Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Гидрогеологическое обеспечение мероприятий по предотвращению негативных последствий затопления угольных шахт

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

Автореферат диссертации по теме "Гидрогеологическое обеспечение мероприятий по предотвращению негативных последствий затопления угольных шахт"

9 15-5/526

На правах рукописи

САВЕЛЬЕВ ДЕНИС ИГОРЕВИЧ

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ НЕГАТИВНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ ЗАТОПЛЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Норватов Юлий Александрович

Официальные оппоненты:

И офис Моисей Абрамович доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем комплексного освоения недр РАН, главный научный сотрудник

Наумов Антон Сергеевич кандидат технических наук, ООО «СТИС», заместитель главного маркшейдера

Ведущая организация - ФГЛОУВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Защита диссертации состоится 01 октября 2015 г. в 12 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.08 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. №1163.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте vvww.spmi.ru.

Автореферат разослан 03 июля 2015 г. УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ г- СКАЧКОВА

диссертационного совета —-у Мария Евгеньевна

ОБЩАЯ ХАРАКЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В соответствии с Государственной программой реорганизации угольной промышленности в 1995 - 2010 годах в Российской Федерации было ликвидировано более 200 нерентабельных шахт. Ликвидация шахт выполнялась способом их затопления, при реализации которого изменялся сформированный в период эксплуатации шахты гидродинамический и гидрохимический режим подземных вод и зачастую создавалась угроза нарушения безопасности эксплуатации соседних шахт, пограничных с затапливаемой. Для управления техногенным режимом подземных вод с целью предотвращения негативных последствий ликвидации угольных шахт выполнялись инженерные мероприятия, которые были направлены либо на ограничение затопления горных выработок до определенных отметок с использованием погружных насосов, либо на управление уровенным режимом приповерхностных водоносных горизонтов с применением водопонижающих скважин или систем горизонтального дренажа.

В настоящее время на многих ликвидированных шахтах в Кузбассе, в Партизанском бассейне, в Восточном Донбассе продолжается эксплуатация погружных насосов, размещенных в шахтных стволах и в водопонижающих скважинах. Существенные экономические затраты при эксплуатации этих систем можно считать негативными последствиями ликвидации шахт. Сокращение затрат за счет оптимизации эксплуатируемых систем водоотлива или водопонижения на полях ликвидированных шахт является актуальной технико-экономической проблемой. Однако решение этой проблемы неизбежно связано с совершенствованием научно-методических основ гидрогеологического обеспечения выполняемых инженерных мероприятий, включающего обоснование возможности их оптимизации.

Гидрогеологическое обоснование инженерных мероприятий, обеспечивающих производственную и экологическую безопасность ликвидации шахт, базируется на научно-методических принципах,

принятых при изучении геофильтрационных и геомеханических процессов, развивающихся при эксплуатации и затоплении шахт.

Разработке этих принципов и технических решений посвящены исследования и опубликованные работы Шестакова В.М., Мироненко В.А., Ломтадзе В.Д., Иофиса М.А., Грязнова О.Н., Норватова Ю.А., Петровой И.Б., Людвига В.М., Новицкой (Норватовой) О.И., Ягунова A.C., Елохиной С.Н., Ефимова A.M., Кутяйкиной М.Н., Черниковой С.А., Ягуновой O.A., других ученых и инженеров.

В результате выполненных ранее исследований изучены общие закономерности изменений гидродинамического режима подземных вод при затоплении ликвидированных шахт, предложены аналитические решения и методики численного моделирования для анализа и прогноза процессов затопления горных выработок, разработаны принципы гидрогеологического мониторинга.

Вместе с тем, ряд научно-технических задач требует дополнительного рассмотрения и решения с учетом результатов ранее выполненных исследований. В частности, опасная гидравлическая связь ликвидируемой и действующей шахт нередко проявляется на участках совместной выемки свит угольных пластов и при этом предопределяет необходимость организации водоотлива из затапливаемой шахты для ограничения уровней шахтных вод. В настоящее время условия формирования техногенной трещиноватости породных массивов при выемке свит угольных пластов изучены недостаточно несмотря на то, что эта характеристика определяет закономерности геофильтрационных процессов, развивающихся в пределах природно-техногенных гидрогеологических структур при затоплении шахт. Сложность процесса трещинообразования предопределяет целесообразность дополнительного изучения емкостных характеристик техногенных комплексов по результатам натурных наблюдений.

Цель диссертационной работы.

Повышение эффективности инженерных мероприятий по обеспечению безопасности горных работ на шахтах, пограничных с затопленными ликвидированными шахтами, на основе

совершенствования методики анализа и прогноза геофильтрационных процессов в природно-техногенных структурах, сформированных при выемке свит угольных пластов.

Основная идея работы.

Вследствие особой сложности и недостаточной изученности условий формирования природно-техногенных гидрогеологических структур при выемке свит угольных пластов оптимизацию мероприятий по предотвращению негативных последствий ликвидации шахт следует выполнять с учетом результатов интерпретации наблюдений за гидродинамическими процессами на начальных этапах затопления горных выработок.

Задачи исследований:

1. Анализ основных закономерностей гидродинамических процессов, развивающихся при затоплении шахт.

2. Оценка условий формирования природно-техногенных гидрогеологических структур при выемке свит угольных пластов.

3. Совершенствование методики определения фильтрационных параметров и условий питания приповерхностного водоносного горизонта (как основного элемента природно-техногенной гидрогеологической структуры) на стадии разведки и эксплуатации каменноугольных месторождений.

4. Совершенствование методики численного моделирования геофильтрационных процессов для оценки последствий затопления группы шахт.

5. Анализ условий затопления шахт на Интинском каменноугольном месторождении, оценка емкостных характеристик техногенного комплекса, сформированного при выемке свит угольных пластов.

6. Разработка рекомендаций по оптимизации системы водоотлива из затопленных шахт на Интинском месторождении.

Методы исследований.

В работе использованы комплексные методы исследований, включающие: анализ ранее выполненных работ по теме диссертации, анализ с применением компьютерных технологий результатов ранее проведенных опытно-фильтрационных работ,

обобщение результатов натурных наблюдений за гидродинамическими и геомеханическими процессами, численные эксперименты с использованием геофильтрационных моделей природно-техногенных структур.

Научная новизна работы.

Разработаны научно-методические принципы

идентификации природно-техногенных гидрогеологических структур, формируемых при выемке угольных пластов. Выявлены закономерности формирования трещиноватости породных массивов при выемке свиты угольных пластов. Установлены емкостные характеристики техногенных комплексов, сформированных при выемке свит угольных пластов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Определение направленности и обоснование эффективности мероприятий по предотвращению негативных последствий затопления шахт при подготовке проектов их ликвидации следует базировать на результатах прогноза изменений гидродинамического режима подземных вод, сформированного в период эксплуатации шахты; надежность прогнозных оценок должна быть обеспечена за счет совместного анализа геомеханических и геофильтрационных процессов, развивающихся при ведении очистных горных работ.

2. При групповом расположении действующих и ликвидированных шахт закономерности формирования притоков подземных вод в шахты определяются фильтрационными параметрами, условиями питания приповерхностного водоносного горизонта и характером его гидравлической связи с техногенным комплексом.

3. Суммарный объем пустотности техногенных комплексов, образованных при выемке свиты угольных пластов, пропорционален отношению объема всех вынутых пластов к объему техногенных комплексов, что подтверждается результатами интерпретации наблюдений за фактическими процессами затопления шахт.

Личный вклад автора:

- участие в полевых гидрогеологических работах на шахтах Кузбасса;

- создание численных геофильтрационных моделей полей шахт «Котинская», «Таллинская» и шахт в районе Интинского месторождения;

- разработка рекомендаций по методике определения фильтрационных параметров неоднородных в разрезе угленосных толщ;

- выполнение численных экспериментов при моделировании геофильтрационных процессов, развивающихся при затоплении группы шахт;

- анализ и обобщение результатов наблюдений за процессами затопления шахт на Интинском месторождении;

- обоснование рекомендаций по оптимизации системы водоотлива на шахтах Интинского месторождения.

Обоснованность и достоверность результатов исследований определяются представительным объемом натурных наблюдений за процессами затопления шахт, применением современных методов численного моделирования

геофильтрационных процессов, согласованностью теоретических исследований с результатами натурных наблюдений за развитием гидродинамических и геомеханических процессов при эксплуатации и ликвидации шахт.

Практическое значение работы.

1. Разработаны типовые геофильтрационные модели для прогноза условий эксплуатации действующих шахт вблизи затапливаемых.

1. Создана численная геофильтрационная модель района Интинского месторождения.

2. Установлены емкостные характеристики техногенных комплексов, сформированных при разработке свит угольных пластов на шахтах Интинского месторождения.

3. Разработаны практические рекомендации по оптимизации системы водоотлива из шахт на Интинском месторождении.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований использовались ЗАО «Шахтпроект» при корректировке проектов ликвидации шахт на Интинском месторождении. Прогнозные оценки притоков подземных вод в шахту «Котинская» учтены при планировании разработке свиты угольных пластов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно-технических советах Научного центра геомеханики и проблем горного производства Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (Санкт-Петербург, 2011-2013 г.), на 9-ой Общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации», на технических совещаниях компании ОАО СУЭК-Кузбасс (20102012 г).

Публикации. Основные результаты исследований представлены в 5 опубликованных работах, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства науки и образования России.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения общим объемом 223 страницы машинописного текста, содержит 72 рисунка и 43 таблицы, а также списка литературы из 77 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых научных положений:

1. Определение направленности и обоснование эффективности мероприятий по предотвращению негативных последствий затопления шахт при подготовке проектов их ликвидации следует базировать на результатах прогноза изменений гидродинамического режима подземных вод, сформированного в период эксплуатации шахты; надежность прогнозных оценок должна быть обеспечена за счет совместного анализа геомеханических и геофильтрационных процессов, развивающихся при ведении очистных горных работ.

Структурные преобразования водонасыщенных породных массивов при ведении горных работ и соответствующие изменения режима подземных вод, как в период эксплуатации угольных шахт, так и при их затоплении, целесообразно рассматривать как непрерывный процесс техногенеза геологической и гидрогеологической среды. На стадии проектирования инженерных мероприятий, сопровождающих ликвидацию шахт, прогнозные оценки продолжительности затопления горных выработок, определение притоков подземных вод в затапливаемую шахту и в соседние действующие шахты, оценки изменений уровенного режима водоносных горизонтов необходимо выполнять с учетом особенностей природно-техногенных гидрогеологических структур, сформированных при ведении очистных горных работ на ликвидируемой шахте. В соответствии с ранее выполненными исследованиями, природно-техногеные гидрогеологические структуры на каменноугольных месторождениях представлены двумя основными элементами: приповерхностным водоносным горизонтом (комплексом) и техногенным комплексом - породным массивом повышенной трещиноватости, образованной при выемке угольных пластов. В зависимости от вынимаемой мощности угольного пласта и глубины его залегания относительно подошвы водоносного горизонта техногенный комплекс может быть либо гидравлически активно связан с этим горизонтом, либо отделен от него пачкой слабопроницаемых отложений. В последнем случае природно-техногенная гидрогеологическая структура включает третий элемент, представленный пачкой слабопроницаемых отложений, отделяющей техногенный комплекс от приповерхностного водоносного горизонта.

В соответствии с принципом непрерывности техногенеза, схема природно-техногенной гидрогеологической структуры должна быть конкретизирована за счет совместного анализа геомеханических и геофильтрационных процессов, которые развивались в период эксплуатации шахты.

Оценка положения внешних границ техногенных комплексов, сформированных при выемке одиночных пластов,

может быть выполнена априори с учетом результатов ранее выполненных фундаментальных исследований процессов сдвижения породных массивов на угольных месторождениях. В частности, положение верхней границы техногенного комплекса соответствует высоте зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством, которая определяется в зависимости от литологического состава подработанного массива и мощности разрабатываемого пласта. Однако условия формирования техногенных комплексов при выемке свиты угольных пластов изучены в меньшей мере. В частности, по результатам наблюдений и ограниченных экспериментов установлено, что положение верхней границы техногенных комплексов незначительно изменяется при выемке в нисходящем порядке 2-3 угольных пластов в свите. Согласно рекомендациям A.C. Ягунова, изменение положения верхней границы техногенных комплексов при разработке нескольких пластов свиты в нисходящем порядке предопределяет необходимость увеличения безопасной глубины очистных работ на 20% при выемке второго и последующих пластов. Следует признать, что эмпирические оценки развития геомеханических процессов при выемке свиты угольных пластов на отдельных объектах не позволяют установить общие закономерности этих процессов.

Условия формирования притоков подземных вод в горные выработки определяются характером природно-техногенной гидрогеологической структуры, геометрические параметры которой могут и должны быть уточнены параллельно с определением фильтрационных характеристик приповерхностного водоносного горизонта и оценкой его гидравлической связи с техногенным комплексом. Такие исследования целесообразно проводить на численных геофильтрационных моделях с использованием результатов наблюдений за притоками подземных вод в горные выработки при развитии очистных горных работ на разных глубинах в пределах шахтных полей.

В диссертационной работе рассмотрены результаты определения параметров природно-техногенных

гидрогеологических структур на численных геофильтрационных моделях при анализе условий эксплуатации шахты «Котинская» (Кузбасс) и группы ликвидированных шахт на Интинском месторождении. Структура геофильтрационных моделей шахтных полей представлена на рисунках 1 и 2.

Продолжительность и скорость затопления шахт определяется емкостными характеристиками техногенных комплексов - пустотностью (трещиноватостью) и упругоемкостью, оценить которые можно лишь ориентировочно по результатам исследований геомеханических процессов в рамках простейших схем. Пустотность (Уп) массива, подработанного при выемке одиночного пласта, т.е. суммарный объем техногенных трещин, можно оценить по зависимости:

^п = (1-^)-ш^/со5а, (1)

где п - оседание земной поверхности после выемки пласта мощностью ш при угле его падения а на площади Р (по плану горных работ). Значения относительных оседаний (д0 =

определены статистически для основных угольных бассейнов, изменяясь в пределах от 0,7 до 0,85. Выражение (1-ц/т) определяет пропорциональность между объемом извлеченного угля (Уу) и суммарным объемом пустот (трещин) в техногенном комплексе (Уп), что соответствует коэффициенту пустотности техногенного комплекса (Кп), который по определению может быть записан в виде:

Кп= Уп/ Vy (2).

Удельная трещиноватость (объем трещин в единичном объеме техногенного комплекса) оценивается по формуле:

м = Уп/У-х (3)

где Ут - объем техногенного комплекса, который при выемке одного пласта определяется высотой зоны водопроводящих (техногенных) трещин над выработанным пространством.

Определение суммарной и удельной пустотности при известном значении относительного оседания позволяет оценить лишь техногенную трещиноватость подработанного природного массива без учета естественной (фоновой) трещиноватости.

Оседания земной поверхности при выемке свиты пластов определялись на отдельных месторождениях и статистически обобщены для случая выемки двух пластов (повторная подработка массива).

Скорость затопления шахт зависит не только от трещиноватости техногенного комплекса, но и от проявления упругоемкости пород при повышении напоров шахтных вод в затопленных частях комплекса.

Таким образом, при подготовке проекта ликвидации шахты емкостные характеристики техногенных комплексов могут быть определены только ориентировочно по результатам анализа общих закономерностей геомеханических процессов, развивающихся при ведении очистных работ. При реализации и оптимизации намеченных проектом инженерных мероприятий необходимо уточнение емкостных характеристик техногенных комплексов при анализе результатов наблюдений за повышением уровней шахтных вод в горных выработках на начальной стадии затопления конкретной шахты.

2. При групповом расположении действующих и ликвидированных шахт закономерности формирования притоков подземных вод в шахты определяются фильтрационными параметрами, условиями питания приповерхностного водоносного горизонта и характером его гидравлической связи с техногенным комплексом.

Основной водоносный горизонт, который на каменноугольных месторождениях приурочен к приповерхностной зоне повышенной трещиноватости метаморфизованных угленосных отложений, является общим связующим звеном между природно-техногенными гидрогеологическими структурами,

сформированными на полях всех шахт при их групповом расположении. Главной особенностью приповерхностного горизонта является постепенное снижение проницаемости трещиноватых пород с глубиной и изменчивость проводимости горизонта по площади при повышении этого параметра на участках речных долин и снижении на водоразделах (рисунок 3).

Рисунок 1 - Схема численной геофильтрационной модели района Интинского месторождения: 1-5 - зоны активной связи приповерхностного и техногенного комплексов; 6-10 - зоны перетекания из приповерхностного горизонта в техногенный комплекс через относительный водоупор, 1,6 - поле шахты «Западная»; 2,7 - поле шахты «Глубокая»; 3,8 - поле шахты «Капитальная», 4,9 - поле шахты «Восточная»; 5,10 - поле шахты «Интинская»

Рисунок 2 - Структура численной геофильтрационной модели поля шахты «Котинская»: 1 - дискретность (разбивка) модели в плане; 2 - гидроизогипсы приповерхностного горизонта (естественный режим), построенные при калибрации модели; 3 - границы с условиями первого рода (реки); 4 - зоны неоднородности по проводимости; 5 - границы очистных работ; 6 -значение проводимости (м2/сутки); 7 - опытные гидрогеологические скважины

а)

б)

' S.M »} S4 g(t)

я

з)................ Г* 16 м2/сут; у/..

s;

■

т- • *

У

*

J

в|_

* -230 -1в2 •IM -137 -10» -о«Т ■0 53 •0 25 002 0 30

2.Ц

S4g (t)

Т«66 м2/сут;

•2 во .¿72 -2 55 -: 37' 19 •2 01 •\ЛА -1 вв' -1 4t -1 30

Рисунок 3 - Интерпретация по схеме Тейса результатов откачек, выполненных на поле шахты «Котинская»: а) скважина 17003; б) скважина 17063 (Т - проводимость опробуемой толщи, м2/сутки; Б - понижение уровня в центральной скважине, м; I - время с начала

откачки,сутки)

Рисунок 5 - Численная геофильтрационная модель

осесимметричного потока (программа RELIS): Ш 1НН - приповерхностный водоносный комплекс,

■ - относительный водоупор, I - центральная (вотмущающая) Ш - угленосная толща, скважина,

■ - угольный пласт, 2 - наблюдательная скважина,

3 - интервал опробования

Приповерхностный водоносный горизонт целесообразно рассматривать в совокупности с покровными песчано-глинистыми отложениями в качестве двухслойного водоносного комплекса. Изучению параметров приповерхностных водоносных горизонтов (комплексов) следует уделять особое внимание при проектировании мероприятий по предотвращению подтопления территорий на конечной стадии ликвидации шахт, а также при оценке притоков в ликвидированные и действующие шахты при групповом их расположении. Обоснование мероприятий соответствующей направленности должно базироваться в основном на использовании численных геофильтрационных моделей для прогноза изменений гидродинамического режима приповерхностного водоносного комплекса, прогноза притока подземных вод в затапливаемую и действующую шахты. В диссертации сформулированы требования к исходной гидрогеологической информации, методике ее получения. Подготовка численных геофильтрационных моделей включает ревизию и использование результатов опытно-фильтрационных работ при разведке месторождения с последующей калибрацией этих моделей для идентификации природно-техногенных гидрогеологических структур. При выполнении этих исследований возможно принятие решения о целесообразности выполнения дополнительных опытно-фильтрационных работ с целью уточнения проводимости, емкостных характеристик и определения положения подошвы приповерхностного водоносного комплекса, а также фильтрационных характеристик подстилающих слабопроницаемых пород вкрест напластования.

В работе проведен анализ результатов интерпретации опытно-фильтрационных работ (рисунок 3), проведенных в 2010 году на поле шахты «Котинская» (Кузбасс). Для повышения эффективности опытно-фильтрационных работ предлагается методика проведения кустовых откачек с поинтервальным опробованием неоднородных в разрезе угленосных отложений при применении в качестве пьезометров датчиков гидростатического давления (рисунок 4).

12 3 12

откачки:, I - приповерхностный водоносный комплекс, II -относительный водоупор, III - свита угольных пластов, 1 - опытные (откачные) скважины, 2 - наблюдательные пьезометры, 3 -

скважина с датчиками гидростатического давления.

Интерпретацию результатов опробования неоднородных в разрезе отложений рекомендуется выполнять с применением решений Тейса, Хантуша, Ньюмана, Болтона и Менча на базе компьютерной программы АЫ801МАТ, а также с использованием численных геофильтрационных моделей осесимметричных потоков(рисунок 5).

Исследования особенностей формирования техногенного гидродинамического режима подземных вод при групповом расположении затапливаемых и действующих шахт выполнен с использованием типовых трехмерных численных моделей для анализа нестационарных геофильтрационных процессов при различном характере гидравлической связи приповерхностного водоносного горизонта с затапливаемым комплексом (рисунок 6 и 7). При выполнении ряда численных экспериментов обоснована оптимальная пространственная и временная разбивка моделей, оценена роль различных факторов в формировании водопритоков в шахты и уровенного режима подземных вод (рисунок 8). Для учета активной связи между элементами ириродно-техногенной гидрогеологической структуры предложен оригинальный прием моделирования (рисунки 6, 7 и 8).

3. Суммарный объем пустотности техногенных комплексов, образованных при выемке свиты угольных пластов, пропорционален отношению объема всех вынутых пластов к объему техногенных комплексов, что подтверждается результатами интерпретации наблюдений за фактическими процессами затопления шахт.

Выявленная закономерность установлена при выполнении комплексных исследований на Интинском каменноугольном месторождении, проведенных с целью оптимизации мероприятий, обеспечивающих безопасность очистных работ на действующей шахте «Интинская».

Месторождение приурочено к крупной синклинальной структуре, которая сложена угленосными отложениями пермского возраста, содержащими одиннадцать угольных пластов рабочей мощности. Нижняя подсвита (пласты 1, 2, 3, 4, 5) и верхняя подсвита (пласты 8, 9, 10, 11) отрабатывались на северо-западном крыле синклинали шахтами «Западная», «Глубокая», «Капитальная» и «Восточная», которые были ликвидированы и затоплены в период с 1999 года по 2011 год. Действующая шахта «Интинская» расположена на юго-восточном крыле синклинали.

Шахта «Интинская» активно связана с шахтой «Глубокая» на участке совместной выемки пластов верхней подсвиты (отметка около минус 240). Шахта «Западная» связана по горным выработкам на отметке минус 100 м с шахтой «Глубокая»; затрудненная связь шахты «Капитальная» с шахтой «Глубокая» возможна на отметке около минус 240 м. Для обеспечения безопасности горных работ на шахте «Интинская» принято решение о затоплении шахты «Западная» до отметки минус 120 м, шахт «Глубокая» и «Капитальная» до отметки минус 240 м. Ограничение уровня затопления шахт обеспечивалось и продолжает обеспечиваться за счет эксплуатации погружных насосов, размещенных в стволах этих шахт. Шахта «Восточная» затапливалась в 2007-2011 годах без ограничения уровня шахтных вод.

При подготовке проектов ликвидации шахт выполнен анализ притоков подземных вод в ликвидируемые шахты в период их

эксплуатации для оценки особенностей природно-техногенной гидрогеологической структуры при выемке свит угольных пластов (рисунок 9). В пределах шахтных полей выделены участки активной и затрудненной связи приповерхностного водоносного комплекса с техногенным комплексом, выполнен прогноз изменений притоков подземных вод в затапливаемые шахты.

С учетом дифференциации природно-техногенных структур прогноз продолжительности затопления шахт до проектных отметок был выполнен с применением ранее предложенных (Норватов Ю.А. 2001 г., Норватова О.И. 2005 г.) аналитических зависимостей при коэффициенте пустотности Кп=0,15, принятым в соответствии с нормативным значением относительного оседания (ц0=0,85) для Интинского месторождения. При затоплении шахт величина прогнозных притоков в шахты, затопленные до принятых отметок, оказалась близкой к фактической - производительность погружных насосов составила на шахте «Западная» 380 м3/час, на шахте «Глубокая» - 100-200 м3/час, на шахте «Капитальная» - 300 м3/час (рисунок 9). Постоянная эксплуатация погружных насосов в течение длительного периода требует существенных затрат на электроэнергию и обслуживание оборудования.

Фактическая продолжительность затопления шахт «Западная» и «Капитальная» оказалась несколько большей, чем прогнозируемая, что предопределяет целесообразность уточнения емкостных параметров техногенных комплексов для обоснования оптимизации системы водоотлива из шахт.

При анализе результатов наблюдений за затоплением шахт трещиноватость (пустотность) техногенных комплексов (Уп) оценивалась с предпосылкой о равенстве объема трещин и объема воды, заполняющего эти трещины, по зависимости:

Уп = (]ср-А1-Р-Ут- 0,5 ■ АН, (4)

где <Зср - средний приток в шахту, затапливаемую в течение времени Д1; р - коэффициент упругоемкости породных блоков техногенного комплекса; Ут - фактический объем техногенного комплекса; ДН - повышение напоров при затоплении техногенного комплекса.

Рисунок 6 - Структура численной геофильтрационной модели района расположения затапливаемой шахты (I) и действующей (II): 1 - границы питания приповерхностного водоносного горизонта (реки); 2 - площади очистных горных выработок; 3 - разбивка моделируемой области на элементарные участки

Время, сутки

Рисунок 7 - Схема разбивки модели в разрезе по линии А-А: 1 -приповерхностный водоносный горизонт (Кф=1 м/сутки), 2 -слабопроницаемые угленосные отложения (Кф=5-10"4 м/сутки), 3 -техногенный комплекс (Кф=100 м/сутки)

Рисунок 8 - Результаты прогноза изменений гидродинамического режима подземных вод при затоплении шахты, пограничной с действующей: изменение притоков подземных вод в затапливаемую (1) и действующую (2) шахты; повышение уровней приповерхностного водоносного горизонта (3) и уровней шахтных вод в затапливаемых выработках (4)

5 198 20.5.99 1 10 00 13.2.02 28.6.03 9.1104 243.06 6.8.07 18.12.08 2.5 10 14.9.11 Годы

Рисунок 9 - График изменения водопритоков в шахты «Западная»(1), «Восточная» (2), «Интинская» (3), «Глубокая» (4) и «Капитальная» (5) в 1999 - 2011 годах

(кружками отмечено начало периода затопления каждой из шахт)

Таблица 1 - К расчету модуля пустотности техногенных комплексов

Условия затопления шахт и характеристики техногенных комплексов Шахты

«Западная» «Глубокая «Капитальная» «Восточная»

Абс. отметки интервалов затопления горных выработок, м -350--250 -250--100 -650--240 -600--270 -270--230 -205--100 -100-0

Осредненный водоприток в шахту при затоплении расчетного интервала, м3/ч 580 420 280 100 350 375 275

Продолжительность затопления расчетного интервала, месяц 9 14 10 52 6 10 15

Пустотность техногенного комплекса в пределах интервала затопления, Уп, м3 3,8 106 4,2 106 2106 4,1 • 106 1,510" 2,7-106 3,0 106

Объем техногенного комплекса в пределах интервала затопления, Ут, м1 3,2-10* 5,2 108 5,3 108 5,7-108 2,2 108 3,6 108 2,9 108

Удельная пустотность техногенного комплекса, и = — 1,1 ТО'2 0,8 10"2 0,4 10"2 0,72-10"2 0,7-10'2 0,75 10"2 1,0 102

Объем угля, извлеченного в пределах интервала затопления, Уу, м* 1,4-107 2,510' 1,8 10' 2,3-107 4106 1,9 107 1,6 ю7

Коэффициент пустотности, Кп = ~ 0,27 0,17 0,11 0,18 0,35 0,14 0,18

Модуль пустотности N — Уц ■ > м' 8,6 107 8,7 107 5,9 107 8,8 107 8,3 107 5,1 107 5,4 107

Фактический коэффициент пустотности Кп=Уп/Уу и удельная пустотность (ц=Уп/Ут) техногенных комплексов на полях затопленных шахт представлены в таблице 1.

Комментируя представленные в таблице 1 данные, отражающие результаты выполненных исследований, можно сделать следующие выводы:

фактические коэффициенты пустотности выделенных интервалов затопления техногенных комплексов существенно различаются, что не позволяет использовать эту характеристику для прогноза пустотности и продолжительности затопления шахт;

прогнозируемая пустотность техногенных комплексов Уп, сформированных при выемке свит угольных пластов, определяется не только объемом извлеченного угля Уу, но и объемом техногенных комплексов Ут , что, в соответствии с защищаемым положением, может быть представлено формулой:

УП = К- Уу/ут, (5)

где N - модуль пустотности (размерность м3), определяемый по формулам (4) и (5) с использованием результатов натурных наблюдений на начальной стадии затопления шахт;

- прогнозируемая продолжительность затопления шахт может быть оценена аналитически по зависимости:

А£ = ,тп -; (6)

Уср

- при использовании численных геофильтрационных моделей для прогнозных оценок скорости затопления горных выработок техногенные комплексы должны быть охарактеризованы удельной пустотностью (р), определенной по результатам наблюдений за процессом затопления шахт в начальной стадии;

удельная пустотность (недостаток насыщения) техногенных комплексов при выемке свит угольных пластов составляет бО Ю^Ю'2 , значения модуля пустотности могут изменяться в пределах от 5 -107 м3 до 9107 м3 в зависимости от структуры свит угольных пластов.

Выполненный анализ условий затопления шахт и полученные емкостные характеристики техногенных комплексов позволяют оценить эффективность ликвидации водоотлива на шахте «Капитальная». Согласно расчету по зависимости (6), продолжительность затопления шахты «Капитальная» в пределах абсолютных отметок от минус 240м до подошвы приповерхностного горизонта (±0 м) составит около трех лет после отключения водоотлива и прекращении потребленния электроэнергии. На созданной численной геофильтрационной модели района Интинского месторождения установлено, что при полном затоплении шахты «Капитальная» приток подземных вод в шахту «Глубокая» повысится на 150 м3/ч, а в шахту «Западная» на 60 м3/ч. Водоприток в действующую шахту «Интинская» увеличится незначительно (на 20 - 30 м3/ч).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации представлено решение актуальной научно-прикладной задачи по разработке гидрогеологического обоснования технических мероприятий, обеспечивающих предотвращение негативных последствий затопления угольных шахт. Основные выводы и практические результаты исследований:

1. Изучены условия формирования природно-техногенных гидрогеологических структур при выемке как одиночных угольных пластов, так и свит пластов.

2. Предложена и практически реализована методика идентификации природно-техногенных гидрогеологических структур, которая основана на совместном анализе геомеханических и гидродинамических процессов, развивающихся при ведении очистных горных работ на разных глубинах.

3. Разработана методика опытного опробования неоднородного в разрезе приповерхностного водоносного горизонта как основного элемента природно-техногенных гидрогеологических структур, определяющего условия гидравлической связи затапливаемых и действующих шахт при групповом их расположении.

4. На основе решения ряда тестовых задач с использованием трехмерных численных геофильтрационных моделей выполнен анализ основных закономерностей гидродинамических процессов, развивающихся при затоплении шахт, пограничных с действующими шахтами.

5. На основе выполненного анализа результатов наблюдений за процессами затопления шахт установлена ранее не выявленная закономерность: объем пустотности техногенного комплекса, образованного при выемке свиты угольных пластов, прямо пропорционален объему извлеченного угля и обратно пропорционален объему техногенного комплекса.

6. Разработана методика интерпретации результатов наблюдений за затоплением шахт, направленная на определение универсальной характеристики пустотности техногенных комплексов - модуля пустотности.

7. Установлено, что удельная пустотность техногенных комплексов, сформированных при выемке свит угольных пластов, изменяется в пределах 0,005 - 0,01 в зависимости от глубины залегания разрабатываемых пластов.

8. С целью оптимизации мероприятий, обеспечивающих безопасность горных работ на шахте «Интинская», выполнено гидрогеологическое обоснование возможности ликвидации водоотлива на шахте «Капитальная», которое включает:

-разработку численной геофильтрационной модели Интинского месторождения;

-интерпретацию результатов наблюдений, выполненных при затоплении четырех ликвидированных шахт, с определением емкостных характеристик техногенных комплексов, сформированных при выемке свит пластов;

-выполненную с использованием численной геофильтрационной модели прогнозную оценку изменений притоков в затопленные шахты и в действующую шахту «Интинская» при предлагаемом прекращении водоотлива из затопленных выработок шахты «Капитальная»;

-предложения по совершенствованию системы гидрогеологического мониторинга в связи с предлагаемой оптимизацией водоотлива из затопленных шахт.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки

России:

1. Савельев Д.И. Анализ опыта интенсивной отработки выемочных участков на шахте «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс» в условиях повышенных водопритоков. /О.И. Казанин, Ю.А. Норватов, Д.И. Савельев, A.A. Черкашин// Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - М.: МГГУ, 2014г. -№5-С.21-25.

2. Савельев Д.И. Гидрогеологическое обеспечение горных работ при разработке угольных месторождений подземным способом. /Ю.А. Норватов, Д.И. Савельев, A.B. Яшина // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнаш). - М.: МГГУ, 2014г. - №8 - С.23-28.

3. Савельев Д.И. Опытно-фильтрационные работы и наблюдения как сопутствующие элементы инженерно-геологических изысканий. /Ю.А. Норватов, И.Б. Петрова, Д.И. Савельев, A.A. Шамшев // Инженерные изыскания. -М.: 2014 г. - №7 - С. 64 -70.

В других изданиях:

4. Saveliev D.I. Scientific and methodological principles of the analysis and prediction of hydrogeological conditions of mine abandonment / Y.A. Norvatov, I.B. Petrova, S.N Kotlov, D.I. Saveliev // International mining conference. - Vietnam: 201 Or., C. 597 - 600.

5. Савельев Д.И. Гидрогеологические проблемы освоения алмазных месторождений в Архангельской области. / Ю.А. Норватов, И.Б. Петрова, С.Н. Котлов, Д.И. Савельев // 8-я Международная научно-практическая конференция «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». «Народное хозяйство республики Коми». Воркута: 2010г. - Т. 19, №2-С. 259-261.

РИД Горного университета. 29.06.2015. 3.605. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

VPQV¿99\rOZ

2015674944