Динаміка компонентів твердої та рідкої фаз вуглевміщуючої товщі як основа згладжування техногенних аномалій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність: 05.15.11 - Фізичні процеси гірничого виробництва

Динаміка компонентів твердої та рідкої фаз вуглевміщуючої товщі як основа згладжування техногенних аномалій

Петриченко Петро Миколайович

Дніпропетровськ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гідрогеології та інженерної геології у Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник:

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

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, завідувач лабораторії фізичного і математичного моделювання незворотних процесів Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України Назимко Віктор Вікторович

кандидат геолого-мінералогічних наук, старший науковий співробітник, старший науковий співробітник відділу геології вугільних родовищ великих глибин Інституту геотехнічної механіки Національної академії наук України ім. М.С. Полякова (м. Дніпропетровськ) Пімоненко Людмила Іванівна

Провідна установа: Український державний науково-дослідний та проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки та маркшейдерської справи Національної академії наук України, лабораторія захисних пластів і керування станом гірничого масиву (м. Донецьк)

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 кандидат технічних наук, доцент Тимощук В.І.

Анотація

гірничий технологічний мікрокомпонент геологічний

Петриченко П.М. “Динаміка компонентів твердої і рідкої фаз вуглевміщуючої товщі як основа згладжування техногенних аномалій”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - “Фізичні процеси гірничого виробництва”. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2004 р.

У дисертації вирішується задача обґрунтування стабілізуючого технологічного впливу на домінуючі фізико-хімічні процеси, що супроводжують підземний видобуток вугілля в межах геологічної товщі шахтного поля. На основі експериментальних і теоретичних досліджень установлені закономірності зміни твердої і рідкої фаз вуглевміщуючої товщі в процесі їх руху в техногенному ланцюжку: вугленосна гірська порода - шахтний відвал (ділянка рекультивації) - поглинаючий комплекс покривних відкладень - фільтраційний потік у шахту і природний водотік. Установлені залежності, що пов'язують появу аномалій у концентраціях хімічних компонентів з порядком відпрацювання блоків шахтного поля і напрямком рекультивації.

Обґрунтований комплекс математичних моделей, що дозволяють вибрати технологічні міри при відпрацюванні вугільних шарів, спрямовані на згладжування гідрогеохімічних аномалій у геологічному середовищі. Ці міри сполучують порядок гірничих і рекультиваційних робіт із застосуванням поверхневого дренажу й активного покриваючого шару.

Ключові слова: шахтне поле, гідрогеохімічна аномалія, компоненти геологічної товщі, порядок гірничих робіт, активний шар, дренаж.

Аннотация

Петриченко П.Н. “Динамика компонентов твердой и жидкой фаз углевмещающей толщи как основа сглаживания техногенных аномалий”. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 - “Физические процессы горного производства”. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2004 г.

В диссертации решается задача обоснования стабилизирующего технологического воздействия на доминирующие физико-химические процессы, сопровождающие подземную добычу угля в пределах геологической толщи шахтного поля. На основе экспериментальных и теоретических исследований установлены закономерности изменения твердой и жидкой фаз углевмещающей толщи в процессе их движения в техногенной цепочке: угленосная горная порода - шахтный отвал (участок рекультивации) - поглощающий комплекс покровных отложений - фильтрационный поток в шахту и природный водоток. Установлены зависимости, связывающие появление аномалий в концентрациях химических компонентов с порядком отработки блоков шахтного поля и направлением рекультивации.

Ископаемая органика, как составляющая геохимического цикла, рассмотрена в динамике с двух позиций - геологического накопления и преобразования, как основного компонента угледобычи и ее дальнейшего техногенного превращения в основной компонент нарушенного ландшафта на поверхности шахтного поля.

В качестве экспресс-метода изучения динамики ископаемой органики обоснован метод электронного парамагнитного резонанса с эталонными парамагнитными свойствами витринита и гумуса.

Установленные факторы техногенного метаморфизма рассеяной органики служат для выбора способа утилизации шахтной породы, когда доступ воды и кислорода активирует деструкцию ископаемой органики наряду с подавлением серно-кислотного комплекса.

В процессе работы шахтного водоотлива в условиях шахт Западного Донбасса между угленосным комплексом карбона и мезокайнозоя происходит фильтрационная и гидрохимическая инверсия - восходящие потоки сменяются нисходящими. При этом ведущая роль в формировании гидрокарбонатного и сульфатного фона принадлежит затопленным мульдам в пойменных участках шахтных полей.

Обоснован комплекс математических моделей, которые позволяют выбрать технологические меры при отработке угольных пластов, направленные на сглаживание гидрогеохимических аномалий в геологической среде. Эти меры сочетают порядок горных и рекультивационных работ с применением поверхностного дренажа и активного покрывающего слоя.

Технологическое сглаживание гидрогеохимических аномалий в пределах геологической толщи шахтного поля достигается развитием горных работ вначале по площади, а затем в глубину, направлением рекультивации поверхности от реки в сочетании с активным покрывающим слоем и поверхностным дренажем.

Ключевые слова: шахтное поле, гидрогеохимическая аномалия, компоненты геологической толщи, порядок горных работ, активный слой, дренаж.

Abstract

Petrichenko P.N. “Dynamics of solid and liquid components in coal-containing stratum as the base of smoothing technogeneous anomalies” - Manuscript.

The thesis for obtaining the scientific degree of “Candidate of technical sciences” on the speciality 05.15.11 “Physical processes of mining”. National Mining University. Dnipropetrovsk. 2004.

The problem of stabilizing technological influence on dominating physical and chemical processes in underground coal mining within mining field is solved. The dependencies in change of solid and liquid phases of coal-containing stratum is established. The following technological scheme is considered: coal-containing mine rock - a slag heap (remediation site) - an absorbing surficial soil layer - ground water flow into a mine and a natural surface stream. The established dependencies bound anomalies in chemical components concentrations with the sequence of mining field working and remediation strategies.

The grounded complex of mathematical models allows choosing in technical measures aimed at smoothing hydrogeochemical anomalies in geological medium under coal layer working. The proposed measures combine the sequence of mining and remediation works using drainage and an active re-covered layer.

Key words: mining field, hydrogeochemical anomaly, components of geological stratum, sequence of mining works, active layer, drainage.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У вітчизняному і закордонному науково-практичному досвіді з управління фізико-хімічними процесами, що входять у технологічний комплекс відпрацювання вугільних пластів підземним способом, виділяються: гірничо-технічні заходи, що супроводжують гірничі роботи; спеціальні рекультиваційні заходи, водорегулювання в підземних умовах і на поверхні, очищення вод; створення протифільтраційних завіс і поховання шахтних вод у геологічні структури.

Усі ці технології можуть бути ефективними в обмеженій зоні геологічної товщі шахтного поля і при їхньому застосуванні розглядаються досить автономно без ув'язування з загальними фізико-хімічними процесами, що супроводжують техногенне переміщення речовин в ланцюжку: вугленосна товща - шахтний відвал (ділянка рекультивації) - поглинаючий комплекс покривних відкладень - фільтраційний потік з поверхні в шахту і природний водотік.

Аналіз ефективності застосування закачування мінералізованих шахтних вод у замкнуту геологічну структуру підказує дуже важливий напрямок у стабілізації фізико-хімічних аномалій при підземному відпрацюванні вугілля - концентрації макро- і мікрокомпонентів у твердій і рідкій фазах геологічного середовища можна згладити за координатою часу, не змінюючи їх об'ємного вмісту в цілому, що і визначає тему та ідею досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках досліджень кафедри гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету і є складовою частиною держбюджетної теми і міжнародного проекту Еврокомісії (ГП-298, “ROM-BUSS”), 1997-2003 рр. Напрямок досліджень відповідає постанові Кабінету Міністрів України від 28.03.97 №280 „Про хід перебудови вугільної галузі”.

Мета дисертаційної роботи полягає в дослідженні домінуючих фізико-хімічних факторів у динаміці переміщення твердої і рідкої фаз геологічного середовища при веденні гірничих робіт та обґрунтуванні на цій основі технологічних заходів для згладжування аномальних концентрацій макро- і мікрокомпонентів.

Задачі, вирішені в дисертаційній роботі, полягають у наступному.

Установити вплив основних макро- і мікрокомпонентів геологічного середовища в процесі його технологічного переміщення на зміну гідрогеохімічного фону на шахтному полі.

Установити механізм самовідновлення порушених компонентів геологічного середовища з метою його наступної активізації.

Розробити прогнозні моделі, що відбивають динаміку гідрогеомеханічних змін у геологічному середовищі при веденні гірничих робіт з видобутку вугілля.

Виконати моделювання гідрогеохімічних процесів у різних зонах переміщення твердої і рідкої фаз геологічного середовища на шахтному полі щодо вибору технологічних заходів для згладжування аномальних концентрацій макро- і мікрокомпонентів.

Ідея роботи полягає в обрунтованні стабілізуючого технологічного впливу на домінуючі фізико-хімічні фактори, що супроводжують підземний видобуток вугілля в межах геологічної товщі шахтного поля.

Об'єкт дослідження - фізико-хімічні процеси, що супроводжують підземний видобуток вугілля в межах геологічної товщі шахтного поля.

Предмет дослідження - технологічний ланцюжок переміщень твердої і рідкої фаз геологічного середовища: вугленосна товща - шахтний відвал (ділянка рекультивації) - комплекс покривних відкладень - фільтраційний потік з поверхні в шахту і природний водотік.

Методи дослідження. Для досягнення мети і рішення задач, поставлених у дисертаційній роботі, виконаний аналіз фактичних даних про фізико-хімічні властивості геологічної товщі, комплексне геохімічне випробування шахтних порід, покривних відкладень і підземних вод на експериментальних ділянках, проведений комплекс спеціальних лабораторних аналізів і термодинамічний аналіз парагенетичних асоціацій вуглевміщуючих порід, математичне моделювання міграційних і фільтраційних процесів як інструмент для вибору технологічних заходів для згладжування гідрогеохімічних аномалій у геологічній товщі шахтних полів.

Наукові положення, що виносяться на захист.

1. Технологічний вплив на фізико-хімічні процеси у вуглевміщуючій товщі необхідно формувати з урахуванням змін термодинамічних умов при переміщенні рідкої і твердої фаз геологічного середовища в процесі підземної розробки вугілля, що приводить до формування спадної гідрокарбонатно-сульфатної інверсії фільтраційного потоку, появи гнітючого комплексу рухливих сульфатів, заліза й алюмінію, а також трансформації розсіяної викопної органіки в вуглець, що екстрагується.

2. Гідрохімічні аномалії в межах геологічної товщі шахтного поля, що розроблюється, згладжуються за координатою часу шляхом використання геохімічно активного покриваючого шару на поверхні шахтного відвалу і сорбційного шару карбонатних суглинків у його підгрунті, а також рекультивацією заплави в напрямку від природної дрени з одночасним розвитком гірничих робіт спочатку за площею, а потім у глибину.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Встановлено, що зміна термодинамічних умов гірських порід у природному заляганні і шахтних відвалах активізує алюмосилікати, сульфіди і карбонати заліза, що створюють кисле середовище з пригнобленою рухливістю натрієво-калієвих з'єднань.

2. Доведено, що сорбція мікрокомпонентів у підгрунті шахтного відвалу залежить від мінерального складу ґрунтів і їх дисперсності. Присутність кальциту визначає ріст водневого показника розчинів, підвищуючи буферні властивості ґрунтів.

3. Встановлено, що в процесі роботи шахтного водовідливу в умовах шахт Західного Донбасу між вугленосним комплексом карбону і мезокайнозою відбувається фільтраційна і гідрохімічна інверсія - висхідні потоки змінюються спадними. При цьому провідна роль у формуванні гідрокарбонатного і сульфатного фону належить затопленим мульдам у заплавних ділянках шахтних полів.

4. Показано, що викопна органіка, як складова геохімічного циклу при дослідженні твердої фази геологічного середовища, потребує розгляду її динаміки з двох позицій - геологічного накопичення і перетворення, як основного компонента вуглевидобутку і її подальшого техногенного перетворення в основний компонент відновлення порушеного ландшафту на поверхні шахтних полів. За експрес-метод вивчення динаміки викопної органіки обґрунтований метод електронного парамагнітного резонансу з еталонними парамагнітними властивостями вітриніту і гумусу. Для Західного Донбасу встановлена тісна кореляція між загальним вмістом вуглецю в шахтних відвалах та вмістом, що екстрагується.

5. Обґрунтований комплекс фізико-математичних моделей руху твердої і рідкої фаз геологічного середовища в процесі підземного вуглевидобутку, що відображає ланцюжок: вугленосна товща - шахтний відвал (ділянка рекультивації) - поглинаючий комплекс покривних відкладень - фільтраційний потік з поверхні в шахту і природний водотік. Ці моделі дозволяють вибрати технологічні заходи, що спрямовані на згладжування гідрогеохімічних аномалій у геологічному середовищі.

6. Встановлено, що підвищення мінералізації підземних вод у ґрунтовому водоносному горизонті під шаром шахтних порід істотно залежить від напрямку відсипання шахтної породи на шахтному полі. При відсипанні в напрямку від природного водотоку мінералізація в 2 рази менш ніж при відсипанні в протилежному напрямку.

Зменшення мінералізації шахтних вод більш ніж у два рази досягається, якщо відпрацювання шахтного поля спочатку має площинний розвиток, а потім відбувається поглиблення гірничих робіт.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням фундаментальних положень термодинаміки і гідрогеохімії, динаміки підземних вод, сучасних лабораторних методів досліджень компонентного складу гірських порід, порівнянністю натурних вимірів і результатів моделювання з відхиленням не більш 20%, а також перевіркою розробок у промислових умовах.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей прояву домінуючих фізико-хімічних факторів у геологічній товщі шахтного поля при підземному відпрацюванні вугільних пластів і використанні цих закономірностей в обґрунтуванні технологічного впливу для згладжування аномалій у концентраціях макро- і мікрокомпонентів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

- застосований комплексний підхід в оцінці й обгрунтуванні технологічного впливу на фізико-хімічні фактори у геологічному середовищі при відпрацьовуванні вугільних пластів, що дозволяє ефективно використовувати існуючі рекультиваційні технології і технологію підземного видобутку вугілля в екологічному режимі, що щадить;

- розроблені і використані на практиці технологічні заходи щодо застосування активного геохімічного покриття шахтного відвалу і використання буферного шару в його підгрунті як елементи регулювання геохімічного фону на шахтному полі;

- обґрунтований і застосований у промисловому варіанті порядок ведення гірничих робіт і рекультивації в комплексі з поверхневим дренажем дозволяють згладжувати гідрохімічні аномалії в геологічній товщі шахтного поля і гідрографічній мережі району.

Практична цінність роботи полягає в обґрунтуванні методичних підходів до прогнозування гідрогеохімічних процесів у геологічній товщі шахтного поля, результати якого є базою для прийняття технічних рішень з технологічного згладжування аномальних концентрацій макро- і мікрокомпонентів.

Реалізація роботи. Основні результати дисертаційної роботи використані в заключному звіті до міжнародного проекту “ROMBUSS”, технічному проекті розкриття і розробки заскидної частини поля шахти “Павлоградська” ДХК “Павлоградвугілля” і на ділянці рекультивації заплави р. Самари цієї ж шахти.

Особистий внесок автора. Автором сформульована мета, ідея і наукові положення роботи. Виконані виміри на експериментальній установці і здійснений їх порівняльний аналіз з даними натурних вимірів. Сформульовані підходи до побудови прогнозних моделей і розроблені раціональні технічні рішення щодо згладжування гідрогеохімічних аномалій на шахтному полі.

Апробація результатів досліджень. Основні результати досліджень доповідалися й одержали позитивну оцінку на науковій конференції “Проблеми і перспективи геотехнологій на початку ІІІ тисячоріччя” (Дніпропетровськ, 2002р.), міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми комплексного освоєння гірничовидобувних регіонів” (Дніпропетровськ-Кривий Ріг, 2003р.).

Публікації. Основні наукові і практичні результати роботи викладені в 5 друкованих працях, опублікованих у фахових виданнях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних літературних джерел з 93 найменувань і містить 113 сторінок загального тексту, 30 рисунків і 16 таблиць,3 додатка на 4-х сторінках. Повний обсяг роботи 135 сторінок.

2. Основний зміст роботи

У першому розділі оцінена роль фізико-хімічних процесів як фактора в підземному видобутку вугілля. В основу аналізу покладені сучасні уявлення про геохімічні цикли, що торкаються усіх фаз в розвитку Землі (Б.Р. Вільямс, Р.М. Гаррелс). Гірнича промисловість є одним із самих могутніх факторів перетворення геологічного середовища, обумовленим, у першу чергу, динамікою твердої і рідкої фаз. Це виявляється при водовідливі, виїмці і складуванні гірських порід, просіданні земної поверхні. У вітчизняному і закордонному науково-практичному досвіді розвивається низка напрямків з технологічного ув'язування процесів розробки родовищ і відновлення геологічного середовища, що, мабуть, найбільше раціонально (І.Л. Гуменик, О.В. Колоколов, В.О. Мироненко, А.Г. Шапар) - внутрішнє відвалоутворення, повна і часткова закладка виробленого простору, диференційований водовідлив, водопригнічення, переробка і рекультивація шахтних відвалів та ін. Однак цілісної картини технологічного впливу на гідрогеохімічні зміни геологічного середовища поки не існує. Це визначило задачі дисертаційної роботи з обґрунтування технологічного згладжування гідрогеохімічних аномалій у межах усього ланцюжка переміщення твердої і рідкої фаз геологічної товщі шахтного поля (рис. 1). Для досліджень обраний регіон Західного Донбасу як дуже представницький у розглянутому науково-практичному аспекті.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Схема переміщення твердої і рідкої фаз геологічного середовища на шахтному полі

Другий розділ дисертації присвячений аналізу результатів експериментальних і аналітичних досліджень фізико-хімічних змін у процесі переміщення твердої і рідкої фаз геологічного середовища, що були зосереджені на вузлових ділянках ланцюжка їх руху при підземній розробці вугілля в Західному Донбасі: вугленосна товща - шахтний відвал (ділянка рекультивації) - поглинаючий комплекс покривних відкладень - фільтраційний потік з поверхні в шахту і природний водотік.

Місце розташування трьох експериментальних ділянок відвалів шахтних порід було визначено за різним сполученням геологічних і гідрогеологічних умов, що відбивали заплавне і вододільне положення рельєфу. Для цього були пробурені на кожній ділянці по три свердловини.

Термодинамічний аналіз парагенетичних асоціацій мінералів у залежності від співвідношення кислотно-лужних й киснево-відновлювальних комплексів у породах при температурі гірських порід, яка змінюється, у природному заляганні і шахтних відвалах показав (рис. 2), що в умовах підвищення температури та інфільтрації атмосферних опадів найбільш активні алюмосилікати, сульфіди і карбонати заліза, що створюють кисле середовище з пригнобленою рухливістю натрієво-калієвих з'єднань.

Фізико-хімічний комплекс досліджень властивостей шахтних порід у відвалах проведений з використанням спектрального й атомно-сорбційного методів з урахуванням часу складування за умовною координатою “свіжовідсипана шахтна порода - шахтний відвал до 5 років - шахтний відвал більш 5 років”. Експериментальні ділянки для випробування враховували діапазон зміни геологічних умов товщі, що підстилає, у зоні аерації від 1м до 10м. Найбільш тривалий період часу складування вивченої шахтної породи склав 14 років. За цей період стійко формується сірчано-кисле середовище, для пригнічення якого необхідні карбонатизовані гірські породи (наприклад, заплавні суглинки).

Для 23 проб був проведений порівняльний аналіз сорбції іонів міді, свинцю, марганцю, кадмію і цинку з однокомпонентних розчинів і водяної суміші цих мікроелементів. Вивчення сорбції катіонів металів з багатокомпонентних розчинів при різних значеннях рН показує, що з водяної суміші, яка містить 9 мікрокомпонентів (Pb, Cu, Ni, Co, Zn, Cr, Cd, Mn і Fe) в області рН=2,0, спостерігається сорбція для іонів свинцю і міді. Такі мікроелементи як цинк, нікель, кадмій і кобальт з кислих розчинів не сорбуються.

У кислих середовищах спостерігається тенденція вимивання з породи іонів марганцю, заліза і хрому. Концентрації цих іонів у процесі взаємодії розчину з пробами ґрунту в області рН = 2,0 збільшуються в 2-3 рази вище вихідних, тобто в даних умовах спостерігається десорбція іонів марганцю, хрому і заліза з породи в розчин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Деякі фазові співвідношення в системі K₂O-FeO-Al₂O_3-Si2-CO₂-H₂O у стандартних умовах

Результати експериментальних досліджень сорбції показують, що кількість сорбованих металів залежить, головним чином, від мінерального складу ґрунтів, у меншому ступені - від гранулометричного складу. Серед мінеральних складових частин важливу роль у процесі сорбції грають карбонатні мінерали. Їхня присутність, головним чином кальциту, визначає ріст рН розчинів, підвищуючи буферні властивості ґрунтів.

У процесі освоєння Західного Донбасу ведучим техногенним фактором, що змінює гідродинамічний і пов'язаний з ним гідрогеохімічний режим підземних вод, є шахтний водовідлив. Роль шахтного водовідливу полягає в посиленні вертикального водообміну й опрісненні підземних вод бучаксько-київських відкладень за рахунок поверхневих вод.

Результати факторного аналізу показують (табл. 1), що в порушених техногенезом умовах при формуванні хімічного складу підземних вод, основну роль відіграють два фактори. Їх природа відбиває гідродинамічні умови підземних вод, що змінилися. Перший фактор, що має високі кореляції з двома компонентами (Nа⁺ і Сl^-), відбиває посилення ролі спадної фільтрації у формуванні хімічного складу підземних вод бучаксько-київських відкладень.

Таблиця 1. Матриця парних коефіцієнтів кореляції і факторних навантажень (порушений режим 2000 р.)

Показники	Коефіцієнти кореляції	Факторні навантаження
	Ca+2	Mg+2	Cl-	HCO3-	SO42-	1-й фактор	2-й фактор
Na++K+	0,583	0,615	0,933	-0,152	0,115	0,933	0,056
Ca2+	1,000	0,844	0,491	-0,155	0,596	0,359	0,378
Mg2+		1,000	0,506	-0,037	0,478	0,339	0,249
Cl-			1,000	-0,279	-0,026	0,947	-0,046
HCO-3				1,000	0,291	-0,217	0,944
SO2-4					1,000	-0,023	0,138
Вага фактора, %		56,5	27,1

В процесі роботи шахтного водовідливу в умовах шахт Західного Донбасу між вугленосним комплексом карбону і мезокайнозоєм відбувається фільтраційна і гідрохімічна інверсія: висхідні потоки змінюються спадними. При цьому провідна роль у формуванні гідрокарбонатного і сульфатного фону належить затопленим мульдам у заплавних ділянках шахтних полів.

У третьому розділі представлені результати дослідження накопичення і зміни органічних речовин у вугільній товщі і шахтних породах.

Викопна органіка, як складова геохімічного циклу при дослідженні твердої фази геологічного середовища, вимагає розгляду її динаміки з двох позицій - геологічного накопичення і перетворення, як основного компонента вуглевидобутку і її подальшого техногенного перетворення в основний компонент відновлення порушеного ландшафту на поверхні шахтного поля. Для дослідження динаміки вуглецю була сконструйована і виготовлена фізична модель (рис. 3).

Початкова стадія перетворення органіки протікає в умовах високої вологості. Генерація розсіяної органіки (РО) органічною речовиною здійснюється в середовищі “мінеральна речовина - волога - газ” при підвищенні температури до величини, що визначає існування фізично зв'язаної води, тобто орієнтовно до +130єС. Процес масопереносу продуктів термодеструкції вугілля при цих режимах у гірські породи, що перекривають, моделювався в лабораторних умовах (рис. 3). При створенні фізичної моделі фрагмента вугленосної товщі використані усереднені дані зведеної стратиграфічної колонки Дніпровського буровугільного басейну.

Як експрес-метод виміру вмісту органіки (в експериментах) обґрунтований метод електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) з еталонними парамагнітними властивостями вітриніту і гумусу. В основі методу ЕПР лежать магнітні явища і властивості речовин. Основна магнітна властивість - парамагнетизм більшості мінеральних утворень, явище резонансного поглинання ними СВЧ-енергії при зміні частоти електромагнітного поля чи напруженності. Резонансні методи виміру відрізняються високою чутливістю, тому метод ЕПР дозволяє фіксувати визначені параметри властивостей, коли інші методи дослідження не дають однозначних результатів.

Інтенсивність спектрограм ЕПР (J на рис. 4) пропорційна числу парамагнітних центрів у досліджуваному зразку. Це найбільш розповсюджена характеристика при дослідженні зразків викопної органіки. Ширина спектрограм ЕПР (Н на рис. 4) використовується для одержання додаткової інформації про внутрішні та міжмолекулярні взаємодії.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Основні параметри кривої спектра ЕПР

Досліджена органіка у вугленосних відкладеннях представлена сингенетичною і епігенетичною складовими. Перша - у формі включень лінз, прошарків, що механічно переміщуються в процесі вуглевидобутку. Друга є тонко розсіяною. Деструктивні фактори у вигляді тепла, води і кисню впливають на розсіяну органіку у шахтній породі, що міститься в умовах природного залягання в межах 1-22 %. Кінцевий продукт цього процесу - гумус, доступний для рослин. Процеси деструкції РО протікають з різною інтенсивністю в різних вугленосних районах. Для Західного Донбасу встановлена тісна кореляція між загальним вмістом вуглецю в шахтних відвалах, що екстрагується (рис. 4).

Рис. 4. Залежність кількості вуглецю, що екстрагується, від його валового вмісту

Установлені фактори техногенного метаморфізму РО служать для вибору способу утилізації шахтної породи, коли доступ води і кисню активує деструкцію викопної органіки поряд із пригніченням сірчано-кислотного комплексу. Це істотно відрізняється від підходу з механічною ізоляцією поверхні шахтного відвалу.

У четвертому розділі обґрунтований комплекс математичних моделей руху твердої і рідкої фаз геологічного середовища в процесі підземного вуглевидобутку, що відбивають ланцюжок: вугленосна товща - шахтний відвал (ділянка рекультивації) - поглинаючий комплекс покривних відкладень - фільтраційний потік з поверхні в шахту і природний водотік. Ці моделі дозволяють вибрати технологічні заходи при відпрацюванні вугільних шарів, що спрямовані на згладжування гідрогеохімічних аномалій у геологічному середовищі.

Покриваючий шар на шахтних породах у процесі рекультивації заплавних ділянок шахтного поля повинний нести не механічну ізолюючу функцію, а служити активізатором процесу гумусоутворення з пригніченням активності сульфатів, заліза й алюмінію шляхом перемішування верхнього шару шахтної породи з карбонатним суглинком.

Вертикальна міграція рухливих форм заліза, алюмінію і сульфатів у верхньому шарі відвалів може бути описана рівняннями масопереносу вигляду

, (1)

де C_і - концентрація рухливих форм заліза, алюмінію і сульфатів у поровому розчині; D_z - коефіцієнт дифузії; v_z - швидкість вертикального вологопереносу; _i - параметр швидкості осадження речовини; n_e,i - коефіцієнти ефективної пористості.

У початковий момент часу концентрації всіх компонентів постійні за глибиною: C_i(z,0)=C_i,0. При z вихідна концентрація залишається незмінною в часі C_i/z=0. Через незначні концентрації мігруючих речовин в атмосферних опадах їх масопотік через денну поверхню приймається нульовим:

 (2)

Припускаючи, що швидкість розкладання піриту пропорційна його кількості, що залишилася до даного моменту, можна прийняти: qt(_t)=exp( (t), qz(_z)=exp( z), де µ - параметр швидкості окислювання піриту.

Параметри і можна оцінити на підставі експериментальних даних про окислювання піриту. Наприклад, якщо за період [0,T] у шарі 0zL₀ окислилася частка (0<<1) від початкових запасів піриту, то з умови балансу маси одержимо співвідношення для визначення запасів i-ї речовини в даному шарі в момент T після відсипання відвалів

, (3)

де - вихідні запаси речовини в шарі до глибини L₀, - щільність розподілу речовини уздовж вертикалі. При малій глибині L₀ відбувається практично повне окислювання (1), звідси q₀. Пірит, що не розклався, залишається головним чином у нижній частині даного шару. Інтенсивність надходження рухливого алюмінію у поровий розчин може бути описана аналогічним рівнянням, оскільки цей процес обумовлений зростанням кислотності середовища, що є одним з результатів розкладання піриту.

Запропонована модель прогнозу дозволяє враховувати нерівномірність окислювання піриту за глибиною, а також переривчастий характер міграції при створенні покриття (рис. 5). Прогнозні оцінки перерозподілу фітотоксичних компонентів при різному вмісті CaCo₃ і різних термінах відсипання покриваючого шару моделюються з погрішністю 10-20%.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Розподіл концентрацій сульфатів по глибині (мг/100м породи):

а - у гірській породі; б - в активному шарі; ( ___ експеримент, --- модель)

Міграційний потік із шахтного відвалу в ґрунтові води розглядається за схемою на рис. 6.

Зміна ґрунтових вод під відвалом буде мати вигляд

, (4)

де М_i - мінералізація ґрунтових вод під відвалом у будь-який і-й рік після початку відсипання відвала; М_з - мінералізація порового розчину у відвалі шахтних порід; М_i-1 - мінералізація ґрунтових вод у попередньому році; М₀ - фонова мінералізація ґрунтових вод; V_з - обсяг атмосферних опадів, які фільтруються через породи відвала; V₁ - обсяг минералізованих ґрунтових вод, що залишилися під відвалом після їх витиснення прісними водами: V₂ - обсяг опріснення; V₀ - загальний обсяг ґрунтових вод під відвалом; х_м - відстань, на яку просунуться ґрунтові води.

Для оцінки водообміну в межах усього шахтного поля використана модель, що дозволяє відтворити фільтрацію в багатошаровій товщі із застосуванням чисельного кінцево-різницевого методу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Схема моделювання зміни мінералізації водоносного горизонту під відвалом шахтних порід

За результатами моделювання встановлено, що підвищення мінералізації підземних вод у ґрунтовому водоносному горизонті під шаром шахтних порід істотно залежить від напрямку відсипання шахтної породи на шахтному полі: при відсипанні в напрямку від природного водотоку (ріки) мінералізація більш ніж у 2 рази менша її аномального зростання при відсипанні в протилежному напрямку (рис. 8).



Рис. 8. Зміна мінералізації в ґрунтовому водоносному горизонті при різному напрямку відсипання шахтної породи: 1- фонова мінералізація; 2,3 - мінералізація при відсипанні відповідно від ріки і до ріки

Згладжування аномальної мінералізації шахтних вод досягається за рахунок компонування дренажних мір на шахтному полі в сполученні з порядком відпрацювання його блоків, що мають різний зв'язок із зоною активного водообміну. На прикладі шахти “Павлоградська” (рис. 9) досягається зменшення мінералізації шахтних вод більш ніж у два рази (з 11,5 г/л до 4,5 г/л), якщо відпрацювання шахтного поля спочатку має площинний розвиток, а потім відбувається поглиблення гірських робіт (варіант 1), або навпаки (варіант 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9 Зміна шахтного водопритоку і мінералізації при 1 і 2 варіантах відпрацювання поля шахти “Павлоградська”.

Практичне застосування розробок у межах поля шахти “Павлоградська” ДКХ “Павлоградвугілля” складалося в обґрунтованому виборі порядку відпрацювання пластів С₁ і С₄ і рекультивації поверхні з застосуванням активного покриваючого шару.

Висновок

Виконані дослідження є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна науково-прикладна задача щодо встановлення закономірностей прояву домінуючих фізико-хімічних факторів у геологічній товщі шахтного поля при підземному відпрацюванні вугільних пластів і використанні цих закономірностей в обґрунтуванні технологічного впливу для згладжування аномалій у концентраціях макро- і мікрокомпонентів.

Основні науково-практичні результати дисертаційної роботи зводяться до наступного.

1. Експериментальні й аналітичні дослідження фізико-хімічних змін у процесі переміщення твердої і рідкої фаз геологічного середовища у вузлових ділянках ланцюжка їх руху при підземній розробці вугілля в Західному Донбасі показують, що в гірських породах при температурі гірських порід, що змінюється, у природному заляганні і шахтних відвалах найбільш активні алюмосилікати, сульфіди і карбонати заліза, що створюють кисле середовище з пригнобленою рухливістю натрієво-калієвих з'єднань.

2. Викопна органіка, що є складовою геохімічного циклу при дослідженні твердої фази геологічного середовища, досліджена в динаміці з двох позицій - геологічного накопичення і перетворення, як основного компонента вуглевидобутку і її подальшого техногенного перетворення в основний компонент відновлення порушеного ландшафту на поверхні шахтного поля.

Як експрес-метод вивчення динаміки викопної органіки обґрунтований метод електронного парамагнітного резонансу з еталонними парамагнітними властивостями вітриніту і гумусу.

3. Показано, що деструктивні фактори у вигляді тепла, води і кисню впливають на розсіяну органіку в шахтній породі, що міститься в умовах природного залягання в межах 1-22 %. Кінцевий продукт цього процесу - гумус, доступний для рослин. Процеси деструкції РО протікають з різною інтенсивністю в різних вугленосних районах. Для Західного Донбасу встановлена тісна кореляція між загальним вмістом вуглецю в шахтних відвалах та тим, що екстрагується.

Установлені фактори техногенного метаморфізму РО служать для вибору способу утилізації шахтної породи, коли доступ води і кисню активує деструкцію викопної органіки поряд із пригніченням сірчано-кислотного комплексу.

4. Встановлено, що в процесі роботи шахтного водовідливу в умовах шахт Західного Донбасу між вугленосним комплексом карбону і мезокайнозоєм відбувається фільтраційна і гідрохімічна інверсія - висхідні потоки змінюються спадними. При цьому провідна роль у формуванні гідрокарбонатного і сульфатного фону належить затопленим мульдам у заплавних ділянках шахтних полів.

5. Обґрунтований комплекс фізико-математичних моделей руху твердої і рідкої фаз геологічного середовища в процесі підземного вуглевидобутку, що, відбивають ланцюжок: вугленосна товща - шахтний відвал (ділянка рекультивації) - поглинаючий комплекс покривних відкладень - фільтраційний потік з поверхні в шахту і природний водотік. Ці моделі дозволяють вибрати технологічні заходи при відпрацюванні вугільних шарів, що спрямовані на згладжування гідрогеохімічних аномалій у геологічному середовищі.

6. Доведено, що покриваючий шар на шахтних породах у процесі рекультивації заплавних ділянок шахтного поля активізує процес гумусоутворення з пригніченням активності сульфатів, заліза і алюмінія шляхом перемішування верхнього шару шахтної породи з карбонатним суглинком.

7. Обґрунтовані технологічні заходи згладжування гідрогеохімічних аномалій у межах геологічної товщі шахтного поля шляхом розвитку гірничих робіт спочатку за площею, а потім у глибину, напрямку рекультивації поверхні від ріки в сполученні з активним покриваючим шаром і поверхневим дренажем.

Попереджений екологічний збиток від застосування розробок оцінений у сумі 1440 тис. грн.

Основні публікації

1. Механизм образования рассеянной органики в угленосных отложениях. Садовенко И.А., Поляшов А.С., Петриченко П.Н., Инкин А.В., Тишков В.В. // Сборник научных трудов НГАУ. - 2000, №10. - С. 175-178.

2. Рудаков Д.В., Садовенко И.А., Петриченко П.Н. Моделирование миграции фитотоксичных компонент в верхнем слое отвалов шахтных пород // Науковий вісник НГА України. - 2001. -№ 5. -С. 134-135.

3. Поляшов А.С., Садовенко И.А., Петриченко И.А. О метаморфизме угленосной толщи Донбасса // Науковий вісник НГА України. - 2001, № 4. - С. 27-28.

4. Поляшов А.С., Садовенко И.А., Петриченко И.А. Процессы техногенного преобразования пород Западного Донбасса // Сборник научных трудов НГА Украины. -2001, № 11. - Том 1. -С. 21-25.

5. Садовенко І.О., Петриченко П.М., Тішков В.В., Опанасенко М.Є. Реабілітація поверхні шахтних відвалів // Вісник ЖІТІ. - 2002, Вип. IV (23). С. 303-308.

6. Управление гидрогеохимическим фоном при ведении горных работ. Садовенко И.А., Петриченко П.И., Тимощук В.И., Тишков В.В., Инкин А.В. // Материалы международной научно-практической конференции „Проблемы комплексного освоения горнодобывающих регионов”. - Днепропетровск-Кривой Рог. - 2003, № 12. - С. 65-71.

Размещено на Allbest.ru

...