Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние изученности вопроса 10
ГЛАВА 2 Гидрогеологическая структура угольных месторождений, условия формирования природно техногенных гидрогеологических структур и техногенного режима подземных вод на шахтных полях 22
2.1 Гидрогеологическая структура каменноугольных месторождений 22
2.2 Условия формирования природно-техногенных гидрогеологических структур при ведении подземных горных работ 28
2.3 Общие закономерности техногенного режима подземных вод на шахтных полях 38
2.4 Оценка емкостных характеристик техногенных комплексов 50
2.5 Гидрогеомеханические и геохимические процессы, развивающиеся в техногенных комплексах при затоплении шахт 53
2.6 Аналитическая оценка продолжительности и скорости затопления горных выработок 56
ГЛАВА 3 Выбор исходной гидрогеологической информации для создания численных геофильтрационных моделей 63
3.1 Общие положения о проведении опытно фильтрационных опробований для создания численных геофильтрационных моделей 63
3.2 Результаты проведения опытных откачек при опробовании безнапорного песчано-глинистого водоносного комплекса 65
3.3 Разработка рекомендаций по проведению и интерпретации опытно-фильтрационных опробований на угольных месторождениях с целью обеспечения достоверной информации для численного моделирования процессов затопления шахт 73
ГЛАВА 4 Моделирование и анализ гидродинамических процессов, формируемых при затоплении группы шахт, расположенных вблизи действующей шахты
4.1 Особенности методики численного моделирования условий затопления шахтных полей 82
4.2 Численные эксперименты по отработке методики моделирования процесса затопления горных выработок 93
ГЛАВА 5 Гидрогеологические условия эксплуатации шахт на интинском каменноугольном месторождении 134
5.1 Геологическое строение месторождения 134
5.2 Гидрогеологическое строение Интинского месторождения 137
5.3 Анализ условий формирования приро дно-техногенных гидрогеологических структур 142
5.4 Формирование водопритоков в шахты при ведении очистных работ 146
5.5 Анализ условий формирования водопритоков в шахты и разработка численной геофильтрационной модели месторождения 148
5.6 Применение численного моделирования для прогноза условий затопления шахт 155
ГЛАВА 6 Анализ условий ликвидации шахт и результатов наблюдений за процессами их затопления 163
6.1 Оценка условий затопления шахты «Глубокая» 165
6.2 Анализ условий затопления шахты «Западная» 172
6.3 Анализ условий затопления шахты «Капитальная» 178
6.4 Анализ условий затопления шахты «Восточная» 191
6.5 Анализ результатов интерпретации наблюдений за процессами затопления шахт на Интинском месторождении 198
6.6 Гидрогеологическое обоснование оптимизации водоотлива из затопленных шахт на Интинском месторождении 202
Заключение 213
Список литературы
- Условия формирования природно-техногенных гидрогеологических структур при ведении подземных горных работ
- Результаты проведения опытных откачек при опробовании безнапорного песчано-глинистого водоносного комплекса
- Численные эксперименты по отработке методики моделирования процесса затопления горных выработок
- Формирование водопритоков в шахты при ведении очистных работ
Условия формирования природно-техногенных гидрогеологических структур при ведении подземных горных работ
В Советском Союзе и во многих капиталистических странах добыча угля подземным способом обычно датировалась государством. После распада Советского Союза с развитием капиталистических отношений предприятия различных сфер деятельности перешли в частную собственность, чего не смогли избежать и предприятия горнодобывающей промышленности. В результате повсеместной приватизации и неудачных попыток вывести на самоокупаемость горные предприятия была разработана государственная программа, согласно которой проводилось массовое закрытие и ликвидация угольных шахт по причине экономической нецелесообразности их дальнейшей эксплуатации. В большей степени проводимые мероприятия затронули сферу угольной промышленности, всего по стране было закрыто более 200 шахт [1]. Координация и финансирование работ по ликвидации шахт осуществлялась Государственным учреждением по вопросам реорганизации и ликвидации нерентабельных шахт и разрезов (ГУРШ). В историческом разрезе ликвидация шахт не является новым мероприятием, поскольку происходила многократно во многих странах. По данным Горной энциклопедии, в Европе, Азии, Африке и Америке имеются десятки примеров ликвидации остановленных и затопленных шахт и рудников. Глубина горных работ на этих предприятиях достигает 1-3 км, а суммарная площадь нарушенных горнотехнической деятельностью земель составляет более 15-20 млн га[2].
В Кузбассе, к 2000 году было затоплено около 50 шахт. Основная причина ликвидации шахт - это отработка всех кондиционных запасов или убыточность предприятия. В Донбассе ликвидировано около 70 шахт [3], в Печорском угольном бассейне затоплено одиннадцать угольных шахт, в Партизанском бассейне 6 шахт [4]. Технические требования к организации мероприятий по ликвидации шахт, рудников и карьеров были сформулированы в «Инструкции по порядку ликвидации и консервации предприятий по добыче полезных ископаемых» (Москва, 1998), [5] и в Инструкции о порядке ведения работ по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с пользованием недрами» (Москва, 1999) [6]. В Кизелевском угольном бассейне к 1993 году было ликвидировано около 30 шахт, а в последующие годы 14 шахт. В Украине и Казахстане прошла массовая ликвидация угольных шахт.
В практике закрытия шахт используются три основных способа физической ликвидации: - «сухая» ликвидация (консервация) с сохранением шахтного водоотлива; - комбинированный, с поддержанием постоянного уровня воды в ликвидируемой шахте; - полное их затопление («мокрая» ликвидация, консервация). При последнем способе, как правило, производится засыпка вертикальных и наклонных стволов, других выработок, имеющих выход на дневную поверхность, с устройством на поверхности железобетонных перекрытий. Прекращение эксплуатации шахтного водоотлива приводит к затоплению выработок.
При «сухой» ликвидации шахт предусматривается сохранение водоотлива либо на период работы соседних шахт, имеющих гидравлическую связь с выработками ликвидируемой шахты, либо для предотвращения возможного подтопления территорий на поверхности шахтных полей. На практике «сухой» способ ликвидации практически не используется.
Комбинированный способ ликвидации обусловлен тем, что поднятие уровня воды до определенной отметки может привести к перетоку или прорыву воды в выработки соседних шахт.
При комбинированном способе ликвидации определяется проектный безопасный уровень затопления шахты и скорость затопления выработок до расчетного уровня. Процесс затопления необходимо контролировать наблюдениями за положением уровня подземных вод. При достижении расчетного уровня необходимо ввести в действие систему водоотлива погружными насосами для поддержания его на принятой постоянной отметке. Опыт проектирования и эксплуатации водоотливных комплексов с погружными насосами на шахтах Кузбасса, Восточного Донбасса, Партизанского и Печерского бассейна подтверждает их эффективность.
Полное (неконтролируемое) затопление выработок с поднятием уровней подземных вод до максимальных отметок является наиболее экономичным, однако, ликвидация шахт путем полного затопления может приводить к негативным последствиям и возникновению комплекса проблем экологического и социального характера.
Для контроля условий затопления шахт в 1990 - 2000 годах были созданы службы геоэкологического мониторинга (в Кузбассе, в Восточном Донбассе, на Интинском месторождении, Ленинградском месторождении горючих сланцев). Согласно выполненным наблюдениям, затопление шахт сопровождается всевозможными негативными процессами. Самым распространенным последствием ликвидации шахт является подтопление зданий и сооружений на земной поверхности в результате подъема уровней подземных вод. Данная проблема возникла во всех без исключения угледобывающих районах. Однако, наиболее ярко эта проблема проявилось в украинской части Восточного Донбасса. При закрытии 34 шахт в Луганской области методом полного затопления от 20 до 40 % территорий горных отводов в границах горнопромышленных районов оказались подтопленными и заболоченными. В первую очередь - это участки подработанных горными выработками речных пойм и невысоких пойменных террас, зоны выходов песчаников и тектонических нарушений на склонах балок, пониженные участки рельефа, где ранее наблюдались выходы подземных вод на поверхность в виде родников (радиус выхода подземных вод может превышать 1 -1,5 км) [7]. Загрязнение приповерхностного водоносного горизонта шахтными водами является наиболее опасным с экологической точки зрения явлением при ликвидации шахт. При ликвидации шахты «Комиссаровская» общая минерализация увеличилась с 8 до 18 г/л с концентрацией сульфатов до 8,8 г/л, железа - 170 мг/л. Изливающие воды содержат целый ряд токсичных веществ (медь, кобальт, кадмий, стронций, хром) [2].
Результаты проведения опытных откачек при опробовании безнапорного песчано-глинистого водоносного комплекса
Поскольку условия формирования притоков подземных вод в горные выработки определяются характером природно-техногенной гидрогеологической структуры, то ее геометрические параметры 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.
Таким образом, анализ общих закономерностей техногенного режима подземных вод при эксплуатации и затоплении шахт позволяет сформулировать следующее защищаемое положение. При подготовке проектов ликвидации шахт определение направленности и обоснование эффективности мероприятий по предотвращению негативных последствий их затопления 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.
В качестве примера, иллюстрирующего защищаемое положение, можно привести результаты исследований, выполненных автором диссертации при оценке условий формирования техногенного режима подземных вод на поле шахты «Котинская» (Кузбасс).
Шахта «Котинская» характеризуется сложными гидрогеологическими условиями. Угленосный массив представлен переслаиванием аргиллитов и песчаников. Мощность покровных четвертичных отложений, представленных песчано-глинистыми породами, изменяется от 10 м до 50 м. Приповерхностный водоносный комплекс характеризуется мощностью зоны повышенной трещиноватости, составляющей 50-70 м. По характеру природно-техногенной структуры шахта, согласно типизации [23], относится к типу III, так как отработка пласта 52, мощностью около 4 м, проводилась от его выходов под покровные отложения, где зона водопроводящих трещин безусловно вскрывает приповерхностный водоносный комплекс. Далее очистные работы уходят на глубины, при которых между нижней границей приповерхностного комплекса и верхней границей техногенного комплекса характерно наличие пачки слабопроницаемых пород, мощность которой увеличивается по мере повышения глубины отработки пласта.
Горные работы велись на отдельных участках под руслом реки Нижняя Тыхта на предельно допустимых глубинах, что предопределило резкое повышение водопритоков в шахту (от 250 м /ч до 800 м /ч). При подобных сложных гидрогеологических условиях прогнозировать водопритоки в горные выработки аналитическими методами весьма затруднительно, поэтому достоверный прогноз возможен только с применением численной геофильтрационной модели шахтного поля.
В настоящее время для достоверных прогнозов водопритоков в горные выработки целесообразно использовать численное геофильтрационное моделирование. Широкое распространение при моделировании геофильтрационных процессов получила программа MODFLOW [53, 54, 55, 56]. В качестве примера можно привести результаты применения численного моделирования для анализа и прогноза водопритоков в шахту «Котинская». Общий вид гео фильтрационной модели поля шахты «Котинская» представлен на рисунке 2.7. Рисунок 2.7 - Общий вид численной геофильтрационной модели поля шахты «Котинская» (изогипсы кровли первого слоя модели) Модель отражает гидрогеологические условия территории площадью 32 км . Моделируемая территория включает водосборный бассейн, ограниченный на западе рекой Верхняя Тыхта, на юго-востоке - рекой Средняя Саланда. Эти реки заданы на модели границей третьего рода (постоянный напор). На севере и северо-востоке границы модели характеризуются условием второго рода (непроницаемая граница).
Территория, рассматриваемая на численной модели, представлена прямоугольными элементарными участками, площадью от 2500 м (на площади шахтного поля) до 10000 м (на периферийной части моделируемой территории), образованными ортогональной сеткой (столбцами и строками) в соответствии с рисунком 2.7. Сетка ориентирована в меридиональном и широтном направлениях. Численная геофильтрационная модель в разрезе представлена тремя расчетными слоями. Первый слой соответствует приповерхностному водоносному комплексу, проводимость которого по площади изменяется в основном от 2 м /сутки до 70 м /сутки. Максимальная проводимость (до 600 м /сутки) приурочена к долине реки Нижняя Тыхта [51, 52].
Второй слой соответствует пачке слабопроницаемых угленосных отложений, залегающей между подошвой приповерхностного комплекса и верхней границей техногенного комплекса. Проницаемость этой пачки вкрест напластованию принята равной 10" м /сутки. Третий слой модели соответствует характеристикам техногенного комплекса.
На численной модели реализованы три вида граничных условий: - первого рода - задан постоянный напор в блоках, находящихся на западной и восточной границах модели. Заданный напор соответствует отметкам уреза воды в реках Верхняя Тыхта и Средняя Саланда; - второго рода - задан непроницаемый контур на северной и южной границах модели, соответствующих водоразделам; также непроницаемой является подошва третьего слоя модели, соответствующая подошве нижнего отрабатываемого пласта, подстилаемого слабопроницаемыми отложениями. На верхней границе модели задано инфильтрационное питание (фиксированный расход, неравномерно распределенный по площади); - граничные условия третьего рода были заданы на реках Нижняя Тыхта, Верхняя Саланда и на ручье Саландушка. Реки заданы с использованием модуля RIVER в блоках первого расчетного слоя с учетом их затрудненной гидравлической связи с приповерхностным водоносным горизонтом и в соответствии с абсолютными отметками уреза воды.
Как показано на рисунке 2.8, на модели поля шахты «Котинская» и сопредельной территории задано несколько зон инфильтрационного питания различной интенсивности. Это связано с особенностью рельефа, составом и мощностью покровных песчано-глинистых отложений: на водоразделах и возвышенностях инфильтрационное питание задается 4-Ю"4 м/сутки, в низинах и долинах рек уменьшается до 3-Ю"4 м/сутки. При вынимаемой мощности пласта 52 около 3,85 м максимальное оседание земной поверхности могли достигать 3 м, что предопределяет активизацию инфильтрации атмосферных осадков и талых вод по площади горных работ. В связи с этим при моделировании техногенного режима подземных вод непосредственно над очистными горными выработками задавались повышенные значения интенсивности инфильтрации, составляющие 1-10" м/сутки.
Численные эксперименты по отработке методики моделирования процесса затопления горных выработок
Осредненные значения коэффициентов фильтрации к, рассчитанные для безнапорного водоносного горизонта по двум схемам (с использованием решений Ньюмана и Болтона), практически совпадают и оцениваются величиной 30 м/сутки, а гравитационная водоотдача Sy равна 0,2 по решению Ньюмана и 0,1 по решению Болтона.
Коэффициент фильтрации крупнозернистых песков, вероятно, на порядок выше, чем у подстилающих мелкозернистых и пылеватых. Следовательно, полученные значения проводимости определяются в основном проводимостью пласта крупнозернистых песков. Коэффициенты фильтрации пласта крупнозернистых и гравелистых песков можно оценить величинами около 70 м/сутки [62].
Дальнейшее уточнение и обоснование выбора типовой расчетной схемы выполнялось на численной модели.
Для создания численной модели, на которой имитировалась фактическая откачка, использовалась программа RELIS. При имитации условий проведения кустовой откачки моделируемая область водоносного комплекса была представлена в плане сотней блоков, размеры которых увеличивались по мере удаления от центральной скважины в логарифмической зависимости. Минимальный радиус кольцевого блока со скважиной был равен радиусу скважины (0,1 м), максимальный - 6,7 м. Радиус моделируемой области составлял 100 м. Модель четвертичного комплекса (Рисунок 3.4) была представлена четырьмя слоями:
Фильтр задавался согласно его фактическому расположению в первом, втором и (частично) в третьем слоях модели. Для блоков, включающих фильтр, был задан средний фактический водоотбор, зафиксированный во время откачки (6,2 л/с). Начальный напор был принят равным 27 м (в соответствии с замеренным статическим уровнем подземных вод) для всех блоков модели.
В ходе численных экспериментов изменялись коэффициенты фильтрации к первого слоя при заданных значениях к мелкозернистых и пылеватых песков и физически правдоподобных емкостных характеристиках моделируемой толщи: гравитационной водоотдаче 5 , = 0,2; коэффициенте упругоемкости 5 = 0,001 м"1; упругой водоотдаче S0 = 0,02. Всего было проведено около 20 вариантов подбора коэффициентов фильтрации крупнозернистых песков (основные варианты представлены в таблице 3.2).
Оптимальное соответствие фактического и модельного понижения уровня подземных вод на конечной стадии откачки было установлено при параметрах, принятых по варианту 6 (при проводимости водоносного комплекса 520 м /сутки и коэффициенте фильтрации крупнозернистых песков 60 м/сутки). Полученные при этом модельные понижения уровней в центральной скважине в процессе откачки были интерпретированы с применением программы ANSDIMAT.
Оптимальное соответствие полученных на модели понижений индикаторным графикам отмечалось при интерпретации по схеме безнапорного пласта с использованием решения Ньюмана (Рисунок 3.5).
Интерпретация понижений уровня в скважине, полученных при моделировании кустовой откачки Разработка рекомендаций по проведению и интерпретации опытно-фильтрационных опробований на угольных месторождениях с целью обеспечения достоверной информации для численного моделирования процессов затопления шахт
Другим примером использования современных средств интерпретации опытных откачек являются откачки, проведенные при доразведке шахты «Котинская» [70]. схема расположения гидрогеологических скважин представлена на рисунке 3.6. Опытно-фильтрационные работы включали 5 одиночных, одну кустовую и одну групповую откачку.
Формирование водопритоков в шахты при ведении очистных работ
Приток в горные выработки, формирующийся за счет перетекания через вышележащие слабопроницаемые отложения, снижается с течением времени.
На конечном этапе затопление выработок характеризуется постепенным снижением скорости подъема уровней. Темп снижения расхода перетекания различен для разных этапов затопления.
По результатам тестирования можно сделать вывод, что прогноз затопления горных выработок необходимо проводить минимум в два этапа:
1) решение эпигонозной задачи в стационарной постановке при работе действующей шахты. В ходе решения эпигнозной модели уточняются фильтрационные характеристики водоносных горизонтов и водоупорных толщ посредством калибрации модели по имеющимся данным натурных замеров уровней подземных вод и расходов дренажной системы шахтного поля. Стационарная модель позволяет получить распределение напоров в угленосной толще на момент установления нарушенного эксплуатацией горных выработок гидродинамического режима. Эти напоры используются как начальные условиями для нестационарной модели, имитирующей собственно процесс затопления горных выработок во времени.
2) решение прогнозной задачи (скорость затопления горной выработки) в нестационарной постановке. Рассмотрение задачи в нестационарной постановке позволяет проследить изменение гидродинамического режима во времени и выделить момент его установления, т.е. достижения квазистационара. В ходе решения прогнозной задачи уточняется сроки и последствия полного затопления шахтного поля, влияние затопления одного шахтного поля на изменение водопритоков в действующие выработки смежных шахтных полей.
При наличии информации о естественном (не нарушенном) режиме фильтрации на участке шахтных полей первым этапом решается задача по моделированию естественного режима, с дальнейшим выполнением перечисленных выше этапов. Однако, чаще всего, подобные сведения отсутствуют либо представлены в недостаточном объеме.
Тест № 2. Отработка методики моделирования горной выработки в наклонных пластах в нестационарной постановке задачи при затоплении одной из двух шахт.
Целью эксперимента являлась оценка влияния водопритоков в действующую горную выработку при затоплении соседней выработки и оценка скорости затопления ликвидируемой горной выработки при наличии работающей шахты.
Постановка задачи. На численной геофильтрационной модели имитируется крыло угленосной мульды мощностью порядка 4 м, отрабатываемое на двух соседних участках, при этом зона водопроводящих трещин (ЗВТ) не вскрывает приповерхностный водоносный комплекс. Задача решается в трехмерной постановке. В плане модель разбита на неравномерные прямоугольные элементарные ячейки, площадь которых увеличивается к периферии. Таким образом, площадь каждой элементарной ячейки в районе
Мощность приповерхностного водоносного горизонта составляет 100 м, коэффициент фильтрации - Кф=1 м/сутки. Слабопроницаемые угленосные отложения с коэффициентом фильтрации Кф=5-10"4 м/сутки содержат техногенный комплекс от свиты угольных пластов, образовавшийся в результате ведения подземных горных работ. Мощность горизонта - 70 м, по фильтрационным свойствам среда техногенного горизонта принимается гораздо более проницаемой, чем вышележащие ненарушенные отложения: коэффициент фильтрации по вертикали принят равным 100 м/сутки. Питание моделируемой толщи осуществляется за счет атмосферных осадков, также по периметру моделируемой зоны задана граница первого рода с постоянным напором. Приток в горные выработки формируется за счет перетекания через слабопроницаемые отложения по площади мульды (ю=2,5-10 4 м/сутки). Гравитационная водоотдача толщи составляет величину jLirp=5-10" , коэффициент упругоемкости принималась равной ыУпр=10"5 1/м. Схема модели в профиле А-А представлена на рисунке 4.6.