Обґрунтування фізико-хімічних параметрів стану та управління геотехнічними системами в гірничопромислових регіонах

Зниження токсичності ґрунту як ключовий елемент комплексу досягається шляхом визначення раціональних параметрів складу і термінів внесення ґрунтоутворюючих сумішей. Створення родючого шару на поверхні породних відвалів шахти “Першотравнева” у Західному Донбасі дозволило відновити родючий шар на поверхні з утворенням сталого рослинного покриву через 2-3 роки. Підтверджений економічний ефект за рахунок відверненого збитку склав 485 тис. грн.

Управління гідрогазодинамічним режимом затоплюваних шахт відповідно до запропонованого порядку визначення проектних рішень ґрунтується на оперативному контролі наслідків витиснення рудничної атмосфери при підйомі рівня підземних і шахтних вод за даними режимних спостережень і на результатах прогнозів зон та інтенсивності газопотоків на основі моделювання одно- і двофазної фільтрації.

Параметри інженерно-технічних заходів щодо дегазації затоплюваного шахтного поля, що включають місця розміщення і режим роботи дренажних свердловин, оцінені на підставі розрахунків міграції газу в підробленому масиві для умов Львівсько-Волинського басейну. Підтверджений економічний ефект за рахунок відверненого збитку від порушень будівель в місцях виходу метану складає 310 тис. грн.

Таким чином, система моніторингу в межах геотехнічних систем гірничопромислових регіонів формується в ході взаємозалежного вирішення питань з організації спостережень, інтерпретації результатів і їхнього використання при прийнятті інженерних рішень. Ефективність управління фізико-хімічними параметрами стану геотехнічних систем забезпечується використанням результатів прогнозів з адекватним відтворенням нелінійних взаємодій та стохастичного характеру природно-технічних систем в розроблених моделях.

Висновок

хімічний геотехнічний гідрогазодинамічний гірничий

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішена науково-практична проблема обґрунтування параметрів фізико-хімічного стану та управління геотехнічними системами (ГТС) гірничопромислових регіонів шляхом розробки та застосування математичних моделей гідрогазодинамічних та гідрохімічних процесів у порушеному масиві, що визначає раціональні діапазони і інженерні схеми технічного впливу на динамічно змінювані елементи у складових ГТС.

Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи.

Розроблена концепція моделювання гідрогазодинамічних та міграційних процесів на шахтних полях, що базується на з'єднанні аналітичних, чисельних та стохастичних моделей різного масштабу, адаптованих до неповноти та недостатньої точності вихідних даних на реальних об'єктах, що дозволяє кількісно оцінювати вплив детермінованих та випадкових чинників.

З використанням розробленої чисельної гідродинамічної моделі шахтного поля та її аналітичної деталізації враховані шарувата неоднорідність та нерівномірність водопритоков у залежності від об'єму виробленого простору, встановлена інтенсивність зменшення шахтного водопритоку у 5-7 разів при заглибленні виробок до 600-800 м, що підтверджується зіставленням з даними моніторингу в Центральному районі Донбасу.

Стохастична модель фільтрації в порушеному масиві, що відображує його неоднорідність розподіленими параметрами тріщинуватості, вперше використана для оцінювання характеристик міграції навколо хімічно та радіоактивно небезпечних об'єктів у межах гірничих відводів на полях шахт Центрального району Донбасу. Встановлено зменшення швидкості міграції від 100-650 м/добу у верхніх шарах масиву до декількох порядків на глибинах більше 900 м, де забезпечується гідрохімічна ізоляція токсичних речовин протягом 30-70 років на відстанях більш 200 м від виробок.

Вперше розроблена модель емісії метану у межах шахтного поля з деталізацією на етапі затоплення відпрацьованого масиву, яка побудована шляхом сполучення гідродинамічної моделі шахтного поля з моделями газовиділення під час видобутку вугілля, дифузії та руху газу в тріщинах, підйому ґрунтових вод за рахунок ерліфтного ефекту при міграції газу, накопичення метану в поверхневих будівлях. На основі моделювання з адаптацією до умов Донбасу та Львівсько-Волинського басейну встановлені закономірності короткотермінового зростання тиску газу в ізольованих виробках наприкінці їх затоплення до 1,5 МПа та наступним тимчасовим підйомом ґрунтових вод на 6-7 м через 1-3 місяці.

Розроблені аналітичні моделі водної міграції у верхніх шарах гірського масиву, які передбачають комплексне та послідовне визначення показників вилуговування, переносу та сорбції розчинних компонентів залишкових продуктів видобутку в елементах геотехнічної системи “хвостосховище (відвал) - підстилаючи породі - водоносний горизонт - поверхнева водойма”. Розроблені методи розрахунку приземної концентрації, осадження часток і газів на поверхні масиву вперше комплексно враховують статистичні параметри вітрових течій, нерівномірність поглинання та особливості рельєфу. В результаті моделювання оцінені показники довгострокових змін концентрації токсичних мікрокомпонентів у підземних водах і газів та пилу в повітрі на реальних об'єктах в Дніпропетровській області.

Розроблена методика розрахунку гідравлічної течії в з'єднувальних збійках між шахтами з урахуванням динаміки затоплення, детермінованих та розподілених характеристик гідравлічної досконалості і суфозії, що дозволило обґрунтувати параметри водовідливу на суміжних шахтах. Оцінені розміри та проникність перешкоди із завалів, яка може створити гідростатичний тиск на цілик більше 1 МПа; встановлена тривалість перехідного режиму стабілізації перепаду напору, яка складає в залежності від впливу суфозії та проникності завалів від півроку до 2-3 років. Виконані дослідження впроваджені при обґрунтуванні закритті шахт “Червоний Жовтень” та “Юнком” в Центральному районі Донбасу

Обґрунтовані параметри управління водною міграцією з шахтних відвалів шляхом прискореного формування родючого шару на поверхні та створення ґрунтових покриттів з використанням капілярних ефектів. Моделюванням міграції токсичних форм заліза, алюмінію та сульфатів на відвалах шахт Західного Донбасу обґрунтовано початковий склад сумішей для родючого шару, що забезпечує умови зниження концентрації цих компонентів від 1.5 до 17 разів через два роки. На основі розробленої моделі ненасиченого вологопереносу в капілярних бар'єрах, верифікованої за даними лабораторних та натурних досліджень, встановлені діапазони змін інфільтрації з забезпеченням відведення води понад 90%.

Розроблені рекомендації щодо управління елементами геотехнічних систем, що включають визначення параметрів водовідливу при затопленні суміжних шахт, регламенту розміщення хімічно небезпечних об'єктів на шахтних полях, мінімізації міграційних потоків з породних відвалів та прогнозування гідрогазодинамічного режиму затоплюваних вугільних шахт, впроваджені на гірничодобувних підприємствах у Центральному та Західному Донбасі, Кривбасі та Львівсько-Волинському басейнах. Очікуваний загальний економічний ефект за рахунок мінімізації потужностей шахтного водовідливу та попередження збитку на об'єктах впровадження складає 1,678 млн. грн.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах

1. Закономерность стабилизации температуры горных пород на границах геологических формаций, вмещающих точечные термические источники / Черней Э.И., Постоловский Р.М., Садовенко И.А., Петривский Я.Б., Калько А.Д., Лустюк Н.Г., Рудаков Д.В., Черней О.Э., Постоловский С.Р. - Серія “Відкриття українських вчених”. - Рівне: Волинські обереги, 2007. - 868 с.

2. Рудаков Д.В. Математичні моделі в охороні навколишнього середовища: Навчальний посібник.- Д.: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 2004. -160с.

3. Рудаков Д.В. Обоснование параметров прогноза состояния геотехнических систем в горнопромышленных районах // Науковий вісник НГУ. - 2007. - №7. - С. 22-25.

4. Рудаков Д.В. Концепція моделювання гідрогазодинамічних процесів у геотехнічній системі гірничопромислового району // Вісник Національного ун-ту водного господарства та природокористування. - 2007.- Вип. 3(39), Ч. 2. - С. 305-312.

5. Рудаков Д.В., Садовенко І.О. Прогнозування гідродинамічного режиму при відпрацьовуванні й затопленні шахтного поля // Вісник ЖДТУ. - 2006. - №1 (36). - С. 151-157.

6. Rudakov D., Sadovenko I. Modeling of methane emission during working out and flooding the mine field // Scientific Bulletin of the NMU, Dnipropetrovsk. - 2006. - № 5. - P. 67-72.

7. Садовенко И.А., Рудаков Д.В. Анализ динамики перетоков при затоплении смежных шахт // Геотехническая механика. - 2005. - Вып. 61. - С. 93-100.

8. Рудаков Д.В., Садовенко И.А. Обоснование модели инфильтрационных потоков в неоднородном подработанном массиве горных пород // Сб. науч. трудов ДНТУ, Донецк. - 2005. - №13. - С. 3-15.

9. Рудаков Д.В., Садовенко И.А. Расчет загрязнения шахтных вод на основе моделирования миграции в подработанном массиве // Сб. науч. трудов НГУ. - 2005. №23. - С. 203-211.

10. Рудаков Д.В., Садовенко И.А. Моделирование гидродинамических процессов в окрестности шахтного ствола // Науковий вісник НГУ. - 2005. - №8. - С. 9-13.

11. Рудаков Д.В. Модель рассеяния примеси в приземном слое атмосферы над поверхностью со сложным рельефом // Вісник Дніпропетр. ун-ту. Механіка. - 2004. - Вип. 8, Т. 1. - С. 89-97.

12. Анищенко О.Л., Рудаков Д.В., Шматков Г.Г. Моделирование загрязнения подземных вод в зоне влияния хвостохранилищ радиоактивных отходов. 1. Миграция нерадиоактивных микрокомпонентов// Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. - 2004.- № 1. - С. 96-104.

13. Рудаков Д.В. Модель рассеяния и осаждения примеси после точечного выброса в приземном слое атмосферы // Вісник Дніпропетр. ун-ту. Механіка. - 2003. - Вип. 7, Т. 1. - С. 91-99.

14. Рудаков Д.В. Моделювання переносу домішок в атмосфері над неоднорідною поверхнею // Вісник Київського ун-ту, Серія фіз.-мат. науки. - 2003. - №5. - С. 87-93.

15. Абрамовский Е.Р., Рудаков Д.В. Расчет загрязнения атмосферы в крупном городе от сложной сети автомагистралей // Вісник Дніпропетр. ун-ту, Механіка. - 2003. - Вип. 7, Т. 1. - С. 83-90.

16. Рудаков Д.В. Прогнозирование загрязнения воздушной среды на основе модели с распределенными параметрами // Вісник Дніпропетр. ун-ту. Механіка. - 2002. - Вип. 6, Т. 1, - С. 74-81.

17. Рудаков Д.В. Расчет фильтрации на криволинейном водоупоре // Науковий вісник НГАУ. - 2001. - №4, - С. 31-33.

18. Рудаков Д.В. Определение гидравлической проводимости ненасыщенной пористой среды на основе решения обратных задач // Вісник Дніпропетр. ун-ту, Серия Механика. - 2001. - Вип. 5, Т. 1. - С. 54-61.

19. Рудаков Д.В. Оценка точности численного моделирования массопереноса в пористой среде вблизи внутреннего источника сложной формы // Вісник Дніпpопетp. ун-ту, Сеpія Механіка. - 2000. - Вип. 3, Т. 1, - С. 137-142.

20. Рудаков Д.В. Влияние наклона водоупора на высачивание подземных вод через борта карьеров и вблизи хвостохранилищ // Сб. науч. тр. НГАУ. - 1999. - №4, Т. 6. - С. 179-183.

21. Rudakov D.V., Rudakov V.C. Analytical modeling of aquifer pollution caused by solid waste depositories // Ground Water. - 1999. - Vol. 37, № 3. - P. 352-357.

22. Рудаков Д.В. Решение задачи совместного переноса вещества и продуктов его распада в фильтрационном потоке // Техническая механика, - 1999. - № 1. - С. 153-158.

23. Рудаков Д.В. Оценка выноса загрязняющих веществ из фильтрационного потока в окружающую среду // Техническая механика. - 1999. - № 2. - С. 109-116.

24. Рудаков Д.В. Влияние поглощающего эффекта водоупора на массоперенос в подземных водах // Вiсник Днiпропетр. ун-ту. Серiя Механiка. - 1999. - Вип. 2, Т. 1. - С. 94-99.

25. Рудаков Д.В. Моделирование массопереноса в подземных водах при различном заглублении источников загрязнения // Придніпровський науковий вісник. - №55 (124). - 1998. - С. 30-36.

26. Рудаков Д.В. Моделирование процесса концентрирования вблизи выходной границы фильтрационного потока в результате испарения // Вiсник Днiпропетр. ун-ту. Серiя Механiка. - 1998. - Вип. 1, Т. 1. - С. 125-128.

27. Рядно А.А., Рудаков Д.В. Математическая модель массопереноса многокомпонентных смесей загрязняющих веществ в подземных водах // Вісник Дніпропетр. ун-ту, Серия Механика. - 1998. - Вип. 1, Т. 1. - С. 129-131.

28. Рудаков Д.В. Моделирование процессов осушения и затопления системы подземных горных выработок (на примере Кривбасса) // Сб. науч. трудов НГАУ. - 1998. - №3, Т. 5, - С. 83-87.

29. Рудаков Д.В. Прогнозная оценка гидрогеоэкологических последствий затопления угольных шахт // Матеріали наук.-практ. конф. “Підтоплення - 2006”. Слов'янськ 16-18 травня 2006. НПЦ “Екологія, наука, техніка”. - 2006. - С. 59-62.

30. Рудаков Д.В., Садовенко И.А. Моделирования миграции газа в подработанном массиве при затоплении шахт // Матеріали міжн. конф. “Форум гірників - 2005”, НГУ. - Т. 4. - С. 33-43.

31. Rudakov D.V., Wohnlich S., Barth C. Numerical modeling of capillary barrier performance under growing infiltration. In: Wohnlich, S & Seiler, K.P. (eds.): New Approaches Characterizing Groundwater Flow. Lisse (Balkema). - 2001. - P. 391-394.

Размещено на Allbest.ru