Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Производственная и экологическая безопасность при затоплении угольных шахт 12
1.1 Анализ изученности вопроса 12
1.2 Типизация гидрогеологических условий затопления шахт по сложности прогноза техногенного режима 30
1.3 Мероприятия по управлению режимом затопления шахт 51
Глава 2. Разработка методических аспектов численного моделирования геофильтрационных процессов, развивающихся при затоплении шахт 56
2.1 Специфика методики моделирования условий затопления шахт и подтопления земной поверхности 56
2.2 Численные эксперименты по разработке методики моделирования процесса затопления горных выработок 64
2.3 Рекомендации по применению численных геофильтрационных моделей при имитации процесса затопления горных выработок 100
Глава 3. Оценка скорости затопления горных выработок аналитическими методами 104
3.1 Аналитические зависимости для расчета скорости затопления горных выработок 104
3.2 Результатьт тестирования предлагаемых аналитических решений с использованием численного моделирования 112
Глава 4. Концепция создания информационно-аналитической системы для анализа и прогноза условий затопления шахт 117
4.1 Общая структура информационно-аналитической системы 117
4.2 Блок объективной информации 119
4.3 Информационно-аналитический блок 120
4.4 Блок аналитических расчетов скорости затопления шахт 132
4.5 Блок численного моделирования 137
4.6 Блок обобщения полученных результатов и принятия инженерных решений
Глава 5. Результаты численного моделирования затопления шахт в Шахтинско-Несветаевском районе 147
5.1 Общая характеристика Шахтинско-Несветаевского района Восточного Донбасса 147
5.2 Геологическое строение объекта исследований 148
5.3 Гидрогеологическое строение Шахтинско-Несветаевской синклинали 151
5.4 Использование численного моделирования для прогноза негативных последствий ликвидации шахты «Глубокая» в Шахтинском районе 156
5.5 Использование численного моделирования для прогноза техногенного режима приповерхностного водоносного комплекса при затоплении группы шахтных полей в Новошахтинском районе 162
Заключение 170
Библиографический список 172
Приложение
- Типизация гидрогеологических условий затопления шахт по сложности прогноза техногенного режима
- Численные эксперименты по разработке методики моделирования процесса затопления горных выработок
- Результатьт тестирования предлагаемых аналитических решений с использованием численного моделирования
- Блок аналитических расчетов скорости затопления шахт
Введение к работе
Актуальность работы
Массовое закрытие в России угольных шахт, проводимое в последние годы согласно Государственной программе реструктуризации угольной промышленности, затронуло все основные угольные бассейны страны. Так, в Восточном Донбассе в пределах Шахтинского и Новошахтинского угольных районов из 46 шахт в настоящее время осталась в эксплуатации только одна, остальные ликвидируются путем затопления.
Опыт ликвидации угольных шахт, накопленный к настоящему моменту, свидетельствует о развитии под воздействием затопления шахт разнообразных, зачастую опасных, природно-техногенных процессов. Технические ликвидационные мероприятия и вызываемые ими природно-техногенные процессы охватывают значительные территории в угледобывающих районах региона и нередко - в пределах городов и крупных шахтерских поселков. Проявляющиеся при этом негативные последствия приобретают особую значимость. В результате подтопления территорий, возникающего за счет повышения уровней грунтовых вод, нарушается нормальная эксплуатация жилых зданий, гражданских или промышленных сооружений, ухудшаются условия сельскохозяйственной деятельности. Возможен также излив на земную поверхность шахтных вод с повышенной минерализацией - для проектирования очистных сооружений необходима информация о расходе шахтных вод и их составе. В определенных условиях затопление шахт может сопровождаться прорывами шахтных вод в эксплуатируемые шахты.
Прогноз условий затопления шахт и подтопления территорий является сложной проблемой, обусловленной объективными трудностями схематизации гидродинамических процессов, а также дефицитом информации об изменении уровенного режима природно-техногенных водоносных комплексов по мере затопления глубоких шахт. Анализ и прогноз гидродинамических процессов при затоплении шахт целесообразно выполнять с применением численных геофильтрационных моделей, однако при этом необходимо совершенствование методики моделирования с учетом специфики питания и разгрузки водоносных комплексов, а также особых граничных условий на затапливаемых выработках, влияние которых различно проявляется на этапах эксплуатации и ликвидации шахт.
В развитие теории и методики применения численного моделирования в горнопромышленной гидрогеологии внесли весомый вклад В. М. Шестаков, И. Е. Жернов, В. А. Мироненко, Л. Лукнер, И. К. Гавич, И. С. Пашковский, ПК. Коносавский, Ф. П. Стрельский, Е. А. Ломакин, И. Б. Петрова, В.Г. Румынии, сотрудники компании Геолинк А.А. Рошаль, И.Г. Гомберг, Р.С. Штенгелов и др.; изучению техногенного режима подземных вод при эксплуатации и ликвидации горнодобывающих предприятий посвящены многие работы Ю. А. Норватова.
Существующие до настоящего времени разработки, учитывающие опыт применения численного моделирования для решения конкретных гидрогеологических задач шахтной гидрогеологии, касались в основном стадии разведки шахтного поля, проектирования угледобывающего предприятия и стадии его эксплуатации. Вопросы методики моделирования геофильтрационных процессов, развивающихся при затоплении шахт, не изучены в полной мере. Принципиальные подходы к численному моделированию геофильтрационных процессов, развивающихся при ликвидации шахт, имеют ряд особенностей, обусловленных наличием гетерогенного по емкостным свойствам техногенного водоносного комплекса высокой проницаемости, сформированного при проходке горных выработок. Апробированные программы численного моделирования процессов геофильтрации должны быть адаптированы к специфике гидрогеологических задач, решаемых при анализе и прогнозе условий затопления шахты, в связи с чем разработка методики анализа и прогноза геофильтрационных процессов, развивающихся при ликвидации шахт, является актуальной научно-практической задачей, решению которой и посвящена настоящая работа.
В современном понимании гидрогеологический мониторинг затопления шахт трактуется как система целенаправленных гидрогеологических наблюдений, сопровождающихся их интерпретацией с целью анализа и прогноза гидродинамического режима и разработкой мероприятий по минимизации негативных последствий затопления шахт. В такой постановке гидрогеологический мониторинг требует системного подхода, который может быть реализован с помощью информационно-аналитических систем.
Целевой функцией подобной системы является обеспечение производственной и экологической безопасности путем повышения эффективности технических мероприятий, сопровождающих затопление шахты. Надежность прогноза техногенного режима подземных вод обеспечивается достоверной гидродинамической схематизацией природно-техногенной структуры месторождения. Применение численного моделирования позволяет решить ряд практических задач, таких как: прогноз водопритоков в подземные горные выработки для оценки условий их затопления; прогноз уровенного режима водоносных пластов при ликвидации шахт для обеспечения безопасности горных работ на соседних шахтах, а также для решения природоохранных задач на шахтных полях; обоснование целесообразности организации дренажных мероприятий на подтопленных территориях, определение оптимальных параметров дренажных сооружений и условий их эксплуатации.
Вышеизложенное позволило сформулировать задачи исследований, последовательность решения которых определила структуру работы. Часть диссертационных исследований выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ, проводимых лабораторией гидрогеологии и экологии ВНИМИ в Восточном Донбассе.
Цель, работы состоит в повышении надежности обоснования инженерных мероприятий, обеспечивающих экологическую и промышленную безопасность при затоплении шахт.
Основная идея работы заключается в том, что анализ техногенного режима действующей шахты и прогноз условий ее затопления выполняется в рамках единой гидрогеологической схематизации, основанной на дифференциации источников водопритоков в шахты в период эксплуатации с использованием численного моделирования.
Задачи исследований:
Установление закономерностей формирования водопритоков в затапливаемые горные выработки шахт.
Совершенствование методики анализа и прогноза развивающихся при затоплении шахт гео фильтрационных процессов на базе их численного моделирования.
Разработка аналитических решений для прогноза скорости затопления горных выработок.
Разработка концепции создания информационно-аналитической системы для гидрогеологического мониторинга затопления шахт.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение результатов натурных наблюдений, и экспериментальные исследования геофильтрационных процессов с использованием математического моделирования.
Методика работ включала: анализ проведенных ранее исследований по теме диссертационной работы; геологический и гидрогеологический анализ условий затопления шахт Восточного Донбасса; численное моделирование геофильтрационных процессов и исследование на его основе закономерностей техногенного режима подземных вод, развивающегося при ликвидации шахт; оценку параметров водоносных комплексов на основе имитационного численного моделирования условий проведения опытно-фильтрационных работ.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Закономерности изменений водопритоков в затапливаемые шахты определяются характером природно-техногенных гидрогеологических структур, сформировавшихся при ведении очистных горных работ. Идентификация природно-техногенных структур должна выполняться на численных геофильтрационных моделях путем имитации техногенного режима подземных вод, формируемого в разные периоды эксплуатации шахты.
Характер затопления горных выработок зависит от нелинейного проявления гетерогенности техногенного комплекса по емкостным свойствам и упругоемкости водонасыщенного породного массива, перекрывающего техногенный комплекс, поэтому прогноз режима затопления шахт должен выполняться с применением численных гео фильтрационных моделей, учитывающих строение моделируемых природно-техногенных гидрогеологических структур и нестационарность геофильтрационных процессов.
Продолжительность затопления горных выработок до подошвы приповерхностного водоносного комплекса может быть оценена на основе предлагаемой методики аналитических расчетов, учитывающих недостаток насыщения и упругоемкость затапливаемых природно-техногенных структур.
Научная новизна работы
Разработана методика дифференцирования условий затопления шахт по характеру формирования водопритоков в горные вьфаботки в период их эксплуатации и ликвидации;
Разработана методика расчета скорости затопления горных выработок с использованием аналитического аппарата;
Разработаны новые методические приемы моделирования гидродинамического режима при имитации процесса затопления шахт, а также сформулированы требования к структуре моделей, предназначенных для анализа и прогноза геофильтрационных процессов, сопровождающих затопление;
4. Разработана концепция информационно-аналитической системы, ориентированной на применение численных геофильтрационных моделей для гидрогеологического мониторинга процессов затопления шахт и обоснования инженерных мероприятий, направленных на обеспечение экологической и промышленной безопасности горных работ.
Личный вклад автора: проведен анализ и обобщение ранее полученных результатов по теме диссертационной работы; выполнена типизация условий затопления горных выработок, основанная на анализе характера формирования водопритоков в период эксплуатации шахты; разработана методика прогноза условий затопления шахт с использованием численных геофильтрационных моделей; - разработаны и протестированы на численных геофильтрационных моделях аналитические зависимости для расчета скорости затопления горных выработок; - предложена концепция создания информационно-аналитической системы, ориентированной на применение численного моделирования для анализа и прогноза техногенного режима при затоплении шахт в рамках гидрогеологического мониторинга.
Достоверность разработанных научных положений и выводов обеспечена результатами натурных наблюдений за режимом затопления шахт, представительным объемом проведенных численных экспериментов и совпадением прогнозных оценок техногенного режима с натурными наблюдениями на шахтах «Глубокая», «Южная», «Майская» и др. в Восточном Донбассе.
Практическое значение работы заключается в том, что на основе разработанной методики моделирования выполнен анализ и прогноз условий затопления группы шахт, расположенных в пределах Шахтинско-
Несветаевской синклинали в Восточном Донбассе, и предложены мероприятия по обеспеченшо промышленной и экологической безопасности при затоплении этих шахт. Разработанная методика анализа и прогноза процесса затопления шахт с использованием численного моделирования может применяться при разработке проектов ликвидации горнодобывающих предприятий на других месторождениях угля и твердых полезных ископаемых.
Создание информационно-аналитических систем позволит оптимизировать методику гидрогеологического мониторинга и инженерные мероприятия по охране окружающей среды и обеспечению безопасных условий эксплуатации и ликвидации горнодобывающих предприятий.
Предложенные подходы к пересмотру данных гидрогеологической разведки с использованием современных компьютерных технологий позволяют уточнить полученные ранее фильтрационные параметры исследуемых водоносных комплексов и, следовательно, повысить достоверность гидрогеологических прогнозов затопления шахтных полей.
Реализация работы. Основные результаты работы использованы при разработке мероприятий по предотвращению нежелательных экологических последствий затопления ряда шахт ОАО «Ростовуголь» в Восточном Донбассе и отражены в научно-исследовательских работах по темам 233-Г-НИИ-ОЗ "Разработка прогноза гидрогеологических последствий ликвидации шахт Новошахтинского района Ростовской области и обоснование мероприятий по обеспечению экологической и производственной безопасности", 235-Г-ПЛ-МЭ-18 «Исследование причин увеличения проектного водопритока шахтных вод, выходящих на земную поверхность при затоплении шахты им. Красина ОАО «Ростовуголь» и разработка мероприятий по предотвращению экологических последствий», № 247-Г-ПЛ-МЭ-18 «Проведение гидрогеологических исследований и создание геофильтрационных моделей, обеспечивающих экологическую защиту населения, на шахте «Глубокая» ОАО «Ростовуголь», а также ГК № 457-Г-НИИ-04 «Создание и апробация в промышленных условиях информационно-аналитической системы для мониторинга гидрогеологической среды с целью обеспечения производственной и экологической безопасности на полях угольных шахт и разрезов»
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI века», г. Саратов, 2002 г., на молодежной сессии Сергеевских чтений, годичная сессия Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, Москва, 2003 г. и на Толстихинских чтениях, СПб, СПГТИ, 2004 г. и 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав, введения и заключения, изложенных на 2. о 2. страницах, и сопровождается списком использованной литературы из 87 наименований, 96 рисунками и И таблицами.
Искреннюю благодарность за всестороннюю помощь и поддержку автор приносит своему научному руководителю - кандидату гео лого-минералогических наук И. Б. Петровой. За неоценимую помощь и методическое руководство автор благодарит член-корреспондента Российской академии естественных наук профессора Ю. А. Норватова. Автор считает своей приятной обязанностью поблагодарить коллектив лаборатории гидрогеологии и экологии ВНИМИ, возглавляемый доктором технических наук Ю. И. Кутеповым, за содействие в проведении исследований и обсуждение результатов работы. Особую благодарность автор приносит коллективу Северо-Кавказского представительства ВНИМИ и его директору кандидату технических наук А. М. Ефимову за сотрудничество и предоставленные материалы.
Типизация гидрогеологических условий затопления шахт по сложности прогноза техногенного режима
Ликвидация нерентабельных угольных шахт путем их затопления, как правило, представляет собой сложный комплекс технических мероприятий. Обеспечение производственной и экологической безопасности при частичном или полном затоплении шахт предопределяет необходимость выполнения квалифицированного прогноза негативных последствий затопления и осуществление на его основе ряда инженерных мероприятий, направленных на управление гидродинамическими, геомеханическими и геодинамическими процессами. Контроль эффективности этих мероприятий при их реализации базируется на результатах натурных наблюдений за развитием нежелательных процессов (составной части гидрогеологического мониторинга). Целенаправленные наблюдения за процессами затопления шахт необходимы также и при благоприятных прогнозах для контроля достоверности последних. По результатам наблюдений возможна обоснованная корректировка проектных решений или выполнение оперативных мероприятий по обеспечению безопасности ликвидационных работ.
Особенности наблюдаемого при затоплении шахт гидродинамического режима подземных вод зависят от сочетания природной гидрогеологической структуры месторождения, техногенных изменений проницаемости породных массивов в процессе ведения очистных работ и условий гидравлической связи затапливаемых шахт с соседними эксплуатируемыми. Типизация гидрогеологических условий ликвидируемых шахт с учетом характера их взаимосвязи с действующими шахтами позволит оценить сложность выполнения гидрогеологического прогноза техногенного режима затопления шахты или группы шахт, выбрать методы прогноза, определить направленность и сформулировать задачи гидрогеологического мониторинга, являющегося неотъемлемой частью гидрогеологических исследований при затоплении шахт.
В середине девяностых годов институтом ВНИМИ были выпущены методические документы, направленные на разработку методической основы оценки гидрогеологических условий ликвидации угольных шахт, обоснования мероприятий по управлению режимом подземных вод и организации систем мониторинга на полях ликвидируемых шахт [27]. Ранее были разработаны также типовые расчетные схемы-модели, отражающие условия формирования водопритоков в затапливаемые выработки [35]. Однако с конца девяностых годов накоплен значительный опыт ликвидации шахт во многих угольных регионах с различными гидрогеологическими условиями. Массовое затопление шахт закончено, но последствия этих мероприятий проявляются и могут проявляться далее в течение многих лет. Обобщение результатов исследований последних лет с разработкой методических рекомендаций по прогнозу условий и обоснованию инженерных мероприятий, направленных на предупреждение, ограничение и контроль подтопления земной поверхности и других нежелательных изменений режима подземных и грунтовых вод, позволит повысить экологическую безопасность затопления шахт.
Обоснование типовой гидрогеологической модели затапливаемой шахты с переходом к расчетной гидродинамической схеме должно выполняться на основе анализа условий формирования водопритоков в горные выработки в процессе ведения очистных работ. Как правило, мы располагаем достоверной информацией об изменении водопритоков в шахты в период их эксплуатации и прогнозная задача может и должна решаться на основе анализа многолетнего эпигнозного периода эксплуатации шахты. Хронологический график изменений водопритоков в шахту при увязке этих изменений с условиями выемки угольных пластов может служить критерием (или индикатором) для выбора той или иной типовой схемы-модели, в рамках которой целесообразно выполнять прогноз режима затопления шахты.
Опыт ликвидации шахт путем затопления в различных угольных регионах, и в Восточном Донбассе особенно, подтвердил, что оценка гидрогеологических условий затопления одной или нескольких из группы близко расположенных шахт является весьма сложной. Обеспечение безопасности эксплуатируемых шахт, гидравлически связанных с затапливаемыми горными выработками, при определенных условиях может существенно усложнить выполнение гидрогеологического прогноза последствий затопления. Учет характера взаимосвязи ликвидируемых и действующих шахт зачастую требует комплексной оценки условий и высокой квалификации привлекаемых специалистов.
Ниже рассмотрена типизация гидрогеологических условий затопления шахт с позиций оценки сложности выполнения прогноза негативных последствий их ликвидации, включающая типовые гидрогеологические схемы-модели, разработанные с учетом изложенных принципов.
Типизация основана на анализе гидрогеологических условий формирования и характера изменения водопритоков в затапливаемые выработки в течение всего периода эксплуатации шахты. Вторым значимым фактором, влияющим на степень сложности прогнозов при затоплении шахты, являются горнотехнические условия ликвидации шахты - условия гидравлической связи затапливаемой шахты с соседними ликвидируемыми, и в особенности, эксплуатируемыми. Классификация условий гидродинамической связи горных выработок приведена ниже в параграфе 1.2.2. Сложность выполнения прогноза в целом определяет совокупность этих двух факторов.
Численные эксперименты по разработке методики моделирования процесса затопления горных выработок
Цель численного эксперимента. Целью первого теста являлась проверка общих методических подходов к моделированию нестационарного процесса затопления горных выработок — задание начальных условий, этапность процедуры моделирования, проверка чувствительности модели к величине упругой водоотдачи слабопроницаемой толщи.
Постановка задачи. На численной геофильтрационной модели имитируется угленосная мульда, отрабатываемая в условиях, соответствующих гидродинамической схеме 1 б типизации гидрогеологических условий -покровные отложения практически отсутствуют, на выходах угольного пласта высота зоны водопроводящих трещин (ЗВТ) превышает глубину отработки. Слабопроницаемые угленосные отложения с коэффициентом фильтрации Кф=2-10" м/сут вмещают техногенный водоносный горизонт, образовавшийся в результате ведения подземных горных работ. Мощность горизонта 100 м, коэффициент фильтрации принят равным 100 м/сут. Питание моделируемой толщи осуществляется за счет атмосферных осадков, интенсивность инфильтрации по площади мульды составляет (0\=2-Ю 4 м/сут, на участках ведения очистных работ на минимальных глубинах - 2=5-10"4 1/м. Гравитационная водоотдача толщи составляет величину (1 =5-10"3, упругоемкость последовательно принималась различной от р.упр=5-10"5 1/м до цупр=10" 1/м. Гидродинамическая схема модели представлена на рис. 2.1. Полученные в результате моделирования этапа эксплуатации средние напоры были приняты в качестве исходных для этапа затопления шахты.
Затопление происходило при постоянной величине инфильтрационного питания. График затопления горных выработок при различной упругоемкости толщи представлен на рис 2.2. Анализируя графики можно констатировать, что для геофильтрационной модели данного типа темпы подъема уровней в горных выработках при ликвидации шахты во многом определяются значением упругой водоотдачи слабопроницаемой толщи. Следовательно, для повышения надежности прогноза затопления горных выработок упругие характеристики угленосных отложений должны быть определены с точностью менее одного порядка, в противном случае следует прибегать к диапазонным оценкам.
В целом тест показал, что имитацию процесса затопления следует проводить в два этапа. Стационарная модель позволяет получить распределение напоров в угленосной толще на конец периода эксплуатации шахты. Эти напоры являются начальными условиями для нестационарной модели, имитирующей собственно процесс затопления. Чувствительность модели к величине упругой водоотдачи предъявляет высокие требования к исходным материалам: единственным источником данных о емкостных параметрах водоносной толщи являются материалы кустовых откачек, проведенных на стадии детальной разведки месторождения, а также режимные наблюдения, проведенные на стадии его освоения и эксплуатации.
Тест выполнялся с целью отработки методики моделирования затопления горных выработок в слоистых толщах с постоянным уровнем подземных вод в приповерхностном водоносном горизонте.
Тест имитирует ситуацию, близкую к условиям гидродинамической схемы типа 3 с формированием водопритоков в выработки за счет перетекания из взаимодействующего комплекса. Слабопроницаемые угленосные отложения, образующие мульду, перекрыты хорошо проницаемыми водообильными породами, образующими приповерхностный питающий горизонт с коэффициентом фильтрации 1 м/сут. Угольные пласты отрабатываются на глубинах, превышающих высоту зоны водопроводящих трещин (ЗВТ), которая не подсекает приповерхностный водоносный комплекс (рис. 2.3). Слабопроницаемые отложения имеют коэффициент фильтрации 10"4 м/сут, коэффициент упругоемкости 10"5 1/м. Техногенный водоносный комплекс мощностью 100 м, характеризуется коэффициентом фильтрации 1,5 м/сут, гравитационной водоотдачей 5-Ю"3, коэффициентом упругоемкости 10"6 1/м.
Профильная геофильтрационная модель состоит из трех слоев, имитирующих приповерхностный водоносный комплекс мощностью 100 м, относительный водоупор переменной мощности и техногенный водоносный комплекс. В первом слое модели задан постоянный напор соответствующий абсолютной отметке -50 м.
Результатьт тестирования предлагаемых аналитических решений с использованием численного моделирования
Цель численного эксперимента. Целью создания численной модели являлась проверка предложенных аналитических зависимостей. Постановка задачи. Задача решалась в профильной постановке, граничные условия максимально приближены к расчетной схеме аналитического решения. По горизонтали профильная геофильтрационная модель разбита на 24 блока длинной от 23 до 54 м. В плане модель представляет собой полосу длиной 2000м. По вертикали модель представлена 11 слоями. Верхний слой модели имитирует хорошо проницаемый (питающий) приповерхностный водоносный горизонт мощностью 150 метров. В этом слое модели задан постоянный напор, соответствующий абсолютной отметке +60 м. Нижний слой модели приурочен к техногенному водоносному горизонту мощностью 50 метров, образованному в результате ведения горных работ. Слои 2-10 представляют собой слабопроницаемые угленосные отложения. Приток в горные выработки формируется за счет перетекания через слабопроницаемые отложения по площади поля и на минимальных глубинах отработки. Коэффициент фильтрации слабопроницаемых угленосных отложений был принят равным Кф=10" м/сут. Проницаемость техногенного водоносного горизонта принимается равной Кф=10 м/сут. Гравитационная водоотдача толщи принимается равной величине хф-5 10"3, а ее упругоемкость принималась равной ЦуПр=10"6 1/м. По характеру фильтрации 1-10 пласты напорные, 11 - напорно-безнапорный. Приток в горные выработки формируется за счет перетекания через слабопроницаемые отложения по площади поля и на минимальных глубинах. Имитация процесса затопления проводится два этапа.
Стационарная модель позволяет получить распределение напоров в угленосной толще на конец эксплуатации шахты. Эти напоры являются начальными условиями для нестационарной модели, имитирующей собственно процесс затопления. Эпигнозиая задача Основной целью моделирования на первом этапе работы с моделью являлась оценка техногенного режима фильтрации подземных вод на момент эксплуатации шахты в стационарной постановке. На этом этапе в качестве граничных условий по слою, содержащему техногенный водоносный горизонт, задавались постоянные напоры, соответствующие верхней границе ЗВТ. Напор в приповерхностном водоносном горизонте принят постоянным, т. е. принята предпосылка о высокой водообильности приповерхностного водоносного горизонта, таким образом, по первому слою задалось граничное условие I рода. Питание системы происходит за счет перетекания через слабопроницаемые отложения по площади поля и на минимальных глубинах, а разгрузка системы осуществляется горными выработками. В результате решения эпигнозной задачи было получено распределение напоров по слоям модели (2-10) и определен суммарный расход поступающий в горные выработки. Водоприток в шахту составляет 2590,5 м /сут, основная часть - 1080 м3/сут - поступает в горные выработки на минимальных глубинах, остальной приток распределен по площади горных работ равномерно. Прогнозная задача (затопление) В качестве начальных напоров при решении прогнозной задачи по затоплению горных выработок принимались напоры, полученные при решении эпигнозной задачи. Задача решалась в нестационарной постановке. Предварительно была проведена проверка модели на чувствительность к временной разбивке при различном количестве временных шагов на каждые 100 сут при прочих равных условиях. Результаты численных экспериментов (рис. 3.4) подтвердили, что учитывая нелинейность процесса, модель показывает высокую чувствительность к дробности временной разбивки - стабилизация составляющих баланса наступает при количестве временных шагов, большем 300 - 400. Время подъема уровня подземных вод в техногенном водоносном горизонте до уровня в приповерхностном горизонте составило приблизительно 450 суток. Для сравнения с аналитическими решениями рассчитывалось время затопления горных выработок до абсолютных отметок -600 м, -400 м и -200 м (таблица 3.1). Результаты моделирования и графики подъема уровней, построенные согласно аналитическим решениям представлены на рис.3.5. Из рисунка видно, что первая аналитическая зависимость значительно завышает скорость подъема уровней, а наилучшее совпадение с данными моделирования показывает расчет по третьей зависимости.
Блок аналитических расчетов скорости затопления шахт
Аналитических расчет скорости затопления горных выработок проводится для получения оператипных ориентировочных оценок, либо в простых гидрогеологических условиях, когда применение численного моделирования нецелесообразно. В составе блока предлагается три аналитических зависимости, описание которых приведено в трсьей главе диссертации. В общем случае продолжительность затопления горных выработок до отметки, соответствующей отметке приповерхностного водоносного горизонта, определяется в зависимости от характера природно-техногеннои структуры шахтного поля (рис. 4.10). В рамках научно-исследовательской работы по теме совместно с И. Цветковой предложенные зависимости были оформлены в виде программного продукта, позволяющего проводить вычисления при выделении до 10 расчетных интервалов включительно. Ниже приводится алгоритм выполнения расчетов, использованный при написании программы. Зависимость 1. Оценка скорости затопления горных выработок постоянным расходом с учетом упругоемкости только техногенного комплекса формула: Расчет: Вводится водоприток Q, размерность м /сутки; Вводится коэффициент упругоемкости техногенного комплекса рт, размерность 1/м; ВВОДИТСЯ Значение ВЫСОТЫ ЗОНЫ ВОДОПрОВОДЯЩИХ ТреЩИН Н3вт или вычисляется Нзвт согласно таблице (4И): для расчета вводится m - мощность пласта, м Четвертым блоком информационно-аналитической системы является блок численного моделирования гео фильтрационных процессов при затоплении шахт. Возможен двоякий подход к структуре блока моделирования. В одном случае, в блок численного моделирования может быть внедрена прикладная программа, предназначенная для математического (численного) моделирования геофильтрационных процессов. В другом случае, блок может содержать совокупность данных, необходимых для расчетов на численной модели, в стандартизованном (унифицированном) виде, например, в виде матриц. Следует иметь в виду, что интеграция блока численного моделирования в полном объеме в едином программном продукте вряд ли целесообразна.
Во-первых, встройка этого блока в единую программную среду требует дополнительных программных разработок и резко увеличивает стоимость системы в целом. Во-вторых, что с нашей точки зрения имеет принципиальное значение, лишает пользователя информационно-аналитической системы права выбора программы для численного моделирования. Более того, если работа с хорошо организованной базой данных доступна гидрогеологу средней квалификации, то работа с численной моделью требует специальной подготовки и может быть доступна только специалистам, имеющим опыт моделирования. Именно с этих позиций предлагается организовать блок в целом так, чтобы в нем подготавливать исходные данные для моделей с оформлением информации в виде массивов. Здесь же целесообразно зарезервировать возможность визуализации информации по результатам моделирования (в виде графиков, карт и таблиц). Следует отметить, что моделирование условий затопления шахт характеризуется некоторыми особенностями. В частности, решение прогнозных гидрогеологических задач на численных моделях должно базироваться на результатах калибровки этих моделей при имитации на них периода затопления шахт. Специфические требования предъявляются к вычислительной схематизации при подготовке моделей. Наконец, при решении прогнозных задач зачастую необходимо сочетание региональных (мелкомасштабных) и локальных (детальных) моделей. Блок численного моделирования может включать в себя также миграционную модель и данные, необходимые для ее создания. Целесообразность применения миграционных расчетов определяется, с одной стороны, остротой гидрохимических проблем, стоящих в конкретном регионе, и полнотой информации о гидрохимической ситуации как текущей, так и эпигнозной, с другой, стороны. В любом случае следует иметь в виду, что основу миграционной модели всегда составляет создаваемая ранее геофильтрационная (гидродинамическая) модель, соответственно являющаяся обязательной составляющей блока.
