Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки україни

національний гірничий університет

УДК 622.5: 622.841: 622.847

Обґрунтування параметрів дренування геомеханічно порушених шахтних полів Центрального району Донбасу

Спеціальність 05.15.09 - Геотехнічна і гірнича механіка

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Подвігіна Олена Олегівна

Дніпропетровськ 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у лабораторії гідрогеологічних досліджень Дніпропетровського відділення Українського державного геологорозвідувального інституту Міністерства охорони навколишнього природного середовища України і на кафедрі гідрогеології та інженерної геології у Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ) САДОВЕНКО Іван Олександрович

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник, завідувач відділу охорони надр і зрушення земної поверхні Українського державного науково-дослідного і проектно-конструкторського інституту гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України (м. Донецьк); ПІТАЛЕНКО Євген Іванович

кандидат технічних наук, науковий співробітник відділу проблем розробки корисних копалин на великих глибинах Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ) СЛАЩОВА Олена Анатоліївна

Захист відбудеться “13” лютого 2009 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49600, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19, т. (0562) 47-24-11)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України ( 49600, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19).

Автореферат розісланий “_13__” січня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04

кандидат технічних наук, доцент Солодянкін О.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. З вуглевидобувною галуззю Донбасу пов'язане ускладнення геотехнічного стану регіону, порушення рівноваги у системі „рівень підземних вод - породний масив - денна поверхня”. Сумарне техногенне навантаження тут у 4 рази перевищує середнє в Україні. Ведення гірничих робіт з порушенням надр та регіональними змінами взаємодії поверхневих і підземних вод сприяє інтенсивному дренуванню водоносних горизонтів, змінює геотехнічну обстановку - зменшується цілісність і стійкість масиву гірських порід, відбувається просідання поверхні землі, змінюється поверхневий стік при підробці річок і ярів. Закриття вугільних шахт призводить до підйому рівня підземних вод і підтоплення (заболочення) значних площ (? 290 км²), а також до розвитку цілого ряду негативних наслідків - створюються небезпечні умови для проживання населення, виникає загроза для залізниць, нафтопроводів, мереж енергопостачання. Останнім часом процес підтоплення в країні розглядається на рівні національної безпеки.

Напрямками поліпшення гідродинамічного стану як домінуючої складової геотехнічних змін у регіоні є передбачення наслідків техногенного навантаження, попередження та прийняття заходів щодо запобігання й мінімізації погіршення геотехнічної ситуації.

З урахуванням масштабу і значимості проблеми захисту території від підтоплення необхідність прогнозування змін гідродинамічної обстановки та обґрунтування параметрів регулювання рівневого режиму підземних вод у межах геомеханічно порушених шахтних полів, а також необхідність розробки заходів, спрямованих на покращення геотехнічної ситуації, є актуальною науково-технічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках державної бюджетної теми № 502 “Методичне супроводження робіт геологічних підприємств щодо підготовки матеріалів для моделювання гідрогеологічних умов Донбасу” (реєстраційний номер 0103U003887) у відповідності з Постановою Кабінету Міністрів України від 30.03.98 р. № 391 “Про затвердження положення про державну систему моніторингу довкілля”, а також відповідає напрямкам НДР у Національному гірничому університеті (номера держреєстрації 0104U000785, 0105U000513).

Мета роботи - обґрунтування параметрів дренування геомеханічно порушених шахтних полів для захисту поверхневих об'єктів від підтоплення на прикладі Центрального району Донбасу.

Для досягнення мети необхідно було вирішити наступні задачі.

1. Проаналізувати сучасний стан впливу процесів вуглевидобутку на гірський масив для визначення домінуючих факторів, що характеризують геотехнічний стан шахтних полів Центрального району Донбасу.

2. Обґрунтувати математичну модель гідродинамічних процесів у регіоні. гірський вуглевидобуток геотехнічний донбас

3. Виконати моделювання геофільтрації підземних вод в елементах геотехнічної системи „шахта - підземні води” для визначення змін у геомеханічно порушеному гірському масиві.

4. Обґрунтувати основні елементи технічних рішень з регулювання рівневого режиму шахтних полів та виконати варіантний аналіз ефективності технічних рішень.

Ідея роботи полягає у відтворенні за допомогою методу математичного моделювання палеогідродинамічної обстановки регіону, що є основою для визначення змін у геотехнічній системі „шахта - підземні води” і врегулювання гідродинамічної ситуації у геомеханічно порушеному гірському масиві.

Об'єкт досліджень - гідродинамічні процеси в межах окремого шахтного поля і гірничопромислового регіону в цілому.

Предмет досліджень - закономірності формування рівневого режиму підземних вод у гірському масиві й на поверхні шахтних полів при роботі й закритті шахт.

Методи досліджень. При виконанні роботи застосований комплексний метод дослідження, який включає: наукове узагальнення та систематизацію матеріалів для оцінки сучасного впливу гідродинамічних процесів на гірський масив і визначення його геотехнічного стану в межах впливу гірничих робіт; математичне моделювання процесу фільтрації підземних вод; факторно-діапазонний аналіз з визначенням домінуючих факторів впливу на гідродинамічний режим у гірському масиві; варіантний аналіз інженерних рішень і параметрів технічного регулювання рівнем підземних вод.

Наукові положення, що виносяться на захист.

1. Вплив підземних вод на геотехнічний стан території Центрального району Донбасу обумовлений збільшенням коефіцієнта фільтрації масиву гірських порід до 100 разів, гравітаційної ємності до 14 разів та збільшенням інфільтраційного живлення до 3,5 разів, що призвело до інверсії фільтраційних течій у зонах розвантаження підземних вод у порівнянні з палеогідродинамічними умовами і складає передумови формування геотехнічного стану території з затопленням і підтопленням 33 % поверхні регіону.

2. Регулювання рівневого режиму шахтних полів досягається на диференціації дільниць з досягненням показника інтенсивності водовідливу при роботі шахт у режимі гідрозахисту до 0,0007 м/доб, а також на суміщенні систематичного горизонтального дренажу в долинах річок з коефіцієнтом фільтрації порід понад 2 м/доб та променевого дренажу для локального захисту споруд від підтоплення підземними водами, що в цілому дозволяє перебудувати геотехнічну систему до безпечного рівня.

Наукова новизна одержаних результатів:

– обґрунтована математична модель у вигляді системи скінченно-різницевих рівнянь, в якій застосована удосконалена методика відтворення граничних умов, що адекватно відображає процес геофільтрації в геомеханічно порушеному гірському масиві та на поверхні шахтних полів;

– уперше відтворена палеогідродинамічна обстановка Центрального гірничопромислового району Донбасу з визначенням гідравлічних параметрів підземних вод у розрізі глибиною до 1500 м;

– уперше отримані кількісні показники змін гідродинамічного режиму підземних вод, що пов'язані з порушенням умов фільтрації підземних вод під впливом гірничих робіт: коефіцієнти фільтрації порід збільшилися до 10... 100 разів, гравітаційна ємність у 7... 14 разів, інфільтраційне живлення в 2,8... 3,5 разів;

– уперше обґрунтована межа використання гідрозахисту шахт за показником інтенсивності водовідливу, що складає 0,0007 м/доб, а також визначений регульований вплив променевого та систематичного горизонтального дренажів на гідродинамічну ситуацію в межах шахтного поля.

Наукове значення роботи полягає у визначенні закономірностей формування гідродинамічного режиму підземних вод в умовах геомеханічно порушених шахтних полів Центрального Донбасу на експлуатаційний та на період згортання гірничих робіт, що є підставою для визначення параметрів інженерного захисту поверхні шахтних полів.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням фундаментальних законів руху підземних вод, достатнім представництвом фактичних даних, задовільною збіжністю результатів рішення обернених задач з даними фактичних спостережень за рівнем підземних вод і з даними вимірювань водопритоків до шахт (відхилення не перевищує 10 %).

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

– створена регіональна модель Центрального району Донбасу масштабу 1: 50000 з відтворенням палеогідродинамічної обстановки, як порівняльної основи для оцінки змін гідрогеотехнічного стану шахтних полів;

– за результатами прогнозування гідродинамічної обстановки Центрального Донбасу в умовах послідовного та одночасного затоплення шахт визначені площі підтоплення, що призведуть до суттєвих геотехнічних змін;

– запропонований диференційований підхід до вибору засобів дренажного захисту поверхні шахтних полів від підтоплення при ліквідації шахт.

Практична цінність роботи полягає у розробці та впровадженні методики прогнозування параметрів гідродинамічних змін геомеханічно порушених шахтних полів та методики вибору інженерного захисту поверхні.

Реалізація результатів роботи. За результатами дисертаційної роботи розроблені рекомендації: “Оцінка змін гідрогеологічної обстановки Центрального району Донбасу в умовах експлуатації й затоплення шахт за результатами математичного моделювання” (передана до впровадження ДВАТ „Інститут Дніпрогіпрошахт”, геологічному підприємству ДРГП “Донецькгеологія”, обласній Донецькій адміністрації), “Пропозиції до розміщення спостережної мережі на території Центрального району Донбасу на основі результатів моделювання” (впроваджено ДРГП “Донецькгеологія”).

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети, задач та наукових положень, обґрунтуванні параметрів регіональних і локальних моделей, виконанні факторно - діапазонного аналізу, розробці методики моделювання затоплення шахт, прогнозуванні змін гідродинамічного режиму при послідовній і одночасній ліквідації шахт району, обґрунтуванні технічних рішень щодо захисту території від підтоплення з поліпшенням геотехнічного стану території.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати досліджень доповідались на Міжнародній науково-технічній конференції „Гірнича геологія, геомеханіка та маркшейдерія” (Донецьк, 2004 р.), Науково-виробничій нараді „Оптимізація режимної мережі пунктів спостереження за підземними водами” (Дніпропетровськ, 2005 р.), Міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми комплексного освоєння гірничодобувних регіонів” (Дніпропетровськ, 2005 р.).

Публікації. Основні наукові й практичні результати роботи викладені в 6 друкованих працях, у т.ч. статей у фахових виданнях, затверджених ВАК України - 3, у матеріалах конференцій - 3.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загального висновку, переліку використаних літературних джерел із 106 найменувань на 10 сторінках; містить 124 сторінки машинописного тексту, 90 рисунків, 56 таблиць, 1 додаток на 4 сторінках; загальний обсяг роботи - 190 сторінок.

Дана робота виконана у лабораторії гідрогеологічних досліджень Дніпропетровського відділення Українського державного геологорозвідувального інституту Міністерства охорони навколишнього природного середовища України і на кафедрі гідрогеології та інженерної геології у Національному гірничому університеті під керівництвом д.т.н., професора І.О. Садовенка, якому автор глибоко і щиро вдячна.

Автор висловлює велику вдячність к.г.-м.н. Н.А. Білокопитовій за цінні консультації та поради.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна і основні результати, наведені положення, що виносяться на захист, а також дані про структуру роботи, апробацію і публікації результатів досліджень.

У першому розділі охарактеризовані природні передумови та антропогенні чинники виникнення небезпечних геотехнічних ситуацій при веденні гірничих робіт. Вплив цих чинників на зміни геотехнічної та гідродинамічної обстановки більш детально розглянуто на прикладі Центрального району Донбасу.

У працях багатьох фахівців (Багрій І.Д., Бесєда М.І., Гавриленко Ю.М., Докукін О.С, Єрмаков В.М., Загриценко А.М., Кіпко Є.Я., Косков І.Г., Котелевець Є.П., Ксьонда І.М., Петренко С.Я., Піталенко Є.І., Рудаков Д.В., Руденко Ю.Ф., Руднєв Є.М., Рудько Г.І., Садовенко І.О., Слащова О.А., Сляднєв В.О., Соболєв Є.Г., Уліцький О.А., Яковлєв Є.О.) досліджується негативний вплив гірничодобувної промисловості на геотехнічний стан масиву гірських порід, проте завершеного розв'язання питання щодо захисту шахтних полів від підтоплення не існує.

Аналіз природних передумов й геотехнічних чинників дозволив визначити зміни геотехнічної та гідродинамічної обстановки, що відбулися у зв'язку з довгостроковим веденням гірничих робіт. Внаслідок експлуатації вугільних шахт значно підвищилась проникність гірського масиву в напрямку простягання порід, відбулася кольматація русел річок за рахунок скиду шахтних вод, базис розвантаження підземних вод змістився до гірничих виробок шахт. Долини річок і ярів, які в природних умовах були областями розвантаження, стали джерелами додаткового живлення водоносного комплексу кам'яновугільних порід. Відбулося виснаження водоносних горизонтів, на ділянках підробки річок збільшився гідродинамічний зв'язок поверхневих вод з підземними й системою гірничих виробок, підвищилося інфільтраційне живлення підземних вод у межах шахтних полів й відповідно змінилася структура балансу підземних вод. Дренування гірничими виробками масиву гірських порід спричинило інтенсивний розвиток процесів вторинної консолідації та ущільнення піщано-глинистих порід.

Одним із головних факторів, що визначає геотехнічні зміни у масиві гірських порід в умовах ліквідації шахт, є гідродинамічний режим, який характеризує розподіл рівнів (напорів) підземних вод по площі й за глибиною. Аналіз сучасного геотехнічного стану регіону свідчить про те, що положення рівня підземних вод є домінуючим фактором при оцінці геотехнічної ситуації. Характер розвитку процесу підтоплення поверхні ставить питання регулювання гідродинамічного режиму при закритті шахт одним з найактуальніших.

Для дослідження і прогнозування гідродинамічної обстановки, визначення особливостей динаміки рівнів підземних вод у неоднорідних фільтраційних середовищах із складними граничними умовами обґрунтоване використання математичного моделювання. В основу математичного моделювання покладено рішення диференційного рівняння несталої фільтрації методом скінченних різниць

, (1)

де H - функція напору; T_x, T_y - водопровідність відносно координат x і y, відповідно; W -інфільтраційне живлення (або витрата) підземних вод; µ* - коефіцієнт водовіддачі; t - час.

Скінченнорізницева апроксимація рівняння (1), що характеризується величинами напору H(x_j, y_i, t_k) в межах розрахункового блоку на моменти часу t із кроком ?t, віднесених до фільтраційного опіру Ц, має вигляд

(2)

Різницева апроксимація граничної умови III-го роду, що враховує витратний зв'язок Q_п між сусідніми водоносними шарами через шар потужністю m_o,ij і коефіцієнт фільтрації k_o,ij має вигляд

, (3)

де вираз у дужках є різницею напорів у суміжних шарах.

Аналогічна апроксимація граничної умови -го роду, що характеризує зв'язок між підземними та поверхневими водами з відповідними напорами H_ij^t та H_ij^вд, має вигляд

, (4)

де - коефіцієнт перетоку, що відображує зв'язок підземних вод з поверхневими та ураховує недосконалість водойми.

Гранична умова -го роду відображає роботу шахтного водовідливу Q_ij з підпором на горизонті шахтного водовідливу H_ij^Г

. (5)

Гранична умова -го роду задається стабільним значенням поверхні води по її контуру де відсутній опір ложа і показує величину фільтраційного розвантаження Q_1,ij під річку (або навпаки)

, (6)

де - додаткова водопровідність підруслового шару.

У висновках до першого розділу стисло викладені результати виконаних обґрунтувань актуальності, наукових задач і методики досліджень.

У другому розділі за використанням методу математичного моделювання були дослідженні режимоутворюючі параметри підземних вод на території Центрального гірничопромислового району Донбасу. Удосконалена методика моделювання дозволила оцінити фільтраційну анізотропію у масиві гірських порід. Середньозважені фільтраційні параметри визначалися з урахуванням умов залягання порід і спрямованості руху підземних вод.

Територія Центрального гірничопромислового району Донбасу займає стержневу структуру Донецького басейну - Головну антикліналь, яка характеризується крутим падінням порід, малою потужністю покривних відкладів, наявністю тектонічних порушень. Середні коефіцієнти фільтрації водоносних горизонтів кам'яновугільних відкладів до глибини 1500 м за даними поінтервальних відкачок змінюються від 0,0007 до 0,143 м/доб. Геофільтрація характеризується переважним рухом у вертикальному напрямку та за простяганням шарів. У зоні інтенсивної тріщинуватості водоносний комплекс кам'яновугільних відкладів безнапірний, нижче - стає напорним.

Границі області моделювання обрані таким чином, щоб баланс підземних вод на дослідній території не залежав від балансу підземних вод суміжних територій. Розбивка області фільтрації рівномірна, напрямок сітки по осі Х співпадає з переважним напрямком напластування порід. Шаг сітки - 0,5 км. Розрахункову схему області фільтрації надано шістьома шарами, з яких перші два відображають зону інтенсивної тріщинуватості кам'яновугільних відкладів, решта - до глибини 1500 м виділена на підставі розміщення горизонтів ведення гірничих робіт та з урахуванням зміни коефіцієнтів фільтрації порід за глибиною. Горизонти ведення гірничих робіт на період експлуатації шахт на моделі були відображені подібно дренам. У зв'язку з регіональним характером моделі, спорадично розповсюджений водоносний горизонт четвертинних відкладів на моделі не відтворювався як окремий. Контрольні дані - режимні спостереження та окремі заміри рівня підземних вод (дані ДРГП “Донецькгеологія” та ВО “Укрвуглегеологія”), а також відомості про водовідлив із шахт (дані ВО «Орджонікідзевугілля», ВО «Артемвугілля», ВО «Дзержинськвугілля»). Адекватність моделі об'єкту доведена розв'язанням обернених задач. Калібровка моделі була виконана за допомогою факторно-діапазонного аналізу. Для визначення гідродинамічних змін у регіоні моделюванням була відтворена палеогідродинамічна обстановка і вирішені обернені задачі на періоди 1980 - 1996 рр. та 1996 - 2004 рр. Періоди обрані з урахуванням змін геотехнічних умов.

Палеогідродинамічна обстановка за результатами моделювання характеризується інфільтраційним живленням підземних вод 35... 50 мм/рік; коефіцієнтами фільтрації порід зони інтенсивної тріщинуватості за простяганням порід від 0,004 до 0,12 м/доб, а за глибиною - від 0,0004 до 0,02 м/доб. Глибина залягання рівня підземних вод зони інтенсивної тріщинуватості на більший частині території (56 %) не перевищувала 5 м. Загальна закономірність водообміну: на вододілах напрямок підземних вод низхідний, в долинах річок - висхідний. Аналіз балансових складових свідчить, що живлення підземних вод відбувалося, головним чином, за рахунок інфільтрації атмосферних опадів (88,3 %), а розвантаження підземних вод - до поверхневих водотоків (50,4 %) та за рахунок випаровування (39,8 %).

Експлуатація шахт у регіоні змінила геотехнічний стан масиву гірських порід. При цьому інфільтраційне живлення на території міст за межами шахтних полів збільшилося до 100 мм/рік, у межах площі ведення гірничих робіт до 140 мм/рік. Скоротилося розвантаження підземних вод до річок, а на деяких ділянках у заплаві річок відбулася інверсія потоку. Збільшилася водопроникність масиву гірських порід (в 10... 100 разів), а базис розвантаження підземних вод перемістився до відмітки ведення гірничих робіт (гідравлічні уклони в межах шахтних полів - 0,2... 0,78). У формуванні водопритоку до шахт основну роль відіграє перетік підземних вод з товщі порід, що залягає вище і приток з контуру шахтних полів, доля пружної ємності незначна.

За даними моделювання отримані кількісні показники змін гідродинамічного режиму підземних вод, що пов'язані з порушенням умов фільтрації підземних вод під впливом гірничих робіт: коефіцієнти фільтрації порід збільшилися до 10... 100 разів, гравітаційна ємність у 7... 14 разів, інфільтраційне живлення в 2,8... 3,5 разів.

При загальній площі поверхні 1151 км², глибина залягання рівня підземних вод на 33 % території не перевищувала 5 м.

В умовах затоплення шахт природна гідродинамічна система представлена двома взаємозалежними системами: системою гірничих виробок разом із зонами зрушення і штучних тріщин та системою гірських порід. На моделі отриманий розподіл рівнів підземних вод у гірських породах і в гірничих виробках. Для визначення змін у масиві гірських порід задача вирішувалася при коефіцієнтах фільтрації та параметрах взаємозв'язку суміжних горизонтів, що одержані на час перед затопленням. Ємнісні параметри враховують об'єм виробленого простору. За цих передумов відтворена зміна рівня підземних вод у гірничих виробках та стволах шахт «Червоний Профінтерн» і ш/у Олександрівське № 3, № 4. Затоплення було відповідним до фактичного при коефіцієнтах фільтрації порід підвищених на порядок у зрівнянні з коефіцієнтом фільтрації порід до зрушення і гравітаційній ємності порід 0,011 - 0,035 у межах глибин 120 - 740 м. Зростання рівня підземних вод на початку затоплення гірничих виробок відбувається за рахунок перетоку через покрівлю і притоку з контурів депресійних воронок.

При затопленні шахт максимальний підйом рівня підземних вод зони інтенсивної тріщинуватості було зафіксовано на прируслових схилах в межах шахтних полів.

Узагальнений параметр взаємозв'язку підземних вод з гірничими виробками, що враховує її фільтраційний опір, а також суттєво залежить від етапу відпрацювання вугільного шару знаходиться в межах 0,01... 1,2 м²/доб. Його зміни залежать від відстані між підошвою виробки й підошвою розрахункового шару, від кількості робочих горизонтів, що утворюють шар.

Адекватність геофільтраційної моделі фізичному об'єкту дозволяє визначати закономірності змін гідродинамічного режиму та оцінювати можливості інженерних заходів щодо його регулювання.

В третьому розділі дисертаційної роботи представлені дослідження параметрів формування рівневого режиму підземних вод в межах прогнозованої дії шахт або згортання гірничих робіт на території Центрального гірничопромислового району Донбасу.

Результати прогнозів є основою для диференціації етапів закриття та дренування шахтних полів з метою уникнення небезпечних геотехнічних ситуацій. Модельна прогнозна оцінка зміни режиму і балансу підземних вод у зоні впливу шахт, що затоплюються, на період 2005 - 2030 рр. базується на відтворенні порушеного гідродинамічного режиму і визначенні напрямків руху підземних вод у плані та розрізі. Згідно результатів моделювання рівень підземних вод при затопленні шахт не утримувався на рівні збійок, а підвищувався у часі. За аналізом динаміки росту рівня, швидкість його підвищення при досягненні зони інтенсивної тріщинуватості значно зменшується, що обумовлено значними величинами водопровідності порід зони інтенсивної тріщинуватості порівняно з гірськими породами, що залягають нижче.

Найбільш небезпечна гідродинамічна ситуація можлива у 2030 р. при одночасній ліквідації всіх шахт району: абсолютні відмітки рівня підземних вод зони інтенсивної тріщинуватості складатимуть від 80 до 300 м, а підвищення рівня над природними позначками буде змінюватися від 2... 6 м на крилах депресійних воронок і до 80 м у центральній частині шахтних полів.

За аналізом балансових складових через 25 років після закриття усіх шахт району процес затоплення ще не закінчиться. Прогнозна площа з глибиною залягання рівня підземних вод менша за 5 м у зіставленні з 2004 р. збільшиться у 1,4 рази і складатиме 56 % (647,2 км²) від загальної площі досліджуваної території.

При експлуатації шахт водопровідність порід збільшується як за рахунок зрушення виробленого простору, так і в зв'язку з тим, що при збільшенні перепадів тиску відбувається поступове включення у дію порових каналів різних розмірів. Чим більше порода гетеропориста і чим більше вона має порових каналів мінімальних розмірів, тим чіткіша залежність проникності від перепадів тиску. При підйомі рівня підземних вод в умовах затоплення шахт тріщини та порові канали закриваються і за рахунок ущільнення порід зменшується водопровідність та ємність піщано-алевритових порід.

В умовах газонасиченості масив гірських порід на окремих ділянках може набувати властивості водотривких порід і тоді перетікання підземних і поверхневих вод до гірничих виробок зменшується. В таких умовах прискорюється підйом рівня ґрунтових вод.

У четвертому розділі були визначені технологічні параметри регулювання рівневого режиму підземних вод геомеханічно порушених шахтних полів.

Підхід до вибору технологічних схем регулювання рівневого режиму з метою захисту поверхні шахтних полів від підтоплення базується на гідродинамічній диференціації схем. Для досягнення раціональних співвідношень у такій диференціації була використана регіональна геофільтраційна модель Центрального району Донбасу.

Для визначення ефективності роботи шахт у режимі гідрозахисту обґрунтоване використання показника інтенсивності водовідливу (W_е)

, (7)

де Q - величина водовідливу, м³/доб; F - площа поверхні землі, що за рахунок відкачки води перейшла до категорії непідтопленої, м².

При заданому дебіті відкачки показник інтенсивності водовідливу дозволив визначати ступінь скорочення підтопленої площі і, відповідно, ефективність роботи шахти у режимі гідрозахисту. Поступово були розглянуті 11 шахт Центрального району Донбасу за умови одночасного затоплення всіх інших шахт району. Режим гідрозахисту виявився ефективним тільки для двох шахт - «Булавінська» та «Ольховатська». Виконані дослідження свідчать про те, що в умовах Центрального району Донбасу гідрозахист доцільний, якщо величина показника інтенсивності водовідливу не перевищує 0,0007 м/доб.

Ефективність використання горизонтального і променевого дренажу на дослідній території була визначена за допомогою локальних моделей. Результати моделювання показали, що через місяць експлуатації як горизонтального, так и променевого дренажу режим підземних вод наближається до стаціонарного. При цьому зниження рівня підземних вод через місяць експлуатації для горизонтальної дрени склало 1,0... 4,5 м при витраті 599 м³/добу, а для променевої - 0,8... 1,4 м при витраті 26,8 м³/доб. Радіус впливу горизонтальної дрени - 240... 280 м, променевої - 55 м.

Ефективність горизонтальних дрен підвищується з одночасним поглибленням русла ріки, що зменшує фільтраційний опір.

Схеми регулювання рівневого режиму - збільшення взаємозв'язку між поверхневими та підземними водами (поглиблення русла), застосування горизонтального дренажу в долинах річок та променевого дренажу на забудованих територіях сприяють переходу території гірничопромислового району до самодренування, тобто до перебудови геотехничної системи до більш досконалої.

Методики прогнозування параметрів гідродинамічних змін геомеханічно порушених шахтних полів та методики вибору інженерного захисту поверхні впроваджені з очікуваним економічним ефектом 63 тис. грн. на 1 га території.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей формування гідродинамічного режиму підземних вод в умовах геомеханічно порушених шахтних полів Центрального Донбасу на доексплуатаційний, експлуатаційний періоди та на період згортання гірничих робіт вирішена актуальна науково-практична задача, яка полягає в обґрунтуванні параметрів інженерного захисту поверхні шахтних полів, що вдосконалюють геотехнічну систему при підземному видобутку вугілля.

Основні наукові й практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному.

1. З використанням обґрунтованої регіональної фільтраційної моделі Центрального району Донбасу масштабу 1: 50000 вперше відтворена палеогідродинамічна обстановка, досліджені умови формування підземних вод та розподіл рівнів підземних вод у регіональному плані й розрізі як на час експлуатації, так і на час затоплення шахт, що є основою визначення геотехничних змін території.

2. Факторно-діапазонним аналізом визначені зміни основних параметрів та граничних умов, які є основними при формуванні рівнів підземних вод у геомеханічно порушеному масиві: коефіцієнти фільтрації порід збільшилися до 10... 100 разів, гравітаційна ємність у 7... 14 разів, інфільтраційне живлення в 2,8... 3,5 разів.

3. За результатами моделювання визначений узагальнений параметр взаємозв'язку підземних вод з гірничими виробками, який враховує фільтраційний опір гірничих виробок, а також суттєво залежить від етапу відпрацювання горизонту і знаходиться в межах від 0,01 до 1,2 м²/доб.

4. Встановлено, що при одночасному затопленні всіх шахт регіону в термін з 2005 р. до 2030 р. площа з глибиною залягання рівня підземних вод менш 5 м збільшиться на 264,1 км² і сягне 56 % (647,2 км²) загальної площі регіону, що є підставою для диференціації етапів закриття та дренування шахтних полів.

5. Диференціація шахтних полів за гідрогеотехнічним станом та визначення показника інтенсивності водовідливу дозволили оцінити, що ефективне використання режиму гідрозахисту в межах Центрального району Донбасу доцільне, якщо величина показника інтенсивності водовідливу не перевищує 0,0007 м/доб.

6. Показано, що при виборі схем гідродинамічного регулювання за допомогою дренування доцільно використовувати поглиблення русел річок для активізації взаємозв'язку між поверхневими та підземними водами, застосовувати горизонтальний дренаж в долинах річок та променевий дренаж на забудованих територіях, що в цілому сприяє перебудові геотехнічної системи у безпечну.

Очікуваний економічний ефект при застосуванні розробок складає 63 тис. грн. на 1 га території.

Основні положення та результати роботи відображені в наступних публікаціях

Подвігіна О.О. Особливості моделювання гідрогеологічних умов Донбасу / Білокопитова Н.А., Подвігіна О.О., Токар М.В. // Збірник наукових праць Українського державного геологорозвідувального інституту. 2003. № 2. С. 59-62.

Подвігіна О.О. Про зміни гідрогеологічної обстановки в умовах затоплення шахт Центрального району Донбасу за результатами моделювання / Подвігіна О.О. // Збірник наукових праць Українського державного геологорозвідувального інституту. 2007. №1. С. 92-98.

Подвігіна О.О. Про ефективність використання режиму гідрозахисту при закритті шахт Центрального району Донбасу / Подвігіна О.О., Токар М.В. // Збірник наукових праць Українського державного геологорозвідувального інституту. 2008. №2. С. 107-110.

Подвигина Е.О. Моделирование гидрогеологической обстановки Центрального района Донбасса / Белокопытова Н.А., Подвигина Е.О., Токарь М.В. // Междунар. научно-техн. конф. “Горная геология, геомеханика и маркшердерия ”, т. II, Донецк, ТОВ “Технологічний центр”, 2004. С. 380-385.

Подвигина Е.О. Оцінка впливу газонасиченості порід на фільтрацію підземних вод гірничовидобувних районів Донбасу /Синах В.Ю., Білокопитова Н.А., Подвигина Е.О. // Материалы II междунар. научно-практ. конф. “Проблемы комплексного освоения горнодобывающих регионов”, Днепропетровск, РИК НГУ, 2005, № 23. С. 169-178.

Подвігіна О.О. Підхід до оптимізації розміщення спостережної мережі на території Центрального Донбасу з використанням результатів моделювання / Подвігіна О.О. // Матеріали науково-виробничої наради “Оптимізація режимної мережі пунктів спостереження за підземними водами”, Дніпропетровськ, Держгеолслужба, 2006. С. 31-33.

Особистий внесок автора в роботах, які написані у співавторстві: [1] - аналіз природних і техногенно-порушених характеристик регіону, визначення властивостей розрахункових шарів, висновки; [3, 4, 5] - аналіз матеріалів, рішення методичних задач, висновки.

АНОТАЦІЯ

Подвігіна О.О. Обґрунтування параметрів дренування геомеханічно порушених шахтних полів Центрального району Донбасу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.09 - «Геотехнічна і гірнича механіка». Національний гірничий університет. Дніпропетровськ, 2008 р.

У дисертації на основі методу математичного моделювання досліджені закономірності формування гідродинамічного режиму підземних вод в умовах геомеханічно порушених шахтних полів Центрального Донбасу на експлуатаційний та на період згортання гірничих робіт, що є підставою визначення параметрів інженерного захисту поверхні шахтних полів.

З використанням обґрунтованої регіональної фільтраційної моделі вперше відтворено палеогідродинамічну обстановку в регіональному плані й розрізі як на час експлуатації, так і на час затоплення шахт. Факторно-діапазонним аналізом встановлені зміни основних фільтраційних параметрів та граничних умов, які є основними при формуванні рівнів підземних вод у геомеханічно порушеному масиві. Уперше отримані кількісні показники змін гідродинамічного режиму підземних вод, що пов'язані з порушенням умов фільтрації підземних вод під впливом гірничих робіт. За результатами моделювання визначено узагальнений параметр взаємозв'язку підземних вод з гірничими виробками, який враховує фільтраційний опір гірничих виробок, а також суттєво залежить від етапу відпрацювання горизонту. Встановлено, що при одночасному затопленні всіх шахт регіону в термін з 2005 р. до 2030 р. площа з глибиною залягання рівня підземних вод менш 5 м збільшиться і досягне 56 % загальної площі регіону.

Диференціація шахтних полів за гідрогеотехнічним станом та визначення показника інтенсивності водовідливу дозволили оцінити ефективне використання режиму та схем гідродинамічного регулювання за допомогою дренування і активізації взаємозв'язку між поверхневими та підземними водами.

Очікуваний економічний ефект при застосуванні розробок складає 63 тис. грн. на 1 га території.

Ключові слова: геотехнічна ситуація, гідродинамічний режим, затоплення шахт, рівень підземних вод, коефіцієнт фільтрації, математичне моделювання, підтоплення території, дренаж.

АННОТАЦИЯ

Подвигина Е.О. Обоснование параметров дренирования геомеханически нарушенных шахтных полей Центрального района Донбасса. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 - «Геотехническая и горная механика». Национальный горный университет, Днепропетровск, 2008 г.

В диссертации на основе метода математического моделирования исследованы закономерности формирования гидродинамического режима подземных вод в условиях геомеханически нарушенных шахтных полей Центрального Донбасса, как на эксплуатационный период, так и на период свертывания горных работ, являющиеся основой для определения параметров инженерной защиты поверхности шахтных полей.

Методом математического моделирования впервые восстановлена палеогидродинамическая обстановка в регионе, которая характеризуется глубиной залегания уровня подземных вод зоны интенсивной трещиноватости 2... 40 м при инфильтрационном питании 35... 50 мм/год.

На региональной геофильтрационной модели исследованы закономерности распределения напоров подземных вод в плане и разрезе на различные периоды, определена глубина залегания уровня подземных вод, оценены балансовые составляющие водопритока к шахтам.

Под влиянием ведения горных работ увеличилась инфильтрация атмосферных осадков в пределах шахтных полей до 140 мм/год, произошла инверсия потока подземных вод, уменьшилось испарение с поверхности земли, произошла сработка емкостных запасов подземных вод в пределах шахтных полей. Анализ балансовых составляющих свидетельствует о том, что водоприток к шахтам изучаемого района формируется за счет инфильтрации атмосферных осадков, сработки емкостных запасов и привлечения поверхностных вод.

С помощью факторно-диапозонного анализа установлены изменения фильтрационных параметров и граничных условий, являющиеся основными при формировании уровней подземных вод в геомеханически нарушенном массиве: коэффициент фильтрации пород увеличился в 10... 100 раз, гравитационная емкость в 7... 14 раз, инфильтрационное питание в 2,8... 3,5 раз. По результатам моделирования определен обобщенный параметр взаимосвязи подземных вод с горными выработками, который учитывает фильтрационное сопротивление горных выработок, а также существенно зависит от этапа отработки горного горизонта и находится в пределах 0,01... 1,2 м²/сут.

Установлено, что при одновременном затоплении всех шахт региона с 2005 г. по 2030 г. площадь с глубиной залегания уровня подземных вод менее 5 м увеличится и достигнет 56 % общей площади региона, что является основанием для дифференциации этапов закрытия шахт и дренирования шахтных полей. Выделены наиболее опасные с точки зрения подтопления территории - участки поверхности земли, контур депрессионной воронки.

Дифференциация шахтных полей в соответствии с их гидрогеотехническим состоянием и определение показателя интенсивности водоотлива позволили оценить эффективность использования режима гидрозащиты в Центральном Донбассе.

Показано, что при выборе схем гидродинамического регулирования целесообразно применять углубление русел рек для активизации взаимосвязи между поверхностными и подземными водами, использовать горизонтальный дренаж в долинах рек и лучевой дренаж на застроенных территориях, что в целом способствует перестройке геотехнической системы в безопасную.

Ожидаемый экономический эффект при использовании разработок составит 63 тыс. грн. на 1 га территории.

Ключевые слова: геотехническая ситуация, гидродинамический режим, затопление шахт, уровень подземных вод, коэффициент фильтрации, математическое моделирование, подтопление территории, дренаж.

ABSTRACT

Podvigina E. O. Basing of Catchment's Parameters of the Mine Fields Geomechanicaly Disturbed in the Central Area of Donets Basin. - Manuscript.

Thesis on the reception scientific degree of candidate of technical sciences by specialty 05.15.09 - “Geotechnical and Mining Mechanics”. National Mining University, Dnepropetrovsk, 2008.

Thesis concerns to substantiation of schemes and parameters of groundwater mode regulation on the basis of a method of mathematical modeling for decision making for geotechnical safe closing mines.

The analysis of the hydrodynamic situation has shown that closing of mines by using “wet” conservation method leads to abnormalities in system “groundwater level - rocks”, rising of underground waters level and underflooding, waterlogging, salinization of soil of Geoindustrial Districts. For studying of parameters of groundwater mode forming on the territory of the Central Geoindustrial District of Donets Basin regional mathematical model was created.

The paleohydrodynamic situation was created on the regional mathematical model. Filtration parameters of rocks have changed at conducting mining work. Parameters of interaction of inviolate rocks and mine working were determined.

Operating conditions and flooding of mines with the help of the model mechanism of hydrodynamic mode formation are determined and technological parameters of underground water mode management are proved. The analysis of technological schemes of groundwater mode regulation for geotechnical safe closing mines of the Central area of Donets Basin is given.

Keywords: geotechnical situation, hydrodynamic mode, flooding of mines, groundwater level, hydraulic conductivity, mathematical modeling, underflooding of the territory, drainfge.

Размещено на Allbest.ru

...