Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА
ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ 10
1.1. Комплексная оценка экологического состояния территорий
горных отводов отработанных угольных шахт 10
1.2. Системы экологического мониторинга состояния окружающей
среды на территориях горнодобывающих регионов 18
1.3. Физические основы и математические модели движения газов
в горном массиве нарушенной структуры 27
Выводы 38
Цель и идея работы. Постановка задач исследований 39
2. НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ПОДРАБОТАННЫХ
ТЕРРИТОРИЙ ГОРНЫХ ОТВОДОВ ОТРАБОТАННЫХ
ШАХТ НА ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
СЕЛИТЕБНЫХ ТЕРРИТОРИЙ 41
2.1. Мониторинг состояния земной поверхности подработанных
территорий и геодинамический мониторинг 41
Загрязнение территорий горных отводов породными отвалами ликвидируемых шахт 47
Гидрогеологический мониторинг горных отводов
отработанных шахт 53
Выводы 63
3. ПЕРЕНОС ГАЗОВ В ПОДРАБОТАННОМ МАССИВЕ
ГОРНЫХ ПОРОД НА ТЕРРИТОРИЯХ ГОРНЫХ
ОТВОДОВ ОТРАБОТАННЫХ ШАХТ 65
3.1. Натурные наблюдения газообмена выработанных пространств
ликвидируемых шахт Восточного Донбасса с земной
ПОВерХНОСТЬЮ ....; 65
3.2. Анализ и обобщение результатов шахтных наблюдений
газовыделения при снижении статического давления воздуха
(на примере Подмосковного бассейна) 73
3.3. Физическая модель и математическое описание движения
газов в подработанных горных породах '. 89
3.4. Фильтрация «мертвого» воздуха через подработанный
массив горных пород 95
Диффузия газов выработанного пространства через подработанный массив горных пород 99
Газообмен выработанных пространств отработанных
шахт с помещениями цокольных этажей 103
Выводы 111
4. КИНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИГРАЦИИ
ГАЗОВ В ГОРНОМ МАССИВЕ И АЛГОРИТМЫ
ОЦЕНКИ ГАЗОВЫХ СИТУНАЦИЙ 114
4.1. Теоретическое обоснование методических положений
по оценке газовой проницаемости угольных пластов
и вмещающих пород 114
4.2. Пористость и газовая проницаемость подработанного
и надработанного массива горных пород 123
4.3. Классификация возможных газовых ситуаций на земной
поверхности, подработанной ликвидируемыми угольными
шахтами 131
4.4. Методические положения информационной технологии
мониторинга экологических последствий для территорий
горных отводов ликвидируемых шахт Восточного Донбасса 133
Выводы 141
5. КОМПЛЕКС МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕРРИТОРИЙ
ГОРНЫХ ОТВОДОВ ЛИКВИДИРУЕМЫХ ШАХТ
ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА 143
Практические рекомендации по Новошахтинскому району Ростовской области 143
Практические рекомендации по Шахтинскому району
Ростовской области 147
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 153
Список использованной литературы 155
Введение к работе
Актуальность. Переход к рынку потребовал перестройки системы управления российской экономикой, поставил перед ее производственными подразделениями комплекс принципиально новых задач, которыми она ранее не сталкивалась. В результате осуществляемой реструктуризации угольной промышленности России и закрытия нерентабельных угледобывающих предприятий произошла ликвидация целого ряда шахт Восточного Донбасса. Отмеченные обстоятельства особенно остро проявляются в современной угледобывающей отрасли промышленности. Это связано с тем, что российское общество на протяжении последних десятилетий переживает сложные, динамично протекающие политические и социально-экономические преобразования. При этом в силу ряда объективных и субъективных обстоятельств произошло резкое ухудшение состояния промышленной сферы отечественной экономики, которое выразилось, прежде всего, в невостребованности продукции многих российских угледобывающих предприятий. Особую остроту приобретают проблемы, связанные с экологическими последствиями, обусловленными, на первый взгляд, рациональными экономическими решениями.
Для объективной оценки изменения состояния окружающей среды в ходе реструктуризации угледобывающего комплекса Ростовской области и разработки рекомендаций по снижению негативных экологических последствий на территориях ликвидируемых шахт Центром мониторинга продолжена реализация рабочего проекта «Мониторинг социально-экологических последствий ликвидации шахт Восточного Донбасса», утвержденного приказом Росэнерго от 28.08.2008 г. № 242. В третьем квартале 2008 года, согласно проекту, горно-экологический и гидрологический мониторинг осуществлялся на горных отводах 47-ми ликвидируемых шахт и 17-ти малых и больших реках Ростовской области. В настоящее время реализуются следующие виды геоэкологического мониторинга на территориях горных отводов ликвиди-
руемых шахт: гидрогеологический мониторинг; гидрологический мониторинг; газомониторинг; геодинамический мониторинг; мониторинг земельных ресурсов; мониторинг технических работ (технический надзор).
На основании результатов комплексного геоэкологического мониторинга разрабатываются и реализуются проекты проведения работ по экологической реабилитации нарушенных территорий, предусмотренные проектами ликвидации шахт и обеспечивающие приведению территорий промышленных площадок ликвидируемых шахт в экологически безопасное состояние. Поэтому исследования, посвященные оценке экологической безопасности территорий горных отводов, являются весьма актуальными.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2010 годы)» (per. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0319).
Целью работы являлось уточнение геоэкологических закономерностей, характеризующих последствия ликвидации шахт Восточного Донбасса по геомеханическому, геохимическому, гидрологическому и аэрологическому факторам, для совершенствования системы экологического мониторинга и разработки эффективных технических решений, обеспечивающих безопасную эксплуатацию подработанных территорий.
Идея работы заключается в том, что совершенствование системы экологического мониторинга и разработка эффективных технических решений, обеспечивающих безопасную эксплуатацию подработанных территорий, основывается на комплексной схеме геомеханических наблюдений и геохимических измерений, а также адекватных математических моделях газообмена между выработанными пространствами шахт и цокольными этажами зданий и сооружений.
Основные научные положения работы заключаются в следующем:
процессы вытеснения кислорода из атмосферы помещений цокольных этаже и подвалов зданий, построенных на территориях горных отводов ликвидируемых угольных шахт имеют место при экстренных газовыделениях, вызываемых резким снижением атмосферного давления;
процесс обескислороживания воздуха помещений цокольных этажей происходит в результате разбавления кислорода «мертвым воздухом выработанных пространств закрытых шахт;
фильтрационный газовый поток «мертвого» воздуха, мигрирующего из выработанного пространства, линейно зависит от времени, пропорционален скорости падения атмосферного давления и средней газовой проницаемости подработанных горных пород;
диффузионный поток газов выработанного пространства, мигрирующих к земной поверхности, стремится к некоторому асимптотическому значению, при котором диффузионный критерий Фурье будет равен 1;
на окончательной стадии затопления техногенного пространства и вмещающих пород происходит восстановление запасов подземных вод, которое дает толчок упругому расширению массива, поэтому в результате активизации движения отдельных блоков, по тектоническим нарушениям наиболее нагруженные участки подработанного массива оседают, что фиксируется наблюдательными станциями.
Новизна основных научных и практических результатов:
усовершенствованы методические положения геоэкологического мониторинга, в соответствии с которыми осуществляют комплексные измерения параметров на территориях горных отводов ликвидируемых шахт по гидрогеологическому, гидрологическому, газовому, геодинамическому и геохимическому факторам;
обоснованы физические модели и математическое описание прогнозной оценки газообмена выработанных пространств ликвидируемых шахт с земной поверхностью, отличающаяся тем, что динамика показателей,
влияющих на экологическую безопасность, уточняется по мере развития существующей базы данных;
предложены алгоритмы оценки коллекторских свойств подработанных горных массивов для решения задач фильтрационной миграции газов выработанных пространств;
усовершенствованы структурные и функциональные схемы систем контроля геоэкологического мониторинга и разработаны комплексные мероприятия по обеспечению экологической безопасности эксплуатации территорий для горных отводов ликвидируемых шахт Восточного Донбасса.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: весьма большим объемом измерений (геоэкологичекий мониторинг проводился на горных отводах 38-ми ликвидируемых шахт в 216-ти угрожаемых и 70-ти опасных по газовыделению зонах на общей площади 4741,67 га); корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием методов математической статистики, теории вероятностей, математического анализа и современных достижений вычислительной техники; достаточным объемом вычислительных экспериментов, проведенных в процессе теоретических исследований динамики показателей эффективности проектов экологически рационального природопользования; удовлетворительной сходимостью расчетных значений с фактическими данными.
Практическое значение работы заключается в том, что разработан единый подход и усовершенствована система экологического мониторинга для разработки эффективных технических решений, обеспечивающих безопасную эксплуатацию подработанных территорий ликвидируемых шахт Восточного Донбасса. Предложен научно обоснованный подход к геоэкологическому мониторингу, который основывается на комплексной схеме геомеханических наблюдений и геохимических измерений, а также адекватных математических моделях газообмена между выработанными пространствами шахт и цокольными этажами зданий и сооружений. Разработаны комплекты математических моделей и комплексы программных средств для оценки эф-
фективности профилактических мероприятий, что повышает эффективность САПР геоэкологической экспертизы на всех этапах проектирования и эксплуатации территорий горных отводов ликвидируемых шахт.
Реализация работы. Уточненные геоэкологические закономерности, характеризующих последствия ликвидации шахт Восточного Донбасса по геомеханическому, геохимическому, гидрологическому и аэрологическому факторам, позволили усовершенствовать систему экологического мониторинга и разработать эффективные технические решения, обеспечивающие безопасную эксплуатацию подработанных территорий в Новошахтинском и Шахтинском районах Ростовской области. Разработанные методические положения оценки используются ООО «Центр мониторинга социально-экологических последствий ликвидации шахт Восточного Донбасса». Научные и практические результаты были использованы в Тульском государственном университете при выполнении НИР по федеральной и межрегиональным научно-техническим программам, а также включены в учебно-методические материалы по курсу «Промышленная экология. Защита биосферы» и «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» для студентов, обучающихся по направлению «Горное дело».
Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом, и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научно-технических советах ООО «Центр мониторинга социально-экологических последствий ликвидации шахт Восточного Донбасса», на научных семинарах кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ (г. Тула, 2008 - 2009 гг.), кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2005 - 2009 гг.), ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2006 - 2009 гг.); Международной конференции «Освоение недр и экологические проблемы - взгляд в 21-й век», 2-й и
3-й Международных конференциях по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2007 -2008 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 работ.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на страницах
машинописного текста, состоит из 5 разделов, содержит таблиц, ри
сунка, список литературы из 148 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., проф. Э.М. Соколову и д.т.н., проф. Е.И. Захарову за постоянную поддержку и методическую помощь в проведении исследований.
