НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЗАГРИЦЕНКО АЛІНА МИКОЛАЇВНА

УДК 622.5:622.841:622.847

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ КЕРУВАННЯ

ГІДРОДИНАМІЧНИМ РЕЖИМОМ ПРИ ЗАКРИТТІ ВУГІЛЬНИХ ШАХТ

Спеціальність: 05.15.11 – Фізичні процеси гірничого виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

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:

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, професор, завідувач лабораторії фізичного і математичного моделювання незворотних процесів Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України |

НАЗИМКО

Віктор Вікторович

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, доцент кафедри аерогідромеханіки Дніпропетровського національного університету Міністерства освіти і науки України |

РУДАКОВ

Дмитро

Вікторович

Провідна установа: Інститут геотехнічної механіки Національної академії

наук України ім. М.С. Полякова, відділ геології вугільних

родовищ великих глибин (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться “25” червня 2004р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, т. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий “24” травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03

кандидат технічних наук, доцент Тимощук В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Реструктуризація вугільної промисловості України визначила необхідність закриття ряду нерентабельних вугільних підприємств та підриємств, що відпрацювали запаси вугілля. На території Донецького басейну підлягають ліквідації 64 вугільні підприємства (у т.ч. 38 шахт у Донецькій області, 26 - у Луганській), фактичний водовідлив яких складає близько 7 м3/с, сумарний обсяг гірничих виробок - 1,3 млрд. м3. Надзвичайно гостро, в цьому зв'язку, стоїть питання досягнення екологічної безпеки прилеглих територій і технічної безпеки розвитку гірничих робіт в межах діючих шахт, суміжних із затоплюваними.

Серед комплексу проблем, що супроводжують процес закриття шахт, особливу актуальність мають задачі прогнозування режиму їх затоплення. Це зумовлено тим, що в гірничий практиці неконтрольований режим відновлення рівнів підземних вод у порушеному гірничими роботами породному масиві супроводжується негативними наслідками, а саме: зниженням стійкості породних масивів, ускладненням при веденні гірничих робіт на гидродинамічно пов'язаних горизонтах, підтопленням територій та ін.

Для ефективного управління гідродинамічним режимом при затопленні шахтних полів необхідна детальна розробка методичних підходів до прогнозування динаміки відновлення рівнів підземних вод вугільної товщі та обґрунтування заходів для попередження технічних та екологічних аварій. Відсутність науково обгрунтованої методики приводить до низької достовірності прогнозів, що зумовлює, у свою чергу, низьку надійність і ефективність технічних рішень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках досліджень кафедри гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету та є складовою частиною держбюджетних і госпдоговірних НДР, виконаних у 1997-2002 рр., відповідно до постанов Кабінету Міністрів України від 28.03.97 №280 “Про хід перебудови вугільної промисловості” (реєстраційні номери 0198U2438, 0198U15645), у яких автор була виконавцем.

Мета роботи полягає в обґрунтуванні параметрів і способів керування гідродинамічним режимом затоплення шахт, що дозволяє досягти технічної й екологічної безпеки.

Задачі, вирішені в дисертаційній роботі, складаються в наступному:

1.

2.

3.

4.

Ідея роботи полягає в управлінні гідродинамічним режимом порушеного гірничими роботами вуглепородного масиву шляхом обґрунтування параметрів, що визначають динаміку відновлення рівня підземних вод при затопленні вугільних шахт, з метою забезпечення прийнятного функціонування елементів геотехнічної системи регіону шахт, що закриваються.

Об'єкт дослідження – закономірності формування гідродинамічного режиму порушеного гірничими роботами гірського масиву в умовах закриття вугільних підприємств Центрального району Донбасу (ЦРД).

Предмет дослідження – параметри управління гідродинамічним режимом при затопленні вугільних шахт, що закриваються.

Методи дослідження. Для досягнення мети і вирішення задач, поставлених у дисертаційній роботі, виконаний комплекс теоретичних та експериментальних досліджень, серед яких: критичний аналіз літератури за станом досліджуваного питання, кількісна оцінка гідродинамічного режиму затоплення шахт у 1941-1944 рр. із застосуванням методів математичної статистики, факторно-діапазонний аналіз на основі чисельного рішення спеціальних тестових задач, математичне моделювання процесу затоплення для умов конкретних шахт. Експериментальні дослідження полягали у вимірі фактичних положень рівня підземних вод при відключенні водовідливів шахт з метою перевірки теоретичних висновків про закономірності підвищення рівня.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Водопровідність гірського масиву в режимі дренування і затоплення відрізняється в кілька разів, а нестаціонарне відновлення рівнів у межах шахтного поля описується кривою другого порядку при діапазоні уповільнення 0,145-0,89 м/міс2. Різниця фільтраційних потенціалів затоплюваних шахт сягає 250 м, а в межах регіону ЦРД формується загальний гідродинамічний ухил з перепадом рівнів до 300 м, що є визначальним чинником при розподілі потужностей і порядку групування водовідливів.

2. Основним параметром, що визначає характер і швидкість затоплення шахтних полів, є коефіцієнт нестачі пружного насичення порід гірського масиву (статистична значимість більш 60%), що комплексно характеризує роль пружних деформацій води і деформаційних властивостей водовміщуючих порід, що визначає час використання водовідливних потужностей та основні методичні підходи до вибору технічних схем водорегулювання в межах регіону ЦРД.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уперше встановлено, що коефіцієнт заповнення, який використовується в аналітичних розрахунках режиму затоплення шахт, не пояснює нелінійний характер підйому рівнів і зміну водопритоків. Прогнозування гідродинамічного режиму затоплення найбільш достовірно при застосуванні методів математичного моделювання геофільтраційних процесів.

2. Сформульовані умови схематизації фільтраційних процесів вугільної товщі, необхідні для адекватного відображення гідродинаміки регіону ЦРД кінцево-різнісною моделлю різного масштабу.

3. Уперше обґрунтовані фільтраційні параметри, що визначають динаміку відновлення рівневих поверхонь при затопленні шахт.

4. Доведено, що геофільтраційна схематизація шахтних полів повинна здійснюватися таким чином, щоб вироблений простір задавався як окремі водоносні горизонти, а розділяючі аргіліто-алевролітові товщі – як слабопроникні шари. Така схематизація дозволяє більшою мірою враховувати вплив пружної ємності води і водовміщуючих порід та ідентифікувати на моделі процес затоплення.

5. Уперше встановлено, що процес відновлення рівневої поверхні вугільної товщі при затопленні шахт практично не пов'язаний з процесами підтоплення і затоплення територій населених пунктів і земельних угідь, оскільки здійснюється в умовах пружного режиму фільтрації.

6. На основі регіональної і фрагментарної фільтраційних моделей обґрунтовані параметри технологічних схем поетапного переходу регіону ЦРД у режим самодренування на основі регіональної і фрагментарної фільтраційних моделей.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується результами аналізу й оцінки фактичних даних щодо затоплення шахт Донбасу у воєнний період, використанням фундаментальних положень руху підземних вод у пружному і жорсткому режимі фільтрації, задовільною збіжністю (більш 80%) результатів прогнозних розрахунків і фактичних спостережень за процесом відновлення рівневих поверхонь та зміною водопритоків.

Наукове значення роботи полягає у встановленому домінуванні нестаціонарного пружного режиму відновлення рівнів підземних вод з одночасним формуванням поля фільтраційних потенціалів між шахтними полями й обґрунтуванні принципів геофільтраційної схематизації шахтних полів при прогнозуванні прийнятного гідродинамічного режиму їх затоплення.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Режимоутворюючі гідродинамічні параметри дозволяють обґрунтовувати мінімальні проектні потужності водовідливів і визначати час їх застосування, що дозволяє уникнути несприятливих технічних ситуацій.

2. Запропонована схема водорегулювання при затопленні шахт із використанням групування і моніторингового режиму буферних шахт дозволяє зменшити вартість ліквідаційних робіт і наблизити перехід території в режим самодренування.

Практична цінність роботи полягає в обґрунтуванні методичних підходів прогнозування процесу затоплення, результати якого є базою для прийняття технічних рішень з управління режимом затоплення і досягненню технічної й екологічної безпеки з мінімальними капіталовкладеннями.

Реалізація роботи. Основні результати роботи використані при прийнятті технічних рішень з управління гідродинамічним режимом затоплення в проектах ліквідації шахт Центрального району Донбасу (ш. ім. Артема, ш. “Кіндратівка”), а також шахті “Центральна-Макіївська” у Донецько-Макіївському регіоні.

Особистий внесок автора. Автором сформульовані мета, ідея і наукові положення роботи. Виконаний факторно-діапазонний аналіз і обґрунтовані режимоутворюючі фільтраційні параметри при затопленні. Розроблені основні принципи формування технічних рішень, що дозволяють досягти технічної та екологічної безпеки.

Апробація результатів досліджень. Основні результати досліджень доповідалися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку на технічних радах ДК “Укрвуглереструктуризація” (Донецьк, 1998-2001рр.), науковій конференції “Проблеми і перспективи геотехнологій на початку ІІІ тисячоріччя” (Дніпропетровськ, 2002 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Форум гірників” (Дніпропетровськ, 2003 р).

Публікації. Основні наукові і практичні результати роботи викладені в 6 друкованих працях, опублікованих у спеціалізованих виданнях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних літературних джерел з 130 найменувань і містить 109 сторінок машинописного тексту, 22 малюнка і 3 таблиці на 18 сторінках, 2 додатка. Загальний обсяг роботи 156 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі охарактеризовані основні гідрогеоекологічні та технічні аспекти закриття шахт методами мокрої і сухої консервації. Виконаний критичний аналіз методів прогнозної оцінки режиму затоплення й основних напрямків технічних рішень з управління гідродинамічним режимом.

В основу методів, що застосовуються при прогнозуванні процесу затоплення, покладені залежності, отримані в 1944 р. при відбудові затоплених у період окупації шахт:

(1)

Аналіз фактичних даних про швидкість і час затоплення (t) шахт свідчить про те, що заповнення водою (Q) певних об?ємів гірничих виробок (V) відбувається набагато швидше, ніж передбачалося. Припустивши, що дійсний об?єм затоплених гірничих виробок менше первісно виробленого підземного простору, введено поняття про коефіцієнт заповнення (Кз), що характеризує ступінь цілості гірничих виробок і чисельно дорівнює відношенню об?єму води, що надійшла в шахту, до об?єму виробленого простору.

Розрахунок коефіцієнта заповнення по шахтах Донецького басейну показує широкий (від 0,2 до 1,0) діапазон його зміни. Спроба встановити залежність Кз від гірничо-геологічних умов свідчить про досить суперечливі результати, узагальнення яких не вирішує питання динаміки рівневої поверхні при затопленні шахти.

Залежність (1) можна розглядати як гідравлічне заповнення порожнеч гірського масиву без урахування особливостей геофільтраційних процесів, які відбуваються в ньому.

Найбільш вірогідно відображає процес затоплення шахтних полів метод чисельного моделювання геофільтраційних процесів, що дозволяє знайти залежність динаміки рівнів та витрат у часі і за площею. Рішення прогнозних задач методом моделювання дозволяє створювати багатошарові моделі, що відображають різні фільтраційні властивості водоносних порід і розділяючих шарів, враховувати дані про графік вибуття шахт з експлуатації і технічні параметри водовідливів. Точність чисельних гідродинамічних рішень визначається, головним чином, якістю геофільтраційної схематизації області фільтрації й обґрунтуванням значень фільтраційних і ємнісних параметрів водоносних шарів і водотривких товщ гірських порід.

Оскільки результати прогнозів є основою для прийняття технічних рішень з управління режимом затоплення й обумовлюють їх надійність та ефективність, у дисертаційній роботі детально аргументована необхідність розробки основних методичних підходів прогнозування динаміки відновлення рівнів підземних вод вуглевміщуючої товщі.

Досвід ліквідації вугільних шахт свідчить про те, що технічні рішення, у своїй більшості, тяжіють до будівництва чи розширення потужних водовідливних комплексів на нижніх дренажних горизонтах з метою організованого перепуску води на діючі шахти.

Застосування такої технології управління гідродинамічним режимом не наближає перехід території вуглевидобутку до кінцевої схеми самодренування. Питання майбутнього затоплення шахт залишається відкритим. Для управління рівневим режимом на верхніх горизонтах знадобляться додаткові інвестиції, при цьому ступінь вірогідності прогнозів не буде збільшена в порівнянні з існуючою інформаційною базою.

Важливим аспектом проблеми є значні капітальні та експлуатаційні витрати на будівництво і утримання водовідливних комплексів. При організації такої схеми водорегулювання проектна вартість робіт ліквідації шахт складає від 30 до 60 млн. грн. Ситуація ускладнюється недотриманням термінів будівництва капітальних водовідливних комплексів. Це, у свою чергу, приводить до додаткових витрат на фізичну ліквідацію шахт за рахунок їх утримання.

Недосконалість методичних підходів прогнозування гідродинамічного режиму в умовах закриття і затоплення шахтних полів, недостатня ефективність на практиці традиційних підходів до прийняття технічних рішень визначили мету, задачі та ідею дисертаційної роботи.

В другому розділі виконана кількісна оцінка фактичних даних відновлення рівневої поверхні при затопленні шахт ЦРД у воєнний період (1941-1944 рр.). З даних таблиці 1 видно, що швидкість відновлення рівнів підземних вод коливається в діапазоні 11-42 м/міс, уповільнюючись зі швидкістю 0,14-0,89 м/міс2. Розрахунки показують, що час повного відновлення рівней вуглевміщуючої товщі змінюється від 3,9 до 7,4 років.

Таблиця 1

Розрахункові значення швидкості та уповільнення

руху рівнів підземних вод вуглепородної товщі

Назва шахти | Значення

швидкості, м/міс | Уповільнення,

м/міс2 | Розрахунковий час

відновлення рівня, роки

ім. Дзержинського | 12,38 | 0,15 | 6,9

”Комсомолець” | 11,48 | 0,14 | 6,6

ім Леніна | 11,53 | 0,15 | 6,4

“Кочегарка” | 15,16 | 0,17 | 7,4

ім. “Гаєвого” | 19,53 | 0,30 | 5,4

ім. К. Маркса | 22,1 | 0,37 | 4,9

“Червоний Профінтерн” | 42,07 | 0,89 | 3,9

ш. “Червоний Жовтень” | 20,61 | 0,36 | 4,7

ш. “Юний Комунар” | 21,86 | 0,38 | 4,7

Для прийняття обґрунтованих рекомендацій з технологічного управління гідродинамічним режимом шахт ЦРД в умовах їх планомірного вибуття з експлуатації створено регіональну математичну модель для прогнозування процесу затоплення.

В її основу покладено рішення основного диференційного рівняння несталої фільтрації методом кінцевих-різностей

, (2)

де H – шукана функція напору; Tx, Ty – провідність водоносного шару відносно лінійних координат x і y, відповідно; W – живлення (розвантаження) по водоносному шару; м*- коефіцієнт пружної водовіддачі; t – час.

Кінцево-різнісна апроксимація рівняння (2), що характеризується величинами напорів Н (xj,yi,tk) (в межах розрахункового блоку Дx ,Дy) в усіх вузлових точках сітки на ряд моментів часу t із кроком t, віднесених до фільтраційного опору (Ф), має вигляд:

(3)

З огляду на регіональний масштаб об'єкта досліджень і техногенну зміну природної проникності масиву гірських порід, геофільтраційна модель відображає двошарову водоносну товщу, де верхній шар – це безнапірний водоносний комплекс покривних відкладень, а нижній - водовміщуючі породи карбонових відкладень.

Ідентифікація моделі за її фізичною подобою об'єкту досягнута завданням масивів вхідних даних, що дозволили збалансувати модель в гідродинамічних межах і одержати положення рівнів, близьке до фактичного.

Динамічної подібності чисельної моделі, тобто її адаптація для рішення прогнозних задач відновлення рівнів підземних вод у масиві з іншими фільтраційними властивостями, досягнено шляхом модельного відтворення динаміки рівневого режиму затоплення шахт, зафіксованого у воєнний період.

За результатами рішення зворотних і варіантного ряду прогнозних задач отримані важливі кількісні співвідношення в режимах дренування і затоплення шахт, визначене просторове положення сталої рівневої поверхні, встановлено, що режим перетоку визначається фільтраційним опором масиву гірських порід.

Водопровідність гірського масиву в режимі дренування і затоплення відрізняється в кілька разів, а в межах регіону ЦРД зберігається структура природного дренування території з формуванням гідродинамічного ухилу (до 300м). Різниця фільтраційних потенціалів затоплюваних шахт досягає 250 м. Це є визначальним чинником при розподілі потужностей та порядку групування водовідливів шахт.

Нестаціонарність процесу затоплення, зафіксована у воєнний час, досягнута на моделі введенням коригувальних множників, що прискорюють процес відновлення рівнів. Ця обставина свідчить про те, що на масштабних геофільтраційних моделях не всі фактори піддаються кількісній оцінці, у даному випадку це фактори, що визначають швидкість підйому рівневих поверхонь.

В третьому розділі дисертаційної роботи розглянуто фізичний зміст коригувальних множників на основі детальної фрагментації моделі, як у геометричному масштабі, так і в плані побудови і тестування її функціональних характеристик. Це дозволило завершити науково-методичне обґрунтування підходів як для прогнозування процесу затоплення вугільних шахт, так і технічних засобів його організації.

Типову модель шахтного поля побудовано для рішення спеціально обраних тестових задач з метою виявлення головних і другорядних факторів, що визначають гідродинамічний режим при затопленні.

При рішенні тестових задач застосований метод факторно-діапазонного аналізу з метою установлення впливу основних гідродинамічних параметрів на досліджуваний процес. Вплив кожного з них оцінений за величиною збільшення динамічних функцій (напору чи водопритоку) в обраних опорних точках. Діапазонна оцінка полягає в рішенні задач при крайніх значеннях параметрів з відомих діапазонів їх зміни.

На фільтраційній схемі-моделі шахтного поля відображені найбільш принципові особливості гідродинамічної обстановки досліджуваного об'єкта, що визначають умови руху підземних вод у приповерхневій товщі (шар 1 розрахункової моделі) та на робочих горизонтах шахти (шар 2, 3, 4).

Проведені на геофільтраційній моделі чисельні гідродинамічні експерименти дозволили встановити, що збільшення значень коефіцієнта фільтрації (Кф) у 10 разів, параметра гідродинамічного зв'язку вугільних шарів (k0/m0) у 2,5 рази, коефіцієнта гравітаційного насичення (мн) у 100 разів, суттєво не змінюють динаміку підйому рівнів підземних вод вугільної товщі (рис.1).

Основний вплив на характер і швидкість відновлення рівневої поверхні вуглевміщуючої товщі робить коефіцієнт нестачі пружного насичення водовміщуючих х товщ (мн*).

Ріст напорів у випадку затоплення шахти супроводжується пружним розширенням порового простору і гідростатичним стисненням порової рідини, в результаті чого водоносний шар приймає додаткову кількість води. Відповідна ємність шару, що приходиться на одиницю його площі, характеризується коефіцієнтом нестачі пружного насичення.

, (4)

де г0 – питома вага води; ас – коефіцієнт стиснення породи; n - пористість; Ев- модуль пружного стиснення води, m - товщина шару.

Аналіз виразів (2), (4) та результати факторно-діапазонного аналізу свідчать, що швидкість відновлення рівня тим вище, чим менше значення коефіцієнту нестачі пружного насичення. Статистична значимість коефіцієнта нестачі пружного насичення в загальній картині відновлення рівнів складає більш ніж 60%. Сукупний вплив коефіцієнта фільтрації і параметра перетікання розділяючого шару не на багато більше 30%.

Слід зазначити, що параметр нестачі гравітаційного насичення не входить в структуру моделі при жодному зі значень рівня довірчої імовірності. Фізично це означає, що процес затоплення безпосередньо гірничих виробок у загальному процесі затоплення вуглепородного масиву не грає статистично значиму роль.

Збіг ступеня нелінійності (конгруентність) кривих, отриманих на основі модельних експериментів і натурних даних, відзначається при коефіцієнті нестачі пружного насичення, що дорівнює 10-4 (рис. 2).

Оскільки реальне прогнозування будується за схемою епігноз-прогноз з ідентифікацією моделі за параметрами водопровідності, для вугленосної товщі ЦРД значення мн*=10-4 варто визнати обґрунтованим.

Характер зміни водопритоку на різних робочих горизонтах, сусідніх з тими, що закриваються, аналогічний характеру відновлення рівневої поверхні. При відстані між вугільними шарами 25 м перетік на робочі горизонти складає 25-32 м3/год. Зміна значень коефіцієнта фільтрації в 10 разів приводить до збільшення абсолютної величини водопритоку у 2 рази, але час його надходження цілком визначається пружною ємністю шару. Тому проектні потужності водовідливів суміжних шахт стануть на потребі на першому етапі процесу затоплення.

Отриманий при проведенні чисельних гідродинамічних експериментів результат важливий з погляду виявлення раціональних меж геофільтраційної схематизації й обґрунтування загальної вірогідності і надійності побудованої математичної моделі.

Теоретичні висновки про закономірності відновлення рівневого режиму підтверджено рішенням прогнозних задач затоплення шахт, що мають загальні ділянки підробки-надробки. У цьому зв'язку досліджений процес затоплення горизонту k8 ліквідованої шахти “Центральна-Макіївська” з визначенням функції рівнів і водопритоків у часі на робочому горизонті l1 шахти ім. Леніна.

Значення фільтраційних параметрів водомістких зон, а також параметр перетоку розділяючого шару уточнено досягненням на моделі водопритоків і розподілу рівнів підземних вод відповідно фактичним. Нестаціонарну задачу, що моделює процес затоплення, вирішено при різних значеннях нестачі пружного насичення

В межах досліджуваної задачі виконаний натурний експеримент, за результатами якого отримані дані про швидкість затоплення. Характерне збільшення швидкості підйому рівня в 4-5 разів при зміні типу режиму фільтрації ще раз підтверджує домінуючу роль мн* у формуванні рівневого режиму.

Згідно з фактичними даними процес затоплення 10 горизонту шару k8 на шахті “Центральна Макіївська” буде здійснюватися за прогнозною схемою, при якій коефіцієнт нестачі пружного насичення дорівнює 10-4. Прогнозні розрахунки перетоків у зоні підробки-надробки свідчать, що затоплення шару k8 ш. “Центральна-Макіївська” не загрожує безпеці ведення гірничих робіт на шарі l1 шахти ім. Леніна.

У четвертому розділі за результатами досліджень, наведених у попередніх розділах, сформульовані основні принципи формування технічних рішень, що дозволяють досягти технічної та екологічної безпеки при затопленні шахт, і обґрунтувані технологічні рішення для конкретних умов шахт, що закриваються (“Центральна-Макіївська”, “Кіндратівка”).

Уся сукупність технічних рішень повинна бути підлегла кінцевій генеральній схемі - самодренуванню території. При цьому, загальним правилом у технічних діях при затопленні повинно бути досягнення як можна вищих дренажних позначок водовідливів. Моніторинговий режим затоплення дозволить підвищити якість інформаційної бази, необхідної для достовірного прогнозування процесу.

Дійсними дослідженнями доведено, що масив гірських порід зберігає пружну ємність і підйом рівнів підземних вод відбувається в пружному режимі фільтрації. Це означає, що підтоплення прилеглих населених пунктів і земельних угідь не можна прямо пов'язувати з процесом затоплення шахт. Підтвердженням цьому є масовий характер підтоплення на полях діючих шахт.

Ці процеси викликані зміною складових регіонального режиму фільтрації ґрунтових вод у системі “вододіл - заплавно-руслова зона” (рис. 3).

На площі, де зафіксовані максимальні осідання денної поверхні в процесі експлуатації шахт та існують гідрогеологічні передумови для накопичення в межах мульд зрушення поверхневих і підземних вод, необхідно розташувати систематичний поверхневий дренаж. Його дію можна підсилити буровими свердловинами, що фонтанують, при сполученні їх стовбурів з магістральними виробками.

На проміжному етапі найбільш доцільно управляти процесом за допомогою заглибних насосів без прив'язки до горизонту відкачки. Схема синхронізації гірничих робіт і затоплення шахт ЦРД передбачає відключення водовідливу шахти, що закривається, (чи групи), що межує з працюючою, за допомогою шахти-буфера. Остання дозволяє зменшити гідродинамічне навантаження на діючу шахту, утворити гідродинамічно буферну зону і забезпечує підтримку прийнятної екологічної ситуації.

При всіх умовах Q1>V2 +(V3-Q3) (табл. 2). У режимі управління заглибними насосами можна зменшувати V2 доти, поки буде вистачати резерву водовідливу в шахті, що працює.

Таблиця 2

Схема дії буферної шахти*

Працююча шахта | Буферна шахта | Затоплювана шахта

К3

Q3

V3 | К2

Q2

?V2 | К1

?Q1

?V1

При роботі всіх шахт: К1>К3>К2, Q1>Q3>Q2

У випадку затоплення: К1>К3>К2, V3>V2>V1

* К1,2,3 – коефіцієнт фільтрації; Q1,2,3 – величина водовідливу шахт; V1,2,3 – величина водовідливу чи перетоку при затопленні шахти (стрілка вказує напрямок).

Така схема управління гідродинамічним режимом дозволяє знизити капітальні витрати на реконструкцію стаціонарних водовідливів, зменшити тим самим тривалість утримання шахти, що закривається. Скорочення часу ліквідаційних робіт на 1 місяць дозволяє зменшити витрати в коштах близько 1 млн. гривень.

Розроблена схема водорегулювання з використанням групування і моніторингового режиму гідродинамічних буферних зон прийнята в проектах ліквідації шахт Центрального району Донбасу. Очікуване зниження експлуатаційних витрат на ліквідацію шахт складає від 800 до 1500 тис. грн. на рік.

Для обґрунтування рекомендацій по досягненню безпечного режиму затоплення ш. “Кіндратівка” виконані оцінні розрахунки стійкості бар'єрних ціликів. Умова стійкості цілика під дією напору води, визначається за методикою І.О. Садовенка:

, (5)

де m – потужність вугільного цілика; hв, H – напір води над ціликом і глибина його закладення від поверхні, відповідно; гв, гп – відповідно густина води і середньозважена густина гірських порід між цілком і поверхнею; k – коефіцієнт концентрації напружень.

Для умов: hв=250м, Н=830м, гп=2500 кг/м3, m=1м, ц=10°, С=1МПа, k=1,5 розрахункова ширина цілика не перевищує 3 м, що значно менше розмірів міжшахтних ціликів. За цією ж методикою перевірена модифікована умова гідророзриву цілика по вертикальним тріщинам:

, (6)

де ? – коефіцієнт Пуассона.

При свідомо завищеному значенні ?=0,2 умова (6) не виконується.

Фрагментарне моделювання процесу затоплення й проведені розрахунки дозволяють вести затоплення шахти в моніторинговому режимі без додаткових вкладень на реконструкцію водовідливів суміжних шахт “Вуглегорська” і ім. “Калініна”. При цьому функції ш. “Кіндратівка” у технологічній схемі водорегулювання регіону ЦРД визначені у вигляді гідродинамічної буферної зони. Очікуване зниження експлуатаційних витрат на ліквідацію шахти “Кіндратівка” складає 800 тис. гривень на рік в порівнянні з режимом сухої консервації.

ВИСНОВОК

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій вирішена наукова і прикладна задача досягнення технічно ефективного й екологічно безпечного режиму затоплення шахт, що закриваються, на основі врахування параметрів нестаціонарного пружного режиму фільтрації з одночасним формуванням поля фільтраційних потенціалів, що визначає час використання водовідливів і методичні підходи до вибору технічних схем водорегулювання.

Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному.

1. Чисельну гідродинамічну модель адаптовано для рішення прогнозних задач відновлення рівнів підземних вод у порушеному породному масиві при закритті вугільних шахт. Обґрунтована доцільність застосування методу математичного моделювання, що найбільш достовірно відображує динаміку процесу затоплення шахтних полів. Збіжність результатів розрахунків з даними фактичних спостережень за процесом відновлення рівнів більше 80%.

2. За результатами рішення зворотних і варіантного ряду прогнозних задач отримані важливі кількісні співвідношення в режимах дренування і затоплення шахт, визначене просторове положення сталої рівневої поверхні, встановлено, що режим перетоку визначається фільтраційним опором масиву гірських порід.

3. На експериментальній чисельній моделі шахтного поля обґрунтовані закономірності динаміки відновлення рівнів і зміни водопритоків затоплюваних гідродинамічно відкритих і закритих вугільних шахт. На підставі факторно-діапазонного аналізу параметрів встановлено, що характер і швидкість затоплення порушеного гірського масиву визначається його пружною ємністю. Статистична значимість коефіцієнта нестачі пружного насичення порід у досліджуваному процесі складає більше 60%.

4. Встановлено, що процеси підтоплення і затоплення територій населених пунктів і земельних угідь не можна прямо пов'язувати з процесом відновлення рівневої поверхні вуглепородної товщі при затопленні шахт, оскільки останній здійснюється в умовах пружного режиму фільтрації.

5. Розроблені науково-методичні підходи прогнозування гідродинамічної обстановки в межах затоплюваних шахтних полів. Вплив пружної ємності води і водовміщуючих порід у процесі затоплення шахтних полів в найбільшій мірі може бути врахований при детальній схематизації зон відпрацьованих вугільних шарів і поділяючих їх слабопроникних аргіліто-алевролітових товщ.

6. Розроблені технологічні підходи до управління гідродинамічним режимом затоплення шахт, що базуються на врахуванні фільтраційних опорів масиву гірських порід і наближають перспективу переходу території в режим самодренування. Затоплення гідродинамічно пов'язаних шахт через шахту-буфер найбільш раціональне з погляду економічної доцільності, технічної безпеки й екологічної прийнятності.

7. Результати рішення практичних задач для конкретних умов шахт, що закриваються (“Кіндратівка”, “Центральна-Макіївська”), обгрунтовані на досліджених закономірностях відновлення рівня підземних вод, є основою прийняття технічних рішень по їх моніторинговому затопленню. Управління процесом здійснюється за допомогою гідродинамічних буферних зон без додаткових вкладень в реконструкцію водовідливів суміжних шахт.

8. Скорочення часу ліквідаційних робіт на один місяць шляхом обґрунтованого відмовлення від традиційного перепуску води і підтримки рівня на нижніх горизонтах дозволяє одержати економію коштів більше 1млн. грн.

Основні наукові положення і результати дисертаціоної роботи опубліковано в наступних роботах:

1. Садовенко И.А., Тимощук В.И., Тишков В.В., Загриценко А.Н. Исследование гидродинамического режима при реструктуризации шахт Центрального района Донбасса. // Сб. науч. трудов НГА Украины №6. Том 4.- 1999.- С.164-168.

2. Садовенко И.А., Тимощук В.И., Загриценко А.Н., Тишков В.В. Разработка безопасного режима затопления шахты. // Науковий вісник НГАУкраїни 2000, №3. – С.46-47.

3.Садовенко И.А, Загриценко А.Н., Тишков В.В. Обоснование технологических схем управления гидродинамическим и гидрохимическим режимом при затоплении шахт // Науковий вісник НГАУкраїни 2001, №1. – С. 61-62.

4. Загриценко А.Н. О влиянии фильтрационных параметров на процесс восстановления уровня подземных вод при затоплении угольных шахт. - Науковий вісник НГА України 2001, №4. - С.35-37.

5. Садовенко І.О., Тимощук В.І., Федоренко О.О., Загриценко А.М. Рішення гідрогеологічних проблем реструктуризіції вугільної галузі // Вісник ЖІТІ. – 2002, №3 (22). – С. 164-167.

6. Садовенко И.А., Загриценко А.Н. Обоснование параметров и способов управления геофильтрационным режимом углепородного массива при затоплении шахт. // Сб. научн. трудов НГУ №17, том 1. – 2003, С. 48-51 .

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані в співавторстві: 1, 2 – чисельне моделювання гідродинамічного режиму затоплення; 3, 5 - аналіз результатів, розробка основних принципів формування технічних рішень; 6 - ідея, чисельні рішення, статистична обробка результатів.

АНОТАЦІЯ

Загриценко А.М. “Обґрунтування параметрів керування гідродинамічним режимом при закритті вугільних шахт”. – Рукопис.

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

Дисертація присвячена питанням обґрунтування параметрів управління гідродинамічним режимом при закритті шахт з метою досягнення технічно й екологічно безпечного режиму їх затоплення в умовах нестаціонарного пружного режиму фільтрації з одночасним формуванням поля фільтраційних потенціалів, що визначають необхідний час використання водовідливів і методичні підходи до вибору технічних схем водорегулювання.

Розроблені основні принципи формування технічних рішень при закритті шахт. Схема водорегулювання з використанням групування і моніторингового режиму гідродинамічних буферних зон використовується в проектах ліквідації шахт Центрального району Донбасу. Очікуване зниження експлуатаційних витрат на ліквідацію шахт складає від 800 до 1500 тис. грн. на рік.

Ключові слова: затоплення шахт, гідродинамічний режим, безпека, вуглевміщуючий массив, коефіцієнт нестачі пружного насичення, шахта-буфер.

АННОТАЦИЯ

Загриценко А.Н. “Обоснование параметров управления гидродинамическим режимом при закрытии угольных шахт”. – Рукопись.

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

Диссертация посвящена вопросам обоснования параметров управления гидродинамическим режимом при закрытии шахт с целью обеспечения технически и экологически безопасного функционирования элементов геотехнической системы региона закрывающихся шахт на основе учета нестационарного упругого режима фильтрации с одновременным формированием поля фильтрационных потенциалов, что определяет период востребования водоотливов и методические подходы к выбору технических схем водорегулирования.

Разработаны методические подходы прогнозирования динамики восстановления уровенных поверхностей, результаты которого являются основой принятия технических решений по управлению режимом затопления и обусловливают их надежность и эффективность.

Разработана и адаптирована для решения прогнозных задач затопления численная гидродинамическая модель ЦРД. По результатам решения обратных и вариантного ряда прогнозных задач получены важные количественные соотношения в режимах дренирования и затопления шахт, определено пространственное положение установившейся уровенной поверхности, установлено, что режим перетоков определяется фильтрационным сопротивлением массива горных пород.

Фильтрационные параметры углевмещающей толщи в фазах дренирования и затопления отличаются в несколько раз. Формирование при затоплении общего гидродинамического уклона до 300 м и фильтрационного напора на барьерные целики до 250 м является координирующим фактором при выборе вариантного ряда при затоплении шахт.

При решении тестовых задач применен метод факторно-диапазонного анализа с целью выявления влияния главных гидродинамических параметров на исследуемый процесс. Влияние каждого из них оценено по величине приращений динамических функций (напора или водопритока) в выбранных опорных точках. Диапазонная оценка заключалась в решении задач при крайних значениях параметров из известных диапазонов их изменения.

Проведенные на геофильтрационной модели численные гидродинамические эксперименты позволили установить, что увеличение значений коэффициента фильтрации в 10 раз, параметра гидродинамической связи угольных пластов в 2,5 раза, коэффициента недостатка гравитационного насыщения в 100 раз, практически не изменяют динамику подъема уровней подземных вод углевмещающей толщи.

Основное влияние на характер и скорость затопления шахтных полей оказывает коэффициент недостатка упругого насыщения пород горного массива (статистическая значимость более 60%), который комплексно характеризует роль упругих деформаций воды и деформационных свойств водовмещающих пород. Коэффициент недостатка гравитационного насыщения не входит в структуру вероятностно-статистической модели ни при одном из значений уровня доверительной вероятности. Физически это значит, что процесс затопления непосредственно горных выработок в общем процессе затопления углепородного массива не играет статистически значимую роль.

Полученный при проведении численных гидродинамических экспериментов результат важен с точки зрения выявления рациональных пределов геофильтрационной схематизации и обосновании общей достоверности и надежности построенной математической модели.

Теоретические выводы о закономерностях восстановления уровенного режима подтверждены результатами натурного эксперимента и решением прогнозных задач затопления шахтных полей, имеющих общие участки подработки-надработки.

Разработаны основные принципы формирования технических решений, обеспечивающие техническую и экологическую безопасность при затоплении шахт. Вся совокупность технических решений должна быть подчинена конечной генеральной схеме – самодренирования территории. Общим правилом в технических действиях при затоплении должно быть достижение как можно высших дренажных отметок водоотливов. Мониторинговый режим затопления позволит повысить качество информационной базы, необходимой для достоверного прогнозирования процесса.

Разработанная схема водорегулирования с использованием группирования и мониторингового режима гидродинамических буферных зон используется в проектах ликвидации шахт Центрального района Донбасса. Ожидаемое снижение эксплуатационных затрат на ликвидацию шахт составляет от 800 до 1500 тыс. грн. в год.

Ключевые слова: затопление шахт, гидродинамический режим, безопасность, углевмещающая толща, коэффициент недостатка упругого насыщения, шахта-буфер.

ABSTRACT

Zagritsenko A.N. “The Grounding of Parameters of Hydrodynamic Mode Under the Closing the Mines” – Manuscript.

The thesis for candidate’s degree in special sciences in the field of “Physical Processes of Mining” (05.15.11). National Mining University, Dnepropetrovsk, 2004.

The thesis concerns the problems of grounding of parameters of hydrodynamic mode when mines are being closed to assure technologically and ecologically safe mode of their flooding taking into account nonstationary elastic filtration mode and field of filtration potential that defines the period of water drainage necessity and approaches to select the plan of water control.

Plan of water control while using grouping and monitoring mode of hydrodynamic buffer zones is applied for the project of liquidation of mines in the Central basin of Donbass. Predicting reduce of exploitation expenses to liquidate mines is 800 to 1500 thousand UAH per year.

Keywords: flooding of mines, hydrodynamic mode, safety, coalcontained width, rate of elastic saturation deficit, mine-buffer.

Загриценко Аліна Миколаївна

Обгрунтування параметрів керування гідродинамічним

режимом при закритті вугільних шахт

(Автореферат)

Підписано до друку 19.05.04. Формат 30х42/4.

Папір офсет. Ризографія. Умовн. друк. арк. 0,9.

Обліково-видавн. арк. 0,9. Тираж 100 прим. Зам. №

РВК НГУ

49027, г. Дніпропетровськ – 27, просп. К.Маркса, 19.