (шахтные стволы и специально пробуренные гидронаблюдательные скважины) распределены по шахтным полям неравномерно — большая их часть сосредоточена в поймах рек и в зонах ожидаемого подтопления поверхности.

Всего проанализированы данные наблюдений по 37 объектам мониторинга: шахта им. Ильича - 6, шахта «Брянковская» с шахтоучастками - 21, шахт «Зам-ковская» - 10 (общее число частотных замеров пьезометрического уровня - 470). Продолжительность срока наблюдений - от 60 до 1570 суток, количество наблюдений - 3-853, интервал глубин затопления - от -17 (регресс) до 630 м.

Процесс затопления шахт носит неоднородный характер: отмечены резкие (на десятки метров) перепады абсолютных отметок пьезометрического уровня даже по территориально сближенным объектам. Как видно из рис.1, разность абсолютных отметок вод по шахте «Брянковская» на начало наблюдений составляла 50-250 м, а через год - приблизилась к 50 м, оставаясь такой до конца срока затопления. Аналогичная зависимость отмечена и по другим шахтам.

Рис.1. Динамика изменения пьезометрических уровней по объектам мониторинга шахты «Брянковская»

Структурные аксонометрические планы и проекции пьезометрической поверхности шахтных вод (рис.2) показали различный характер процесса затопления в центре шахтного поля и в краевых его участках (выходы пластов в поймах рек). Отмечены отдельные случаи снижения пьезометрического уровня (регресса) в зонах измененной водопроницаемости и на участках, приуроченных к поймам рек. Градиенты подземных потоков, определенные по плану гидроизогипс, неравномерны как по величине, так и по направлению (векторы потоков зачастую имеют противоположное направление). По некоторым сближенным объектам (скважины №№ 3-15 ГН, 3-12 ГН и 3-16 ГН) отмечено, что с течением времени направление пьезометрического уровня меняется на противоположное.

разрез по гидронаблюдательной скважине

(снизу вверх - уровень шахтной воды на начало и конец наблюдений).

Проведенным анализом установлено, что процесс затопления происходит по отдельным дискретным участкам (интервалам затопления), а переток воды на соседние участки отсутствует. Последнее доказывается перепадом абсолютных отметок уровня шахтных вод на десятки метров в один период времени. Так, например, величины отметок шахтных вод территориально сближенных шахт «Брянковской» и им. Ильича сближаются только через три года после начала их затопления, когда процесс уже близок к завершению.

В зонах природной и техногенной нарушенности массива выявлены кратковременные периоды увеличения скорости водоподъема до 30-150 м/мес, с последующими регрессами уровня (рис.3).

Рис.3. Увеличение скорости водоподъема в зонах нарушенности по скважине НБ-2ГН шахты «Брянковская».

Вышеперечисленные особенности затопления показывают, что участки затопляемого массива у отдельных скважин или их групп следует рассматривать как локальные гидродинамические системы с обособленным режимом водоподъема.

Проведенный корреляционный анализ гидродинамических параметров, отражающих динамику водоподъема, позволил выделить три группы объектов затопления: участки вне зон водопроводящих трещин со сравнительно невысокой скоростью водоподъема; участки, приуроченные к зонам водопроводящих трещин от горных работ (ЗВТ) и трещиноватым породам, характеризующиеся резкими подъемами и опусканиями уровня; участки вблизи шахтных стволов с равномерной высокой скоростью водоподъема.

На основе выполненного анализа и установленных особенностей динамики изменения уровней шахтных вод произведена оценка скорости водоподъема в зависимости от горно-геологических условий и физических свойств горных пород. С этой целью произведено расчленение геологических разрезов отдельных объектов наблюдений на внутренне однородные прослои однотипного литологиче-ского состава с выделением зон водопроводящих трещин (ЗВТ), рассчитано время и скорость затопления, оценены гидрогеологические и физические свойства пород.

Полученные данные позволили произвести классификацию объектов затопления с учетом их местоположения, скорости водоподъема и основных горногеологических параметров, определяющие динамику данного процесса (табл.1).

Таблица 1

Классификация объектов затопления по горно-геологическим параметрам

Наименование показателей Средневзвешенные значения

I группа П группа III группа

Скорость водоподъема (V), м/мес 1,4-32,6 2,36-150 10,8-26,0

Коэффициент фильтрации (Ка>), м/сут • 0,005-0,09 0,35-46,4 0,50-3,8

Водоприток по интервалу (00, м*/час 0,18-23,5 12.8- 8100 2,7-136

Сопротивляемость пород одноосному Сжатию (стсж), МПа 43-104 38,5-104 39-104

Гидравличесхая составляющая с учетом тектонической нарушенности (у*Н), МПа 2,05-11,85 0,49-8,25 5,00-18,59

Объем выборки 25 22 25

Данные гидрорежимных наблюдений пьезометрического уровня по 34 стволам и наблюдательным скважинам за период с декабря 1997 г. по январь 2001 г. показывают, что для всех объектов отмечается наличие линейной зависимости изменения абсолютных отметок уровня шахтных вод во времени:

где Набс - абсолютная отметка текущего уровня подземных вод (м); t - время, (мес); a, b - коэффициенты линейного уравнения регрессии.

Установлено, что значимая корреляционная связь между абсолютной отметкой уровня Н,5С и временем начала затопления t характерна даже для объектов, по которым зафиксировано наличие периодов резких колебаний (подъем -регрессия) положения уровня.

Выявлено, что на объектах первой и третьей групп данная связь приобретает характер линейной зависимости через годичный срок наблюдения. На объектах второй группы отмечаются резкие колебания скоростей подъема, при этом наиболее интенсивно процесс водоподъема происходит в зонах повышенной водопроницаемости.

Точность прогнозной оценки положения уровня шахтных вод оценена по результатам фактических замеров на объектах с достаточно большими временными периодами наблюдений (табл.2).

Таблица 2

Оценка точности прогноза положенияуровня шахтных вод •

Объект Набс (прогнозная / фактическая) Коэф-т Fрасч Fтабл. Vmax +

наблюде- через время t (мес.) корре- при V min,

ния 12 18 24 36 ляции q=0,05 м/сут

Ствол № 4 -317 -223 ^132 +49 0,99 3,96 110 3,33

-333 -220 -107 +17

Скв-на • +91.4 +108.3 +125 - 0,94 4,03 103 0,76

И-ЗЗГН +103.1 +119.3 +124

Скв-на М -30 -2 +55 0,79 4.10 71 8.9

И-ЗГН -115 -11 -5 +110

Как видно из таблицы, ошибка прогноза по стволу № 4 и гидронаблюдательной скважине И-33 не превышает 5% от фактического интервала затопления. На тех объектах затопления, где отмечается наличие зон измененной водопроницаемости различного происхождения, зафиксировано чередование резких подъемов и регрессий пьезометрического уровня шахтных вод, при этом сумма максимальной и минимальной скоростей водоподъема, как правило, более 8 м/сут. Ошибка прогноза на таких объектах достигает 15-20% от положения интервала затопления и выходит за пределы требуемой точности.

Таким образом, проведенные исследования позволили обосновать и экспериментально апробировать алгоритм расчета прогнозной отметки поверхности шахтной воды при затоплении, основанный на геометризации участков, различающихся по скорости водоподъема.

Последовательность реализации данного методического подхода выглядит следующим образом:

• составляются зональные структурные планы и разрезы по затопляемому массиву;

• фиксируется уровень шахтной воды по объектам с частотой, регламентированной руководящими инструкциями;

• рассчитывается скорость подъема воды (минимальная, максимальная и средняя) по выделенным интервалам глубин;

• оценивается тренд между абсолютной отметкой пьезометрического уровня вод и временем затопления;

• при условии, если сумма минимальной и максимальной скоростей подъема не превышает 8-9 м/сут, рассчитывается уравнение линейной регрессии, отражающего зависимость между абсолютной отметкой пьезометрического уровня вод и временем затопления;

• выполняется прогнозный расчет абсолютной отметки по требуемым интервалам с помощью корреляционно-регрессионного анализа.

Глава 3. Прогноз динамики водоподъема в техногенно-нарушенном массиве.

Особенности гидродинамических процессов, происходящих при неустановившемся движении подземных вод в нарушенном массиве, изучены еще относи- . тельно слабо. Особенно актуальны в этой проблеме исследования, направленные на выяснение роли горно-геологических факторов, определяющих скорость водоподъема в различных геодинамических зонах.

Как было показано, основными параметрами, определяющими динамику подъема шахтных вод в подработанном массиве, являются фильтрационные свойства пород, определяющие характер и масштабы водопритока в отдельные горные выработки и шахту в целом.

Проведенными исследованиями установлено, что динамика водоподъема в сложных горно-геологических условиях отработанных шахтных полей при неравномерности водопритока по горизонтам и пластам носит дискретный характер с чередованием периодов подъема и регресса уровня. Установлено, что в подрабо-

тайном массиве непосредственно над зоной горных работ резко возрастает скорость водоподъема, что является прямым следствием техногенного изменения фильтрационных параметров пород. Опыт эксплуатации угольных месторождений с применением систем с обрушением кровли показывает, что растягивающие напряжения вызывают, как правило, нарушения сплошности подрабатываемого массива у фронта отработки. Высота зоны водопроводящих трещин (ЗВТ) определяется литологическим составом пород разреза, соотношением мощности слоев аргиллитов и алевролитов к общему размеру толщи и горнотехническими факторами. За границу зоны техногенных изменений фильтрационных свойств пород условно принимают параболическую кривую, огибающую зону трещин и разломов, проведенную под углами сдвижения пород. Автором установлен характер и рассчитаны параметры ЗВТ по объектам мониторинга исследуемого регирна, сопряженным с участками ведения горных работ. По каждому объекту мониторинга график динамики уровня шахтной воды за весь период наблюдений сопоставлен с литологией затапливаемых горизонтов и наличием зон техногенной и тектонической нарушенности.

Полученные методами математической статистики зависимости скорости подъема шахтных вод V (м/мес) от гидрогеологических и физических свойств пород по отдельным интервалам затопления для всех групп выборок описываются следующим уравнением регрессии:

V = b0+bixQ,+ bzxQ2+ b3xo0«.+ Ь4х(ухН), (3)

где: - коэффициенты уравнения регрессии для исследованных

групп объектов мониторинга; а« - сопротивляемость пород одноосному сжатию (МПа); ухН - гидравлическая составляющая с учетом нарушенности пород (МПа); Qi И Qj - водопритоки в заданном слое (Шея) и в зоне водопроводящих трещин, определяемые по следующим формулам:

Qi = Шел X Кф X 100, м3/сутки, (4)

Q2 = Шел X Кф з„ X100, м3/сутки, (5)

где Кф - коэффициент фильтрации пород вне зон измененной проницаемости, м/сутки; - коэффициент фильтрации пород в зонах водопроводящих тре-

щин;.

Величины а« и ухН автор принимает по «Кадастру пород .. .» для исследуемого региона и данным экспериментальных исследований физико-механических свойств пород с учетом характера их тектонической нарушенности. В зонах техногенной нарушенности под влиянием горных работ значения корректируется законом Кулона -Мора.

С учетом изменения фильтрационных свойств пород в подработанном массиве рассчитывают по следующей формуле:

Кфыг-К» х (50 X m/H)3, м/суг, (6)

где m - вынимаемая мощность пласта (м); Н - расстояние от выработанного пространства до выбранного слоя, расположенного в пределах зоны водопроводящих трещин (м).

Согласно принятой модели скорость водоподъема в наибольшей степени зависит от водопритока по слоям, который определяется через коэффициент фильтрации слоя, и гидравлической составляющей массива, рассчитанной с учетом тектонической нарушенности(рис.4).

Рис.4. Зависимость скорости подъема V от гидравлической составляющей у-Н и водопритока О (а, б, с - объекты 1,3 и 2 групп).

Параметры, характеризующие тесноту связи скорости водоподъема с прочностью пород на сжатие, а также шахтным водопритоком менее значимы (табл.3).

Таблица 3

Результаты многофакторного корреляционно-регрессионного анализа связи скорости водоподъема с параметрами затопления

Параметры Объем Коэффициенты Ррасч РтаКл. Коэф-т

затопления выборки уравнений регрессии при множеств.

ь, Ьз Ьо 4=0,05 корреляции

Группа № 1

01,(У*Н),осж 22 0,08 0,02 -0,42 4.6 7,08 4,2 0,50

Группа №2

Ог, (Г*Н), асж 25 78,3 -0,06 0,12 16.7 12,6 4,0 0,68

Группа № 3

02,(УХН) 22 0,002 * -0.05 20.0 12.04 4.2 0,54

Прогноз динамики водоподъема при восстановлении депрессионной воронки может быть осуществлен с использование следующих уравнений многофакторной регрессии:

а) для участков с отсутствием зон водопроводящих трещин (группа № 1):

V = - 0.08 ст „ + 0 .02 (ухН)- 0.42 С>, +4,6;

б) для участков, расположенных в зонах нарушенного горного массива (группа № 2):

V = - 0.06 а с* + 0.12 (ух Н)+78.3р2-16.7;

в) для участков, расположенных в непосредственной близости от шахтных стволов (группа № 3):

V = - 0.02 (ухН)- 0.05 <31 +20.0

Полученные зависимости позволяют прогнозировать динамику затопления участков подработанного массива как отдельной шахты, так и группы территориально сопряженных шахт. Область применения полученных зависимостей ограничена объектами, залегающими в интервале глубин от 10 до 500 м, и характеризующихся пологим и наклонным залеганием угольных пластов среднего карбона. Использование данных зависимостей возможно и в других районах с близкими горно-геологическими условиями залегания пластов и физическими свойствами слагающих их пород.

Глава 4. Организация маркшейдерского мониторинга процесса затопления угольной шахты.

Предложенные методологические подходы к прогнозу динамики водоподъема определяют необходимость горно-геометрического моделирования углепо-родного массива с учетом особенностей его техногенной нарушенности, направленного на обоснование прогнозной фильтрационной модели по каждому объекту мониторинга. Выбор места размещения объектов гидромониторинга при затоплении шахты для адекватного и экономически эффективного прогноза предлагается производить с учетом разработанной автором классификации объектов затопления, различающихся по динамике водоподъема.

Объекты мониторинга могут располагаться как на радиальных линиях, проведенных от центральных шахтных стволов на фланги шахтного поля, так и на профильных, закладываемых вкрест простирания пластов. В обеих схемах для мониторинга водоподъема в наиболее погруженной части локальной депрессион-ной воронки вокруг шахты предлагается использовать вертикальные шахтные стволы. Наиболее оптимальное расстояние между профильными линиями - 500 м, на каждой из них организуются по 2-3 объекта наблюдений. При размещении объектов мониторинга необходимо учитывать наличие зон возможного подтопления территорий в местах выхода на поверхность горных выработок и водопрово-дящих трещин, геоморфологию земной поверхности, территориальное расположение соседних шахт. С учетом этих факторов возможно варьирование количества объектов наблюдений по профильным линиям.

Структурное представление затапливаемого массива производится способом многоугольников на гипсометрическом плане разрабатываемого пласта.

а) - б)

Рис.5. Геометризация затапливаемого массива по методу многоугольников

а) шахтное поле с наблюдательными объектами; б) схема преобразования массива в группу прямых многогранных призм

ЕЕЗ1 Е132 (ИЗ3 Гс~]4 ^д-б гш? [о~18 Е®И9Е110

1- граница выхода пласта; 2 - техническая граница шахты; 3 - предполагаемая зона подтопления; 4 - шахтные стволы; 5 - тектонические нарушения; 6 - погашенные горные выработки; 7 -зоны водопроводящих трещин (ЗВТ); 8 - гидронаблюдательные скважины; 9 - позиции групп объектов по классификации автора; 10 - пьезометрический уровень шахтной воды.

Вокруг шахтных стволов, используемых как объект наблюдения, и каждой из гидронаблюдательных скважин выделяется площадь «ближайшего района», на которую распространяются значения абсолютной отметки пьезометрического уровня шахтных вод, скорости водоподъема и горно-геологических параметров. Сложная форма затопляемого массива с разными уровнями интервалов затопления преобразуется в группу сомкнутых прямых многогранных призм с многоугольниками в основании (рис.5).

Оконгуриваются зоны измененной водопроницаемости, участки вблизи стволов и речных систем, зоны вне горных работ. Абсолютная отметка затопления по каждому объекту мониторинга определится регрессионной функцией через фактор времени.

Скорость водоподъема по оконтуренным зонам в подработанном массиве, у стволов, нарушенным участкам, в поймах рек, в зависимости от гидрогеологических параметров и физических свойств пород определится по регрессионным функциям (2-3) и зависимостям (4-6).

Таким образом, общий прогноз водоподъема на шахте будет выполняться с помощью методов структурного представления подработанной толщи с учетом базы горно-геологических параметров, полученных в период разведки и эксплуатации месторождения.

Оценка точности прогноза абсолютной отметки пьезометрической поверхности шахтных вод.

Функция абсолютной отметки пьезометрической поверхности шахтных вод:

где I - период от начала процесса наблюдения.

В качестве аргумента функции принимаем отклонение фактической отметки поверхности шахтных вод от ее прогнозной величины.

Средняя квадратическая ошибка прогноза положения пьезометрической поверхности:

где: Д1= Нфаит,—Н прогн.; Л - среднее значение; П| - частота.

Выполненные расчеты по объектам с достаточно большими сроками наблюдения (год и более), показали, что среднеквадратическая ошибка прогноза составляет 5-7 м при составлении годичного прогноза и 17 м при прогнозе на три года, что соответствует требованиям инженерной точности.

Оценка точности прогноза скорости подъема шахтных вод.

Корреляционно-регрессионный анализ позволил установить зависимость функции скорости подъема шахтных вод от совокупности ранжированных горногеологических параметров, оказывающих влияние на данный процесс. Очевидно, что ошибка расчета функции скорости, вычисленной по аргументам, содержащим некоторые ошибки, зависит от величины ошибок аргументов и от вида функции.

Функция скорости водоподъема выражается в виде:

г^^х.у.г...)

где х, у, 2. ...- независимые аргументы: сопротивляемость пород одноосному сжатию (асж); гидравлическая составляющая массива с учетом мелкоамплитудной нарушенности водопереток по исследуемому интервалу, определяемый че-

рез коэффициент фильтрации пород с учетом его изменения в зоне водопроводя-щих трещин (91).

Точность аргументов характеризуется среднеквадратическими ошибками тх, ту, ш2, определенными при исследовании физико-механических свойств горных пород на горном факультете Украинской инженерно-педагогической академии в 1980-1990 г.г. Проверка тесноты корреляционной взаимосвязи аргументов показала отсутствие функциональной зависимости между ними, что позволяет считать, что скорость водоподъема есть функция независимых аргументов.

Средняя квадратическая ошибка определения прогнозной скорости водоподъема определится по формуле:

а) по массивам вне зон водопроводящих трещин (группа № 1)

V = - 0.08 асж + 0.02 (у*Н) - 0.42 СЬ + 4,64; т„ = 0,37 м/мес

б) по массивам в зонах водопроводящих трещин (группа № 2)

V = - 0.107стсж + 0.11 (у*Н) + 0,01 С>2 - 16.7; шу =1,42 м/мес

в) по массивам в непосредственной близости от шахтных стволов (группа № 3)

У = - 0.02 (у*Н)- 0.05 <2, +20.0; шу= 0,2бм/мес

В среднем по затапливаемому массиву ш = 0.7 м/мес, что можно считать удовлетворительным для горно-технических расчетов.

Таким образом, предложенное геогидрогеологическое обоснование мониторинга процесса затопления шахт, основанное на геометризации горного массива и разработанной классификации объектов, обеспечивает достаточную достоверность прогнозных параметров, что выгодно отличает его от известного метода статически равновесного объема затопляемых горных выработок и водопритокг.

Технология маркшейдерского мониторинга поверхности подземных вод должна входить составной частью в информационную систему геолого-экономической оценки месторождения на стадии его ликвидации. Эта технология может реализоваться на принципах геоинформационного обеспечения в рамках задач горной квалиметрии. ,

Основными принципами данного подхода являются:

1. Сохранение в своей основе сложившейся на предприятии технологии информационного обеспечения ведения геологоразведочных и эксплуатационных работ.

2. Адаптации программного комплекса к геолого-структурным и технологическим особенностям конкретного месторождения.

3. Пространственная (координатная привязка) всех элементов геометрии скважин и горных выработок и данных их поинтервального описания.

4. Ввод первичных исходных данных (геометрии скважин и горных выработок, результаты поинтервального геолого-структурного и минералого-технологи-ческого исследования пород разреза).

5. Автономность подготовки и ввода первичной информации различными функциональными группами горно-геологической службы (буровая, маркшейдерская, геологическая, геофизическая, аналитическая, горная и пр.) с последующей агрегацией исходных данных в единую базу данных.

6. Оценка пространственной изменчивости параметров пьезометрической поверхности подземных вод (абсолютные отметки и скорости водоподъема) для расчета методами геостатистики прогнозных характеристик процесса затопления.

В состав компьютерной технологии маркшейдерского мониторинга должны входить следующие взаимосвязанные программные блоки:

Блок № 1 «Система введения баз данных и подготовки геолого-геофизической, маркшейдерской и горной информации».

Блок № 2 «Многовариантный автоматизированный расчет прогнозных показателей и отображение полей количественных признаков в виде оконтуренных по заданным критериям элементов массива».

Таким образом, компьютерная технология информационного обеспечения маркшейдерского мониторинга должна закладываться на стадии разведки месторождения и обеспечивать в режиме единой информационной цепочки разведочные и добычные работы и последующий контроль процесса затопления шахты.

Экономический эффект предлагаемой методики маркшейдерского мониторинга достигается рациональным планированием размещения объектов гидромониторинга, с сохранением в качестве наблюдательных пунктов шахтных стволов, что позволяет сократить объем буровых работ и снизить-эксплутационные расходы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований получены следующие научные и практические результаты:.

1. При экстренном закрытии нерентабельных шахт отрасли и отсутствии достаточного объема комплексных гидрогеологических исследований необходим мониторинг процесса затопления, учитывающий изменения фильтрационных характеристик подработанного массива по отдельным участкам депрессионной воронки шахты.

На основе анализа особенностей затопления нерентабельных угольных шахт доказано, что в горно-геологических условиях Стахановско-Брянковского. региона процесс затопления носит локальный характер.

2. Установлено, что локальные области водоподъема определяются границами тектонической нарушенности горного массива, масштабами техногенных изменений фильтрационных свойств пород под влиянием горных работ, геоморфологией поверхности. Обоснована классификация объектов затопления, которая учитывает их местоположение, скорость водоподъема и совокупность горногеологических параметров.

3. Разработаны новые методические подходы к качественной и количественной интерпретации горно-геологических данных, обеспечивающие построение горно-геометрических моделей водоподъема в подработанном массиве с учетом предложенной классификации. Обоснована система компьютерной технологии мониторинга процесса затопления с вариантами размещения гидронаблюдательных объектов на полях затапливаемых шахт.

4. В порядке апробации результатов выполненных разработок осуществлено горно-геометрическое моделирование процесса водоподъема по объектам шахт им. Ильича и «Брянковской». Установлена точность определения прогнозных параметров по предлагаемой методике, соответствующая требованиям инженерной точности.

Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при постановке маркшейдерского мониторинга в Ленинской геологоразведочной экспедиции и шахты им. Ильича Управления реструктуризации угольной отрасли.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Черникова С.А. Разработка методики прогноза уровня подземных вод по данным маркшейдерского мониторинга затапливаемых шахт Алмазно-Марьевско-го региона Донбасса. // Науковi пращ Донецького державного техшчного ушвер-ситету. Серiя: прничо-геолопчна. Випуск 45. Донецьк: ДонДТУ, 2002. С.36-40.

2. Черникова С.А., Смешко Н.И. Влияние геологических и горнотехнических факторов на динамику затопления подработанного массива // Науков! пращ Донецького державного техшчного ушверситету. Сер1я: прничо-геолопчна. Ви-пуск 46. Донецьк: ДонДТУ, 2002. С.51-56.

3. Алейников Д.В, Валуконис Г.Ю., Черникова С.А. Прогноз гидрогеологических последствий закрытия угольных шахт Донбасса Стахановско-Брянковско-го региона Донбасса. // Экологические проблемы энергетики и ресурсопользова-ния: Материалы международ, науч. семинара. Луганск: УИПА, 2000. С.66-72.

4. Черникова С.А Предварительные данные по динамике уровней подземных шахтных вод в связи с ликвидацией шахт Алмазно-Марьевского региона Донбасса. // Экологические проблемы энергетики и ресурсопользования: Материалы международ, науч. семинара. Луганск: УИПА, 2000. С.73-75.

5. Черникова С.А., Кудашкин А.А., Кириенко Л.А. Опыт разработки пакета маркшейдерских программ MARK-1 в процессе творческого сотрудничества с предприятиями Стахановского региона // Вщродження Донбасу: Материалы международной научно-практич. конф-ции. Луганск: УИПА, 2001. С.77-81

6. Черникова СЛ.. Исследование дискретных объемов затопляемого подработанного массива с целью создания адекватной математической модели. 7/ Вщродження Донбасу: Материалы международной научно-практич. конф-ции. Луганск: УИПА, 2001. С.71-77.

7. Черникова С.А., Карлова В.В. Совершенствование технологии геодезического мониторинга при затоплении угольных шахт. // Геодезия, картография и аэрофотосъемка. Львов, 2003. С. 10-13.

8. Раек В.Г., Черникова С. А., Кудашкин А.А. Применение математического моделирования для анализа динамики затопления подработанного массива угольной шахты // Экологические проблемы Донбасса и прилегающих регионов: Материалы международной научно-практич. конф-ции. Луганск: Международная Академия биосферных наук. Выпуск 2, 2003. СЛ0-15.

9. Черникова С.А. Прогноз водоподъема в закрывающихся шахтах на основе материалов гидромониторинга восточного Донбасса // Маркшейдерия и недропользование. М., 2003, № 1. С.27-29.

10. Черникова С.А. Метод геометризации породного массива для прогноза водоподъема с оценкой точности параметров // Маркшейдерия и недропользование. М., 2003, № 4. С.51-54.

11. Черникова С.А. Технология маркшейдерского мониторинга затопления угольной шахты на основе геометризации месторождения // Науков1 пращ Донецького державного техтчного ушверситету. Сер1я: прничо-геолопчна Випуск 62. Донецк: ДонДТУ, 2003. С.54-59.

Подписано в печать 1.03.2004. Набор компьютерный. Формат 60 х 90/16 Усл.печ.Л. 1.0. Заказ №84.Тираж100 экз.

Отпечатано в ООО Фирма "САША".

94000. Украина, Луганская обл. г. Стаханов, ул. Кирова, 17, тел. 8-06444-4-03-01

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Черникова, Софья Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Современные представления о гидродинамических процессах, происходящих при затоплении угольных шахт

1.1 .Состояние вопроса.

1.2.0бщие сведения о состоянии изученности сдвижения и деформации пород подработанного массива

1.3. Фильтрационные свойства пород и режим движения подземных вод подработанного массива.

1.4.3ональность reo- и гидрогеологических систем горных массивов в пределах полей закрываемых шахт.

1.5. Прогноз шахтного водопритока.

1.6. Форма и размеры депрессионной воронки

1.7. Коэффициент заполнения выработанного пространства

1.8. Анализ действующих методик определения затопления интервалов массива горных пород.

1.9. Постановка цели и задач исследования.

ГЛАВА 2. Гидродинамические параметры процесса затопления углепородного массива как основа мониторинга.

2.1.Местоположение и гидрогеологические условия шахт исследуемого региона.

2.2.0бъекты маркшейдерского мониторинга.

2.3. Аналитическая оценка маркшейдерских наблюдений водоподъема.

2.4.Анализ динамики уровней шахтной воды по объектам гидромониторинга.

2.5. Районирование объектов мониторинга.

2.6. Алгоритм расчета абсолютной отметки уровня подземной вод.

Выводы.

ГЛАВА 3. Прогноз динамики водоподъема в техногенно-нарушенном массиве.

3.1. Фильтрационные свойства пород, определяющие динамику затопления исследуемого массива.

3.2. Аналитическая оценка замеренного шахтного водопритока как фактора водоподъема.

3.3. Горнотехнические и гидрогеологические параметры зон водопроводящих трещин (ЗВТ).

3.4.Методика исследования динамики процесса затопления по отдельным интервалам массива пород.

3.5. Аналитическая оценка и результаты экспериментального исследования динамики водоподъема.

3.5.1. Оценка динамики водоподъема группы № 1 вне зон измененной проницаемости.

3.5.2. Оценка динамики водоподъема группы № 2 в зонах водопроводящих трещин

3.5.3.Оценка динамики водоподъема группы № 3 вблизи шахтных стволов.

Выводы.

ГЛАВА 4. Организация маркшейдерского мониторинга процесса затопления угольной шахты.

4.1. Инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания

4.2. Компоновочные и конструктивные решения по технологии маркшейдерского мониторинга с геометризацией массива.

4.3. Основные расчетные положения по определению параметров затопления

4.4. Оценка точности прогнозного положения поверхности подземных вод и скорости водоподъема.

4.4.1. Оценка точности скорости водоподъема.

4.4.2. Оценка точности прогноза абсолютной отметки поверхности воды.

4.5. Экономический эффект предлагаемой методики маркшейдерского мониторинга.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геогидродинамическое обоснование мониторинга процесса затопления угольных шахт Донбасса"

Актуальность работы.

Интенсивное освоение угольных ресурсов Стахановско-Брянковского региона восточного Донбасса в 1960-1996 гг. обусловило нарастание объемов шахтного водоотлива до 3 млн. м3 в год. Под влиянием такого мощного техногенного воздействия возникли региональные и локальные воронки депрессии подземных вод и была сформирована квазиравновесная система «подработанный породный массив - шахтная вода».

С середины 90-х годов угольная отрасль Украины проходит этап реструктуризации. В соответствии с программой «Уголь Украины» количество шахт с 2000 по 2010 годы уменьшится с 275 до 159 с одновременным ростом добычи на оставшихся шахтах. В Стахановско-Брянковском регионе ряд нерентабельно работающих шахт поставлен на так называемую «мокрую консервацию» - в результате прекращения работы шахтных водоотливных установок происходит подъем уровня подземных вод и затопление горных выработок и подработанного массива в целом. Стабилизация пьезометрических уровней подземных вод носит долговременный характер и происходит в сложных горно-геологических условиях нарушенного горными работами породного массива. Происходящие при этом гидродинамические процессы в системе «подработанный породный массив -шахтная вода» изучены еще весьма слабо, что затрудняет организацию эффективной системы гидромониторинга за процессами затопления шахт.

Гидрогеологический мониторинг выполняется с целью контроля, оценки и прогноза состояния подземных и гидравлически связанных с ними поверхностных вод для объективного и своевременного информационного обеспечения природоохранных мероприятий в условиях ликвидации нерентабельных шахт. Кроме того, осуществление подобного мониторинга необходимо и для корректировки режимов работы водоотливных установок на шахтах, территориально сопряженных с ликвидированными, что позволяет контролировать возможные перетоки шахтных вод и исключать негативные последствия данных процессов.

Существующие технологии мониторинга водоподъема и прогнозные оценки динамики данных процессов основаны на учете статически заданных объемов притоков воды в шахтные выработки и не вполне отражают влияние на данные процессы горнотехнических и гидрогеологических факторов, характерных для различных частей подработанного массива. Это может привести к существенным ошибкам прогноза характера происходящих в геологической среде гидродинамических процессов.

В связи с этим, для повышения эффективности мониторинга процесса затопления шахт весьма актуальна разработка методик и средств геометризации динамики затопления породного массива, которые позволяют учесть характер техногенной изменчивости данного процесса под влиянием горнотехнических факторов.

Цель работы - геогидродинамическое обоснование мониторинга процесса затопления угольной шахты, позволяющего осуществлять прогноз скорости водоподъема с учетом горнотехнических факторов и характера техногенной изменчивости свойств горного массива.

Задачи исследований:

1. Анализ характера изменения уровня шахтных вод и гидродинамических параметров процесса затопления углепородного массива при ликвидации шахты.

2. Классификация объектов затопления с учетом горнотехнических и гидрогеологических факторов и свойств подработанного горного массива.

3. Создание алгоритмического обеспечения математической модели динамики водоподъема в зависимости от горнотехнических и гидpoгeoлoгичecкиv факторов, позволяющей осуществлять прогноз уровня шахтных вод и скорости водоподъема.

4. Обоснование новой технологической схемы мониторинга процесса затопления угольных шахт, способствующей оптимизации расположения объектов наблюдения.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач осуществлено обобщение и сравнительный анализ значительного объема результатов исследований гидродинамики закрывающихся шахт. При обработке данных использовались методы математической статистики, математического моделирования, структурной геометризации углепородного массива.

Научная новизна работы

Доказано, что изменения пьезометрической поверхности шахтных вод носят, как правило, дискретный характер с разновекторными гидравлическими градиентами, что необходимо учитывать при организации мониторинга процесса затопления шахт.

Разработана классификация объектов затопления по горно-геологическим условиям их местонахождения.

Показано, что повышение эффективности мониторинга процесса затопления возможно только на основе геометризации затапливаемого углепородного массива с учетом его техногенной нарушенности.

Построены математические модели процесса затопления шахты, в основу алгоритмов которых положены разработанные принципы классификации данных объектов и выявленные закономерности динамики водоподъема.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Методология мониторинга процесса затопления шахт, основанная на геометризации зон углепородного массива по скорости водоподъема V, используемой в качестве интегрального показателя характера происходящих гидродинамических процессов.

2. Пространственно-временная модель пьезометрической поверхности шахтных вод, отражающая функциональную зависимость скорости водоподъема от совокупности горно-геологических показателей участка затопления и фильтрационных свойств пород в зонах водопроводящих трещин.

3. Методические подходы к проектированию системы мониторинга процесса затопления шахты и созданию геоинформационной системы ликвидации горного предприятия, позволяющие осуществлять прогнозные оценки водоподъема и его экологических последствий.

Практическая значимость работы

Разработанные методические принципы создания мониторинга процесса затопления шахты позволяют за счет выбора рациональной схемы расположения объектов наблюдений оптимизировать его структуру и повысить эффективность ею функционирования.

Предложенный метод прогноза параметров водоподъема по локальным участкам затопления позволяет принимать управленческие решения по его регулированию.

Разработаны рекомендации по созданию системы информационного обеспечения маркшейдерского мониторинга затопления шахт на всех этапах существования горного предприятия.

Полученные методические и технологические разработки внедряются на шахте им. Ильича Луганской областной дирекции Управления реструктуризации угольной отрасли.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается результатами большого объема данных наблюдений по 34 объектам гидромониторинга, их соответствия фундаментальным положениям горной геомеханики и гидрогеологии, корректностью используемой для прогноза динамики затопления математической модели. Оценка достоверности прогнозных оценок, проведенная на материалах маркшейдерского мониторинга в условиях шахт Стахановско-Брянковского региона Донбасса, показала высокую сходимость расчетных и фактических параметров (ошибка не превышает 23%).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях Украинской инженерно-педагогической Академии в 1998-2001 г.г., Международном научном семинаре «Экологические проблемы энергетики и ресурсопользования» (Луганск, 2000), Международной научно-практической конференции «Вщродження Донбасу" (Луганск, 2001), научных семинарах кафедры маркшейдерского дела Донецкого национального технического университета и кафедры геодезии Национального университета «Льв1вська полггехнжа" в 2001-2002 г.г.

Полученные научные положения, методические и технологические разработки положительно оценены на техническом семинаре с участием специалистов Ленинской геологоразведочной экспедиции (г.Брянка) в 2003 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 11 работах, в том числе 4 - в специализированных изданиях, 7 - в материалах конференций различного уровня.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, и изложена на 125 страницах, включая 31 рисунок, 33 таблицы, список использованных литературных источников из 89 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Черникова, Софья Александровна

Выводы:

Таким образом, средняя квадратическая ошибка определения скорости изменения поверхности подземных вод при затоплении шахты составляет в среднем 0.7 м/мес; прогнозного положения поверхности подземных вод при затоплении шахты 5-7 м. при составлении годичного прогноза и 17 м. при прогнозе на три года, что соответствует требованиям инженерной точности.

Для повышения точности прогнозной оценки как уровенной поверхности шахтной воды, так и скорости водоподъема необходимо совершенствовать методику определения независимых аргументов, в качестве которых выделены сопротивляемость пород на одноосное сжатие, гидравлическая составляющая массива, водоприток по интервалу, который определяется через коэффициент фильтрации горных пород.

4.5 Экономический эффект предлагаемой методики маркшейдерского мониторинга

Годовой экономический эффект может быть получен за счет уменьшения объема работ по бурению скважин по сравнению с фактически принятым.

Уменьшение объема работ достигается путем рационального планирования размещения объектов наблюдения в соответствии с разработанной классификацией объектов затопления и использованием шахтных стволов в качестве объектов наблюдений.

Принято размещение скважин по профильным линиям вкрест простирания угольных пластов. Глубина скважин составит 50-400 м. в зависимости от характеристики подработанного массива, наличия старых горных работ, зон тектонической и техногенной нарушенности и других факторов.

Технико-экономическая эффективность принятых по ее рекомендациям решений составила ориентировочно 110 тыс.грн. (25 тыс. у.е.) по исследуемой группе шахт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований получены следующие научные и практические результаты:

1. При экстренном закрытии нерентабельных шахт отрасли и отсутствии достаточного объема комплексных гидрогеологических исследований необходим мониторинг процесса затопления, учитывающий изменения фильтрационных характеристик подработанного массива по отдельным участкам депрессионной воронки шахты.

На основе анализа особенностей затопления нерентабельных угольных шахт доказано, что в горно-геологических условиях Стахановско-Брянковского региона процесс затопления носит локальный характер.

2. Установлено, что локальные области водоподъема определяются границами тектонической нарушенности горного массива, масштабами техногенных изменений фильтрационных свойств пород под влиянием горных работ, геоморфологией поверхности. Обоснована классификация объектов затопления, которая учитывает их местоположение, скорость водоподъема и совокупность горно-геологических параметров.

3. Разработаны новые методические подходы к качественной и количественной интерпретации горно-геологических данных, обеспечивающие построение горногеометрических моделей водоподъема в подработанном массиве с учетом предложенной классификации. Обоснована система компьютерной технологии мониторинга процесса затопления с вариантами размещения гидронаблюдательных объектов на полях затапливаемых шахт.

4. В порядке апробации результатов выполненных разработок осуществлено горно-геометрическое моделирование процесса водоподъема по объектам шахт им. Ильича и «Брянковской». Установлена точность определения прогнозных параметров по предлагаемой методике, соответствующая требованиям инженерной точности.

Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при постановке маркшейдерского мониторинга в Ленинской геологоразведочной экспедиции и шахты им. Ильича Управления реструктуризации угольной отрасли.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Черникова, Софья Александровна, Харьков

1.Гидрогеология СССР. Том 6, Затопление и откачка шахт Донбасса. Под редакцией Д.И. Щеголева. -М.: Недра, 1971.

2. Соляков И.П., Бессмертная Е.И., Калыгин П.В. Затопление и откачка шахт Донбассса.-Артемовск: Артемгеология,1957.

3. Сыроватко М.В. Гидрогеология и инженерная геология при освоении угольных месторождений.- М.:Госгортехиздат,1960.

4. Беседа И.И. и др. Региональные техногенные изменения геологической среды Донбасса под влиянием горных работ. -М:Геопрогноз, 1997.

5. Гидрогеологическое заключение по оценке влияния затопления шахты <Замковская> на подтопление поверхности земли. -Донецк: ПО <Укруглегеология>, 1998.-82с.

6. Заключение о результатах исследовательских работ по изучению геолого-экологических последствий ликвидации шахты <Замковская>. -Донецк:ПО <Укруглегеология> ,Ленинская геологоразведочная экспедиция , 1998.-52с.

7. Рекомендации по предотвращению подтопления г. Брянки шахтными водами Брянковской группы шахт.П.О.<Укруглегеология >.- Донецк: Ленинская ГРЭ, 1998.-36с.

8. Бочевер Ф.М., Орадовская А.Е. К методике экспериментального определения параметров фильтрации в трещиноватых породах. -« Труды Коорд.совещ. по гидротехнике», 1970.вып.48. -С.71-84.

9. Ю.Яковлев Е.А., Сляднев В.А., Юркова H.A. Шахтные воды эколого-гидрогеологический фактор горнопромышленных регионов. //Уголь Украины.-1995.-№ 10.-С. 18-20.

10. Казаковский Д.А., Белоликов А.Н., Кротов Г.А.,Лавров В.Н., Пятлин М.П.,

11. Н.И.Стенин. Маркшейдерское дело, часть 2. -М.:Недра, 1970. -560с.

12. Керкис Е.Е. Методы изучения фильтрационных свойств горных пород.-Ленинград:Недра,1975.- 230с.

13. Мохов A.B. Прогнозная оценка гидрогеологических условий и управление водопритоком при подработке затопленных выработок.//Уголь. -1987.- № 3.-С.4648.

14. М.Гвирцман Б.Я., Гусев В.Н. Прогнозирование высоты зоны водопроводящих трещин.// Уголь ,-1987.№ 6.-С.56-57.

15. Хохлов И.В. Безопасная разработка месторождений полезных ископаемых под водоемами. -М.:Недра, 1971.-263с.

16. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях.-С.- П.: ВНИМИ, 1998.-290с.

17. Валуконис Г.Ю., Ходоков А.Е. Роль подземных вод в формировании месторождений полезных ископаемых.-Л.:Недра,1978.-185с.

18. Чернышев С.Н. Движение воды по сетям трещин.- М.: Недра, 1979.-141с.

19. Инструкция по изучению и прогнозированию горно-геологических условий угольных месторождений при геологоразведочных работах. -Ростов-на-Дону, 1985.-155с.

20. Плотников Н.И., Краевский С. Гидрогеологические аспекты охраны окружающей среды.- М.:Недра, 1981.-208с.

21. Методические указания по натурному определению высоты зоны воде трещин в конкретных горно-геологических условиях. -Л.:ВНИМИ., 1973. -32с.

22. Мохов A.B. Прогнозная оценка гидрогеологических условий и управление водопритоком при подработке затопленных выработок.//Уголь. -1987.- №3.-С.46,49.

23. Скворцов А.Г. Прогнозирование условий поступления подземных вод в очистные забои.// Уголь.-1987.№ 2.-С.53-56.24.0вчинников A.M. Общая гидрогеология. -М.: Госгеолтехиздат, 1955. 380с.

24. Кузьмин В.П. Геометризация и подсчет запасов месторождений твердых полезных ископаемых. -М.:Недра,1967. -243с.

25. Скабапланович И.А., Седенко М.В. Гидрогеология, инженерная геология и осушение месторождений. -М.: Недра, 1973 .-195с.

26. Максимов В.М., Кирюхин В.А.,Боревский Б.В. и др. Справочное руководство гидрогеолога.З-е изд., -Л.:Недра,1979.-295с.

27. Кацнельсон H.H., Никольская Н.М. Новый подход к определению возможности выемки угля под водотоками и водоемами. Сб. тр. ВНИМИ, вып. 36. ВНИМИ, 1959.

28. Рац М.В. Неоднородность горных пород и их физических свойств. -М.гНаука, 1968.-106с.

29. Цырульников A.C., Фаст Ф.Б., Горбенко B.C. Проницаемость пород на больших глубинах. Физические процессы горного производства. Межвузовский сборник, вып. 1,1975.-С.27-30.

30. ЗКУсаенко В.М. Свойства пород и устойчивость горных выработок. -К.: Наукова Думка, 1979.- С 26-77.

31. Хохлов И.В. Опыт определения фильтрационных свойств подработанного массива пород: Обзор. ЦНИЭИ уголь,-М.,1987.-47с.

32. Хохлов И.В. Сдвижение и проницаемость подработанной толщи горных пород. М.: Недра, 1980.

33. Сведения о фильтрационных свойствах водоносных горизонтов каменноугольных отложений Донбасса по данным откачек, пластоиспытаний в разведочных и контрольно — разведочных скважинах.-Донецк: П.О.Укруглегеология, 1988.

34. Сведения о фильтрационных и коллекторских свойствах водоносных пород Донбасса и притоках воды из них. -Донецк: П.О.<Укруглегеология>, 1984.

35. Сведения о фактических притоках воды из водоносных горизонтов п горные выработки щахт.-Донецк: П.О.<Укруглегеология>, 1976.

36. Мохов A.B. Определение условий подработки затопленных выработок.//Угол-1983.-№11.-С.58-60.

37. Белицкий A.C., Дубровский A.B. Проектирование разведочно-экспл? скважин для водоснабжения. -М.:Недра.-1974 .

38. Бочевер Ф.М. Теория и практические методы гидрогеологических расчетов. -М.: Недра.-1968 .-328с.

39. Вевиоровская М.А., Кравченко И.П., Румянцев С.А. Методы аналогий применительно к фильтрационным расчетам. -М.: Недра.-1962.

40. Веригин H.H. Гидродинамические и физико-химические свойства горных пород.--М. :Недра,-1977.

41. Владимиров A.M. Гидрогеологические расчеты.-Л.,1990.

42. Гавич И.К., Семенова С.М., Швец В.М. Методы обработки гидрогеологической информации с вариантами задач. -М.:Высшая школа, 1981.

43. Климентов П.П.Кононов В.М. Динамика подземных вод.-М.:Высшая школа, 1985.

44. Коноплянцев В.А. Прогноз режима грунтовых вод методом регрессии. //Развитие и охрана недр.-1965г.-№ 6 ,-С.46-51.

45. Ефимов A.M., Монев М.Д., Солмин В.А. Мониторинг гидрогеологических процессов в углеродном массиве ликвидируемых шахт. // Маркшейдерия и недропользование. 2001.-№ 1. -С.37-38.

46. Мироненко В.А. Гидрогеологические исследования в горном деле. -М.: Недра, 1976.-352с48.3арубинский ДИ., Аземко Ю.Г. и др.Прогнозирование притоков воды п горные выработки шахт Донбасса ( методические рекомендации).-Ростов на Дону.Мингео СССР,1975. -25с.

47. Саваренский Ф.П. Гидрогеология. Учебное пособие для вузов.-М-Л.: ОНТИ,1939.-с.335.

48. Кузьмин В.П. Геометризация и подсчет запасов месторождений твердых полезных ископаемых. -М.: Недра, 1967. -243 с.

49. Беседа И.И. и др. Региональные техногенные изменения геологической среды Донбасса под влиянием горных работ.- Геопрогноз, 1997.

50. Ермаков В.Н. ,Улицкий О.А.,Спожакин А.И. Изменениегидродинамического режима шахт при затоплении.// Уголь Украины.- 1998. -№ 6.-С 11-16.

51. Носков И.Г.Докукин О.С. Никоненко H.A. Концептуальные основы экологической безопасности в регионах закрытых шахт.// Уголь Украины.- 1999 . -№ 2.-С.

52. Ермаков В.Н. , Семенов А.П.,Улицкий О.А, Котелевец Е.П., Тарахкало A.B. Развитие процессов подтопления земной поверхности под влиянием закрывающихся шахт. //Уголь Украины.- 2001.- № 6.-С. 12-13.

53. Ермаков В.Н., Петренко С .Я. Об изменении концепций принятия проектных решений в целях снижения расходов на ликвидацию шахт.// Уголь Украины. -1998. -№ 6.-С.

54. Дерягин A.A., Демкина Г.В., Иванова Н.М., Тимохин A.B., Душеин Г.В. К вопросу создания единой компьютерной технологии геолого-экономической оценки месторождений твердых полезных ископаемых.// Маркшейдерия и недропользование.-2002.-№ 1 .-С.38-42

55. Черный Г.И. Защита городов от подтопления при закрытии шахт, инструктивный материал ЛОД УДКР, 1999. 5с.

56. Троянский C.B., Белицкий A.C., Чекин А.И. Общая и горнорудничная гидрогеология.- М., 1960.

57. Чигриков И.П. Совершенствование методики прогноза притоков воды ч шахты северо восточной части Донбасса на основе исследования их режима. Автореферат диссертации к.т.н. -Харьков, 1971 .-18с .

58. Маркшейдерсью робота на вугшьних шахтах та розр1зах. Инструкщя Мшпаливенерго Украши.-Кшв, 2001.- 89 с.

59. Гавич И.К. Теория и практика применения моделирования в гидрогеологии, М.:Недра,1980, -358 с.

60. В.С.Гмурман Теория вероятностей и математическая статистика.-М.:Высшаяшкола, 1972.

61. Горная энциклопедия, т.З. -Москва, Советская Энциклопедия, 1987. С. 391

62. Комаров И.С. Накопление и обработка информации при инженерно-геологических исследованиях.-М., 1972.

63. Налимов В.В. Теория эксперимента. -М.,Недра, 1971, -207с.бб.Рыжов П А Математическая статистика в горном деле.Учеб.пособие для вызов -М.:Высш.школа,1973.-287 с.

64. Сборник ВСЕГИНГЕО,вып.6.Применение математических методов при гидрогеологических исследованиях.-М., 1968. С.38-42.

65. Гавич И.К. Теория и практика применения моделирования в гидрогеологии, М.:Недра,1980, -358с.

66. Комаров И.С. Накопление и обработка информации при инженерно-геологических исследованиях.-М.гНедра, 1979.

67. Большаков В.Д. Теория ошибок наблюдений. -М.: Недра, 1965.-183с.

68. Кацнельсон В.И., Гвирцман Б.Я., Гусев В.В. Подработка затопленных выработок в Донецком бассейне. труды ВНИМИ. Вып.52, 1964, С. 111 -126

69. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи ВНИМИ Минуглепрома, ВНИИОМШСМинуглепрома СССР.- М,1983, -273 с

70. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород под ред Н.В.Мельникова.- М.:Недра, 1975.- 277с.

71. Отчет « Исследования физико — механических свойств горных пород Донбасса для глубоких горизонтов Алмазно Марьевского региона». — Коммунарск: КГМИ, Стахановский филиал, 1990. - 52с.

72. Геологический отчет о детальной разведке участка Мироновского Глубокого в комплексе с полями шахт им. Ильича и им. И.В.Чеснокова бывшего комбината Кадиевуголь в Донбассе», 1975 .

73. Геологический отчет о доразведке полей шахт № 6-6 Брянка и № 12 им.Дзержинского комбината Кадиевуголь .-Донецк, 1971 .

74. Геологический отчет о доразведке и переоценке запасов каменного угля на поле шахты Брянковская (совместно с резервными полями) производственногообъединения по добыче угля Стахановуголь.-Донецк,1982.

75. Геологический отчет о доразведке и переоценке запасов каменных углей на полях шахт "Анненская», "Замковская" и участке Анненском Вертикальном ПО «Стахановуголь».- Донецк, 1985.

76. Сведения о фильтрационных свойствах водоносных горизонтов каменноугольных отложений Донбасса по данным откачек, пластоиспытаний в разведочных и контрольно разведочных скважинах. -Донецк, ПО <Укруглегеология>, 1988.

77. Vyhlaska Ceskecho urado е. 52/1997//Sbirka zakonu.

78. The Treatment of Disused Mine Shafts and Adits. Mining Departament. -London.National Coal Board, 1998.-88p.

79. Genthe M., Hulsmann K.,Scone Warnfeld G. Verfullung von Schachten mit standsicherem, dichtem Fullgut. Mitteilungen der Westfal seen Berggewerkshaftskasse, Heft 31.

80. Черникова С.А. Предварительные данные по динамике уровней подземных шахтных вод в связи с ликвидацией шахт Алмазно-Марьевского региона

81. Донбасса.// Сб. науч.тр. УИПА по матер, межд. науч. семинара « Экологические проблемы энергетики и ресурсопользования», 2000 г. г. Луганск. С.73-75.

82. Черникова С.А. Исследование дискретных объемов затопляемого подработанного массива с целью создания адекватной математической модели. // Сб. науч.тр. УИПА по матер.межд.научно-практич. конф. « Вщродження Донбасу, Луганск, 2001г.С.71-77.

83. Черникова С.А., Карлова В.В. Совершенствование технологии геодезического мониторинга при затоплении угольных шахт. // Геодезия, картография и аэрофотосъемка, Львов, 2003. С. 10-13.

84. Черникова С.А. Прогноз водоподъема в закрывающихся шахтах на основе материалов гидромониторинга восточного Донбасса // Маркшейдерия и недропользование, г. Москва, 2003 г. -№1. С.27-29.

85. Черникова С.А. Метод геометризации породного массива для прогноза водоподъема с оценкой точности параметров. // Маркшейдерия ч недропользование, г. Москва, 2003 г.-№4. С.51-54.

86. Черникова С.А. Технология маркшейдерского мониторинга затопления угольной шахты на основе геометризации месторождения. // Сб. Науков1 пращ Донецького державного техшчного ушверситету. Сер1я: прничо-геолопчна Випуск 51 , Донецьк, ДонДТУ, 2003. С.