НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФОЩІЙ МИКОЛА ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 622.831.02:621.039.77+622.847

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ЗАХИСНИХ ТА ЄМНІСНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГІРНИЧОГО МАСИВУ ВІДРОБЛЕНИХ РОДОВИЩ КОРИСНИХ КОПАЛИН

Спеціальність: 05.15.11 – Фізичні процеси гірничого виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

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, професор кафедри розробки родовищ корисних копалин Національного університету водного господарства і природо-користування Міністерства освіти і науки України (м. Рівне) |

МАЛАНЧУК

Зіновій

Романович

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, старший науковий співробітник лабораторії фізичного та математичного моделювання незворотних процесів Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України |

САЖНЄВ

В’ячеслав

Петрович

Провідна установа: Інститут геотехнічної механіки Національної академії

наук України ім. М.С. Полякова, відділ механіки гірських порід (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться “ 8 ” грудня 2006 р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, т. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий “___” ________ 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03

кандидат технічних наук, доцент Тимощук В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Світовий і вітчизняний науково-практичний досвід повторного використання ресурсів гірничого масиву після відробки корисних копалин орієнтований на: 1) технологічну переробку шахтних порід для вилучення корисних компонентів і використання будівельних і баластових властивостей гірничих порід; 2) уловлювання, виділення і використання рідких і газоподібних складових гірничого масиву; 3) технологічне використання гірничих виробок і розущільнених масивів як площ для розміщення промислових і комунальних об'єктів, збереження й утилізації твердих, рідких і газоподібних продуктів.

Актуальність питання щодо використання відпрацьованих підземних площ зростає у зв'язку з загостренням проблеми збереження радіоактивних відходів (РАВ).

Уранодобувною та переробними галузями накопичено понад 63 млн.м3 радіоактивних відходів загальною активністю 0,15 млн. Ки. У 24 районах тимчасової локалізації зберігається 1,1 млрд.м3 РАВ активністю 0,42 млн. Ки. Місця їх збереження не відповідають прийнятим нормативним вимогам, немає об'єктивних оцінок ситуації і впливу РАВ на навколишнє середовище, а практика поводження з ними не відповідає вимогам діючих санітарних норм і правил.

Аналіз показує, що в Україні, де закрито понад 100 вугільних підприємств, є одинокі випадки оцінки технологічних властивостей виробленого простору шахт, рудників і кар'єрів. Причому, фізичні параметри визначаються на рівні експертного аналізу. У цьому аспекті найбільш актуальне детальне дослідження фізико-хімічних захисних і ємнісних параметрів гірничого масиву після відробки родовищ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана відповідно до напрямку досліджень, проведених кафедрою гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету і КП “Південукргеологія”, а також є складовою частиною держбюджетних і госпдоговірних науково-дослідних робіт, виконаних у 1997-2005 р. за участю автора (реєстраційні номери 0198U002438, 0198U015645, 0104U000785).

Мета роботи полягає в дослідженні фізичних і гідрогеохімічних закономірностей формування захисних і ємнісних параметрів гірничого масиву після відробки вугільних і рудних родовищ для їх подальшого геотехнологічного використання.

Задачі, вирішені в дисертаційній роботі, полягають в наступному:

1. Оцінити аналітично й експериментально стан реального об'єкта розміщення ядерних речовин у глибоких горизонтах шахт як аналога вмістилища ядерних відходів.

2. Створити математичну модель, що відображає механізм і закономірності формування захисних властивостей гірничого масиву, який вміщує ядерні відходи.

3. Вивчити балансові співвідношення в гідрогеохімічних процесах гірського масиву після відробки родовища корисних копалин та його затоплення.

4. Виконати оцінку впливу гідрогеохімічних режимів відробленого шахтного поля і працюючого кар'єру для виділення технологічних регуляторів управління ресурсами підземних вод.

Ідея роботи полягає в розкритті механізму формування фізико-хімічних і ємнісних властивостей гірничого масиву при визначенні технологічних параметрів збереження ядерних продуктів і управлінні гідрогеохімічною обстановкою шахтних полів.

Об'єкт дослідження - геотехнологічні властивості масиву гірських порід, що формуються в процесі ведення гірничих робіт та їх згортання.

Предмет дослідження - параметри геотехнологічних властивостей відробленого гірничого масиву, що визначають його фізико-хімічні захисні і ємнісні ресурси.

Методи дослідження. Для досягнення мети і вирішення задач, поставлених у дисертаційній роботі, виконаний комплекс теоретичних та експериментальних досліджень, серед яких аналіз науково-практичних розробок щодо досліджень та використання ресурсів гірничого масиву, кількісна і якісна оцінка об'єкта розміщення ядерних речовин у глибоких горизонтах шахт як аналога містилища ядерних відходів; математичне моделювання гідродинамічних і геомеханічних процесів, що відображають механізм і закономірності формування захисних властивостей гірничого масиву, який вміщує ядерні відходи; моделювання міграційних процесів, що супроводжують затоплення породного масиву; використання натурних та експериментальних даних ресурсних складових гірничого масиву та ядерно-фізичних іспитів.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Багатошаровий гірничий масив вугільних шахт Центрального району Донбасу на глибинах більш 900 м містить потенційний ресурс протирадиаційних захисних властивостей в умовах зміни градієнтів фільтраційних течій та визначається локалізацією міграції найбільш активного радіонукліду у період, що перевищує період напіврозпаду, а також відповідає зоні уповільненого водообміну при його затопленні, що дозволяє закривати шахти і використовувати їх для збереження радіоактивних речовин.

2. Ємнісні властивості відробленої рудникової шахти Кривбасу визначаються нерівністю їх розподілу за глибиною та у часі, а також інфільтраційним опрісненням нижніх горизонтів за умов гальмування засолених течій у розділяючому шарі, що дозволяє регулювати фільтраційне навантаження на працюючий кар’єр та гідрохімічний фон системи водовідливу та скидання води.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше обґрунтовано, що глибокі горизонти шахт Центрального району Донбасу, де перешаровуються товщі аргілітів, алевролітів і піщаників, містять потенційний ресурс захисних властивостей для розміщення об'єктів радіаційного збереження, причому цей ресурс зростає при затопленні шахти.

2. Вперше встановлено, що поетапне затоплення породної зони навколо порожнини вибуху формує приріст зсувних деформацій на контурі пластів за рахунок зниження міцності гірничих порід, а в наступному змінюється їхнім зменшенням за рахунок збільшення нейтральних гідростатичних напруг.

3. Вперше показано, що гідрохімічний баланс у системі працюючого кар'єру і затопленої шахти визначається наявністю ємнісних ресурсів прісної води у відпрацьованому просторі і є регулятором фільтраційних навантажень на кар'єр.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується шляхом використання фундаментальних фізико-хімічних законів, законів ядерної фізики, руху підземних вод у пружному та жорсткому режимі фільтрації, теорії міграції, задовільною збіжністю (похибка менше 20%) результатів прогнозних розрахунків і фактичних спостережень за міграційними процесами у зоні радіоактивного об'єкту.

Наукове значення роботи полягає у встановлених кількісних закономірностях руху радіонуклідів у порушеному масиві гірських порід при повній локалізації зони радіоактивного забруднення в умовах затоплення гірничих виробок та обґрунтуванні ємнісних і гідрохімічних параметрів затопленого масиву при регулюванні фільтраційних навантажень у межах кар’єру і суміжної затопленої шахти.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Встановлені захисні параметри гірничого масиву дозволяють обґрунтувати екологічно безпечну схему мокрої консервації гірничих виробок зони радіоактивного забруднення.

2. Прогноз і проектування параметрів гідрогеохімічних впливів на працюючий кар'єр і навколишній масив здійснюється на основі встановлених ємнісних ресурсів відпрацьованої рудної шахти.

Практична цінність роботи полягає в обґрунтуванні захисних властивостей гірничого масиву після відробки родовищ корисних копалин, що дозволяє визначати технологічні параметри закриття шахт та збереження ядерних продуктів, а також регулювати гідрогеохімічний стан шахтних полів.

Реалізація роботи.

Основні результати роботи використані при прийнятті технічних рішень з управління гідродинамічним режимом закриття шахти “Юний Комунар”, а також складанні геотехнологічних прогнозів відробки кар'єру “ІнГЗК”.

Особистий внесок автора. Автором сформульовані мета, ідея і наукові положення роботи. Встановлені закономірності і механізм формування фізико-хімічних захисних і ємнісних властивостей гірничого масиву після відробки родовищ корисних копалин. Визначені технологічні параметри для збереження ядерних продуктів і регулювання гідрогеохімічним станом шахтних полів.

Апробація результатів досліджень. Основні результати досліджень доповідалися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку на міжнародних науково-практичних конференціях “Кризовий і передкризовий стан довкілля як результат техногенного впливу на геологічне середовище і геоморфосферу” (Львів, 1998 р), “Нагальні проблеми ліквідації підтоплення ґрунтовими водами територій міст та селищ міського типу України” (Київ, 1998 р), “Проблеми і перспективи геотехнологій на початку ІІІ тисячоріччя” (Дніпропетровськ, 2002 р), Українсько-Польському форумі гірників (Дніпропетровськ 2004 р).

Публікації. Основні наукові і практичні результати роботи викладені у 8 друкованих працях, в тому числі 4 статті опубліковані у фахових виданнях та 4 – в збірниках за результатами конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних літературних джерел з 103 найменувань і містить 124 сторінок машинописного тексту, 37 малюнків і 10 таблиць на 10 сторінках, 2 додатка. Загальний обсяг роботи 140 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проаналізований вітчизняний і закордонний досвід повторного використання гірничого масиву після відпрацювання родовищ корисних копалин. Двохфазна система “вміщуючі гірські породи - підземні води” розглянута з точки зору оцінки параметрів захисних властивостей гірничого масиву відпрацьованих шахт і ємнісних ресурсів підземних вод. Важливі аспекти досліджень цього напрямку є в роботах Н.Д. Глухова, А.Ф. Зільберборда, Ю.А. Ізраеля, Є.В. Соботовича, В.М. Шестопалова, Є.О. Яковлева та ін., проте вони не складають цілісної системи підходів щодо використання масивів відроблених родовищ.

Види практичного використання підземних гірничих виробок для розміщення об'єктів досить різноманітні. У підземних просторах розміщуються об'єкти транспорту й енергетики, газонафтосховища, склади продовольчих і промислових товарів, архіви, об'єкти спеціального призначення і т.п. Розміщення об'єктів у підземних гірничих виробках дає можливість зменшити порівняно з наземним варіантом обсяг капітальних вкладень і експлуатаційні витрати, скорочує на 70% наземну площу, на якій розташовані споруди. Відомо, що середньорічна розрахункова ефективність використання підземного простору в порівнянні з наземним варіантом складає 30 тис. дол. США на 1 тис. м2 площі.

До цього часу немає розумної альтернативи варіанту збереження радіоактивних відходів у підземних виробках. Світовий досвід щодо цього питання базується на дослідженнях США, Росії, Швеції. У США розглядалися припущення, пов'язані зі збереженням РАВ під дном морів і в космічному просторі, але перевага віддана зберіганню високоактивних відходів і відходів ядерного палива в глибоких підземних сховищах. У Росії схема збереження РАВ передбачає можливість використання ядерних вибухових технологій, призначених для знищення особливо небезпечних і токсичних відходів, у тому числі ядерних і хімічних боєприпасів, високоактивних відходів ядерної енергетики.

В Україні проблема збереження високоактивних атомних і трансуранових відходів, що містять альфа-випромінюючі елементи з тривалим періодом напіврозпаду, залишається невирішеною.

Розглядаючи відроблені підземні об’єми як потенційний об'єкт для повторного використання та можливість регулювання ємнісними ресурсами підземних вод з метою зменшення гідрогеохімічного навантаження та підвищення технічної безпеки ведення гірничих робіт, слід відзначити важливість вивчення процесів, що супроводжують стадію консервації гірничих виробок. Так, встановлений механізм формування рівневої поверхні при затопленні шахт Донбасу на 60% визначається процесами пружного насичення, що дозволяє оцінювати ємнісні ресурси масиву після відробки родовищ корисних копалин та регулювати рівневі режими (А.М. Загриценко).

В роботах М.П. Зборщика, Е.І. Чернея, Ю.Н. Гавриленка, Ю.Ф. Креніди, В.А. Дрібана, З.Р. Маланчука, В.В. Назимка, А.Д. Калька, В.П. Сажнєва та ін. досліджуються геотехнічні властивості гірничих масивів щодо раціонального згортання гірничих робіт та конструктивних рішень використання підземного простору. Однак цілеспрямована параметризація захисних і ємнісних властивостей відробленого масиву залишається невизначеною.

Необхідність оцінки параметрів відробленого масиву гірських порід, що базується на теоретичному й експериментальному вивченні взаємодії багатопараметричних гідродинамічних, гідрохімічних і геомеханічних процесів, визначили мету, задачі й ідею дисертаційної роботи.

У другому розділі на прикладі реального об'єкту “Кліваж” вивчені захисні властивості гірничого масиву. Представлені результати експериментальних досліджень процесів вилуговування радіонуклідів з гірських порід, досліджений геомеханічний стан породного масиву навколо об'єкту радіаційної небезпеки.

Гірничий масив шахти “Юний Комунар” в Центральному районі Донбасу вміщує порожнину ядерного вибуху потужністю 0,3 кілотонни тротилового еквіваленту на глибині 903 м від денної поверхні. Фізичний аналіз вибуху й експериментальні дослідження порожнини, що утворилася, показують, що залишкові продукти зосереджені в зоні сферичної порожнини радіусом близько 7 м, а зона тріщинуватості має радіус до 30 м.

Якісний та кількісний аналіз складу радіонуклідів на поверхні порожнини і тріщинуватої зони показує, що загальна залишкова активність об'єкту не перевищує 60 кюрі, а найбільш активними компонентами радіаційної небезпеки є цезій і стронцій.

Випробування зразків-імітаторів з вилуговування цезію і стронцію проводилися в Харківському фізико-технічному інституті на спеціальній установці, де вміст радіонуклідів у вилужній рідині визначався ядерно-фізичним методом аналізу на вихідних пристроях прискорювача. Вміст урану визначається радіометричним методом з альфа-випромінювання. Максимальна швидкість вилуговування цезію складає 2,6•10-3 мг/см3•доб, а стронцію 1,5•10-4 мг/см3•доб, причому ці максимуми виникають протягом двох перших діб з подальшим затуханням процесу.

З метою дослідження геомеханічного стану породного масиву навколо об'єкту радіаційної небезпеки створена чисельна кінцево-елементна модель, що відображає напружено-деформований стан масиву гірничих порід в осушеному і затопленому режимах з урахуванням швидкості затоплення.

Процедура чисельного рішення в методі кінцевих елементів заснована на передумові силової взаємодії між елементами області моделювання у вузлових точках. Рівняння, що пов'язують вузлові сили з вузловими переміщеннями, поєднані у матричний вираз. Усередині елемента задаються умови лінійного деформування, а нелінійність визначається ітераційним корегуванням початкових напруг. Замежний стан елементів контролює деформаційний критерій міцності. При моделюванні враховується співвідношення між нейтральними й ефективними напругами, що змінюються в умовах затоплення породного масиву.

При вирішенні прогнозних задач розглянутий напружено-деформований стан гірничого масиву з фізико-механічними властивостями, що враховують розущільнення порід при їх водонасиченні і зниження силового впливу на верхньому контурі моделі за рахунок фільтраційного зважування в межах затоплюваної товщі. Варіантні рішення отримані для випадків, що відповідають осушенню, 30%, 60% і повному затопленню досліджуваної породної товщі (рис.1).

На підставі моделювання встановлено, що поетапне затоплення породної зони навколо порожнини вибуху формує приріст зсувних деформацій на контакті шарів за рахунок зниження міцності гірських порід, що в наступному змінюється зменшенням деформацій за рахунок збільшення нейтральних гідростатичних напруг.

В третьому розділі захисні властивості гірничого масиву оцінені шляхом моделювання процесів фільтрації і міграції радіонуклідів у зоні об'єкту радіаційної небезпеки. Визначене поле швидкостей фільтрації в даній частині підземного простору при функціонуванні виробок у режимі осушення і затоплення. Проведені прогнозні розрахунки міграції найбільш рухливих радіонуклідів від об'єкта до найближчих виробок, оцінені динаміка і розміри зони забруднення, а також імовірність надходження радіонуклідів у шахтні води.

Задача оцінки захисних властивостей глибоких горизонтів шахт ЦРД оцінюється стосовно несприятливого варіанту умов омивання об'єкту радіаційної небезпеки фільтраційними течіями (рис. 2). Цей варіант у свою чергу підрозділяється на два діапазонних сценарії – песимістичний і оптимістичний, які відповідають максимально повному вилуговуванню радіонуклідів і реальним параметрам середньозважених оцінок властивостей гірничого масиву.

Прогнозна модель руху радіонуклідів у гірничому масиві побудована на чисельному інтегруванні диференційного рівняння фільтрації з урахуванням порушеності гірничого масиву і зонального розподілу проникності границь живлення і стоків. Лінії течій за найкоротшою відстанню між об'єктом радіаційної небезпеки і гірничими виробками визначають міграційну траєкторію за аналітичними рівняннями (1, 2) .

(1)

(2)

де P, L, p – тиск та відповідні функції його зміни; q(S), q(t) – витрати рідини на контурі (S) та речовини у часі (t); V – об’єм розподілу радіоактивної речовини з початковим запасом (А0) за константами розпаду () і напіввиведення (К1).

За результатами моделювання процесів фільтрації встановлено, що гідродинамічний режим в зоні об'єкту радіаційної небезпеки характеризується низькими швидкостями фільтрації, типовими для зон уповільненого водообміну, а можливе затоплення виробок призводить до істотного зменшення швидкості руху фільтраційного потоку головним чином в зоні розташування виробок (рис. 3).

Прогноз міграції 90Sr у підземних водах виконаний на три періоди часу за “песимістичним” і “реалістичним” сценаріями при функціюванні гірничих виробок у сухому режимі та при їх затопленні (рис. 4).

Аналіз результатів показує, що положення зон забруднення перші 24 роки після вибуху співпадає, оскільки протягом цього періоду виробки підтримувалися в осушеному стані. Надалі, після затоплення виробок, відбувається істотне уповільнення міграції 90Sr і зменшення швидкості посування зони радіоактивного забруднення. Через 75 років різниця між посуванням зони забруднення у випадках осушення і затоплення складе для “реалістичного” варіанту 35 м, для “песимістичного” - 40 м. Розміри зони забруднення до цього часу в порівнянні з випадком осушених виробок будуть на 10-15 м менше. Максимальне посування зони радіоактивного забруднення в напрямку виробок не перевищить для відповідних варіантів 120 м і 170 м, а досягнуті ці максимуми будуть не раніше, ніж через 300 і 180 років відповідно. Це дозволяє визначити, що при затопленні виробок відбудеться повна локалізація зони радіоактивного забруднення, у межах масиву порід, що оточує порожнину вибуху.

Очікуваний сумарний вихід 90Sr у підземні води в результаті вилуговування не перевищить 1 Ки (1-2% вихідної активності), причому більша частина цієї кількості переходить в розчинну форму протягом перших 10-20 років після вибуху.

Найбільше посування зони забруднення підземних вод 90Sr можливе за умов підтримки виробок в осушеному стані, а при їх затопленні зона з перевищенням допустимої концентрації локалізується в межах масиву порід, де розташована порожнина вибуху.

В четвертому розділі викладені результати досліджень спрямованих на визначення параметрів ємнісних ресурсів гірничого масиву і можливості їх технологічного використання. Методика досліджень базується на аналітичній моделі водного балансу рудної шахти і чисельної кінцево-різницевої моделі міграції за схемою “закрита шахта - діючий кар’єр”.

Закриття гірничо-рудних підприємств супроводжується затопленням гірничого масиву і відновленням статичних і динамічних ресурсів підземних вод при зміні його ємнісних і гідрохімічних властивостей. Ці ресурси необхідно враховувати як з точки зору управління екологічними параметрами геологічного середовища, так і з точки зору впливу ємнісних і гідрогеохімічних властивостей відновлених ресурсів на фільтрацію до діючих кар’єрів і шахт.

У зазначеному вище аспекті регіон Кривбасу є одним з найбільш представницьких об'єктів, де межують затоплені рудні шахти і діючі кар'єри. Природна гама гірничо-геологічних умов у вигляді водоносного комплексу відкладень з обмеженим живленням і руднокристалічних масивів із жорстким сольовим фоном формують нові балансові співвідношення у фільтраційному і гідрогеохімічному процесах, при яких необхідно робити екологічне оздоровлення території ведення гірничих робіт і регулювати фільтраційні навантаження на гірничий масив працюючих підприємств.

Аналітична модель водного балансу в масиві відпрацьованої рудної шахти відтворює фільтраційний процес у тришаровій порушеній товщі. Розділяючий фільтраційний шар виконує функцію фільтра, тому підтягування засолених ресурсів підземних вод верхнього комплексу гальмується і впливає на рівень опріснення в зоні обвалення.

Ці умови відображує система рівнянь

(3)

де h1, h2 – напір у верхньому та нижньому водоносних горизонтах, µ1 и µ2 – коефіцієнти їх пружноємності, T1, T2 – водопроникність, K1, K2 та m1, m2 – коефіцієнти фільтрації та потужність, h0, µ0, K0, m0 – напір, пружноємність, коефіцієнт фільтрації та потужність слабопроникного прошарку, –інтенсивність інфільтрації, F20 – інтенсивність перетікання між прошарком та нижнім горизонтом.

Результати аналізу моделі показують нерівномірність розподілу ємнісних ресурсів за глибиною та істотний вплив часу на поглинаючу здатність об’єму депресії (рис. 6).

Врахування співвідношень в об'ємі і складі ємнісних ресурсів підземних вод затопленої шахти і працюючого кар'єру здійснено за допомогою чисельної кінцево-різницевої моделі, що сполучає рішення диференційних рівнянь фільтрації і масопереносу та відображає гідрогеохімічний баланс території досліджень.

За результатами моделювання просліджується стійка тенденція конкуруючих гідрохімічних процесів формування сольового вмісту у водах затопленої шахти, кар'єрного водовідливу і русла р. Інгулець (рис. 7).

Найбільш витриманий контраст у зміні мінералізації кар'єрного водовідливу і ш. “Центральна” у період затоплення (1997–2005 р.) обумовлений інфільтраційним опрісненням статичних запасів нижніх горизонтів шахти.

Гідрогеохімічна границя в кар'єрному водовідливі залежить від інфільтраційного живлення (чи атмосферного в межах площі кар'єру), що створює передумови для технологічного управління стоком в р.Інгулець з регулюванням водообмінного комплексу “затоплений масив – кар'єр – шламосховище – поверхневий сток – ріка”.

Регуляторами фільтраційних навантажень на борти кар'єру і гідрогеохімічного фону є об'єми ставків-накопичувачів, системи нагірного водовідводу, положення фронту гірничих робіт у кар'єрі.

ВИСНОВОК

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна наукова і прикладна задача обґрунтування параметрів гірничого масиву на основі розкриття механізму формування його фізико-хімічних захисних і ємнісних властивостей після відробки родовищ корисних копалин, що дозволяє визначати технологічні параметри зберігання ядерних продуктів і управляти гідрогеохімічним режимом та фільтраційним навантаженням суміжних шахт і кар’єрів.

У процесі виконання роботи отримані наступні наукові і практичні результати:

1. Вперше глибокі горизонти шахт Центрального району Донбасу, де перешаровуються аргіліти, алевроліти, піщаники та вугілля, досліджені як гірничий масив, що після відробки запасів вугілля містить потенційний ресурс захисних властивостей для об'єктів радіаційного збереження.

2. Кінцево-елементна геомеханічна модель гірничого масиву навколо порожнини ядерного вибуху відображає напружено-деформований стан в осушеному і затопленому режимах з урахуванням швидкості затоплення. Встановлено, що поетапне затоплення породної зони навколо порожнини вибуху формує приріст зсувних деформацій на контакті шарів за рахунок зниження міцності гірських порід, що в наступному змінюється зменшенням деформацій за рахунок збільшення нейтральних гідростатичних напруг.

3. Прогнозна модель руху радіонуклідів у гірничому масиві побудована на чисельному інтегруванні диференційного рівняння фільтрації з врахуванням порушеності гірничого масиву та зонального розподілу проникності границь живлення і стоків. Фільтраційна течія за найкоротшою відстанню між об'єктом радіаційної небезпеки і гірничими виробками відтворює міграційну траєкторію у вигляді аналітичної експоненціальної залежності інтенсивності надходження радіонуклідів з урахуванням констант розпаду і напіввиділення, а також врахуванням сорбції піщаників згідно величини ефективної пористості.

4. Встановлено, що при затопленні шахти і зони радіоактивного об'єкту відбувається істотне уповільнення швидкості фільтрації і міграції радіонуклідів. Максимальне просування зони радіоактивного забруднення найбільш активного радіонукліду відбудеться не раніше, ніж через 180 років у зоні, що не досягає гірничих виробок, та перевершує в кілька разів період напіврозпаду і відповідає повній локалізації радіоактивного забруднення.

5. Аналітична модель водного балансу в масиві відробленої рудної шахти відтворює фільтраційний процес у тришаровій порушеній товщі. Поділяючий фільтраційний шар виконує функцію сповільнюючого фільтру, тому підтягування засолених ресурсів підземних вод верхнього комплексу гальмується і впливає на рівень опріснення в зоні обвалення.

6. Чисельна кінцево-різницева модель, що сполучає рішення диференціальних рівнянь фільтрації і масопереносу адекватно відбиває гідрогеохімічний баланс затопленої шахти і діючого кар'єру. Регуляторами процесу формування фільтраційних навантажень на борти кар'єру і гідрогеохімічного фону в системі “затоплений гірничий масив – кар'єр – природна регіональна дрена” є об'єми ставків-накопичувачів, системи нагорного водовідводу, положення фронту гірничих робіт у кар'єрі, що у підсумку визначає техніко-економічну ефективність використання ресурсів гірничого масиву.

7. Виконані розробки використані при проектуванні режиму консервації шахти “Юний Комунар”, геотехнологічних прогнозах об'єктів збереження радіоактивних відходів, а також при оцінці впливу на навколишнє середовище кар'єру “ІнГЗК”. Очікуваний економічний ефект складає 0,5 млн. грн. у рік.

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

1. Антонов Ю.И., Антропцев А.М., Фощий Н.В. Модели техногенной нагрузки на водные ресурсы Украины // Горный журнал. – 1999. - №6. - С.56-58.

2. Фощий Н.В., Рябых В.А. Об эколого-гидрогеологических проблемах в связи с закрытием горнодобывающих предприятий Кривбасса // Сб. науч. трудов НГА Украины. - Днепропетровск, №6, т.4, 1999. - С. 161-164.

3. Экологические проблемы Криворожского железорудного бассейна и пути их решения. - Н.В.Фощий, Т.Н.Кулькова, И.Д.Маяков, А.М.Антропцев // Сб. науч. трудов НГА Украины. - Днепропетровск, №6, т.4, 1999. - С. 147-154.

4. Рудаков Д.В., Садовенко И.А., Фощий Н.В. Оценка степени локализации токсичных отходов в глубоких шахтах // Науковий вісник НГУ. - Дніпропетровськ, №9, 2003. - С. 80-83.

5. Фощий Н.В. Влияние горнодобывающей промышленности на экологическую обстановку в Украине // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції “Кризовий та передкризовий стан довкілля як результат техногенного впливу на геологічне середовище і геоморфосферу” (2-4- червня 1998р., м. Львів). - Вісник Українського будинку економічних та науково-технічних знань. – Товариство “Знання” України, 1998. – С.57-58

6. Фощий Н.В. Оценка воздействия разработки буроугольных месторождений Днепровского бассейна на окружающую среду // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції “Кризовий та передкризовий стан довкілля як результат техногенного впливу на геологічне середовище і геоморфосферу” (2-4- червня 1998р., м. Львів). - Вісник Українського будинку економічних та науково-технічних знань. – Товариство “Знання” України, 1998. – С.46-47

7. Изменение геологической среды в связи с подъемом уровня грунтовых и кристаллических вод и мониторинг опасных проявлений этих процессов на примере Криворожского железорудного бассейна. - Н.В. Фощий, В.А. Рябых, Т.Н. Кулькова, И.Д. Маяков. // Мат. доповідей і повідомлень міжнародної конференції „Нагальні проблеми ліквідації підтоплення грунтовими водами територій міст і селищ міського типу України” (14-16 жовтня 1998р., м. Харків). Частина 1. – Київ, 1998. – С.52-53.

8. Прогнозирование процесса затопления шахт в условиях перетекания между водоносными горизонтами. - И.А. Садовенко, Д.В. Рудаков, А.Н. Загриценко, Н.В. Фощий //Матеріали Українсько-Польського форуму гірників – 2004 (Ялта, Крим, 13-19 вересня 2004) „Гірничодобувна промисловість України і Польщі: Актуальні проблеми і перспективи”. – Дніпропетровськ: НГУ, 2004. – С.533-539.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані в співавторстві: 1, 2, 3 - ідея, теоретичні положення, висновки і рекомендації, 4 - постановка задачі, аналітичні розрахунки; 5, 7 - рекомендації з управління гідрогеохімічним навантаженням в умовах Кривбасу, 8 - створення розрахункової схеми, висновки.

АНОТАЦІЯ

Фощій М.В. “Обґрунтування параметрів захисних та ємнісних властивостей гірничого масиву відроблених родовищ корисних копалин”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2006 р.

Дисертація присвячена питанням обґрунтування параметрів захисних та ємнісних властивостей гірничого масиву з метою визначення технологічних можливостей зберігання ядерних продуктів і управління гідрогеохімічним режимом суміжних шахтних и кар’єрних полів на основі розкриття механізму формування фізико-хімічних і ємнісних особливостей масиву після відробки родовищ корисних копалин.

Обґрунтована найбільш безпечна та економічно доцільна схема мокрої консервації гірничих виробок зони радіоактивного забруднення та схема регулювання гідрогеохімічного навантаження на працюючий кар'єр і навколишній масив. Зазначені розробки використані при прийнятті технічних рішень з управління гідродинамічним режимом затоплення шахти “Юний Комунар”, а також складанні геотехнологічних прогнозів відробки кар'єру “ІнГЗК” з очікуваним економічним ефектом 0,5 млн. грн. у рік.

Ключові слова: гірничий масив, об'єкт радіаційного забруднення, міграція та вилуговування радіонуклідів, напружено-деформований стан, гідрогеохімічне навантаження, затоплення виробленого простору.

АННОТАЦИЯ

Фощий Н.В. “Обоснование параметров защитных и емкостных свойств горного массива отработанных месторождений полезных ископаемых”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – “Физические процессы горного производства”. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2006 г.

Диссертация посвящена вопросам обоснования параметров защитных и емкостных свойств горного массива с целью определения технологических возможностей хранения ядерных продуктов и управления гидрогеохимическим режимом смежных шахтных и карьерных полей на основе раскрытия механизма формирования физико-химических защитных и емкостных характеристик массива после отработки месторождений полезных ископаемых.

Глубокие горизонты шахт Центрального района Донбасса, сложенные переслаивающейся толщей аргиллитов, алевролитов, песчаников и угольных пластов, исследованы в качестве горного массива, который после отработки запасов угля содержит потенциальный ресурс защитных свойств для размещения радиоактивных объектов.

и затопленном режимах с учетом скорости затопления. Установлено, что поэтапное затопление породной зоны вокруг полости взрыва формирует прирост сдвиговых деформаций по контакту слоев за счет снижения прочности горных пород, что в последующем сменяется уменьшением деформаций за счет увеличения нейтральных гидростатических напряжений.

Прогнозная модель движения радионуклидов в горном массиве построена на численном интегрировании дифференциального уравнения фильтрации с учетом нарушенности горного массива и зонального распределения проницаемости границ питания и стоков. Скорость фильтрации по линиям тока и кратчайшему расстоянию между объектом радиационной опасности и горными выработками воспроизводит миграционную траекторию по аналитической экспоненциальной зависимости интенсивности поступления радионуклидов с учетом констант распада и полувыделения, а также учета сорбции песчаников по величине эффективной пористости.

Установлено, что при затоплении шахты и зоны радиоактивного объекта происходит существенное замедление скорости фильтрации и миграции радионуклидов. Максимальное продвижение зоны радиоактивного загрязнения по наиболее активному радионуклиду произойдет не ранее, чем через 180 лет в зоне, не достигающей горных выработок, что превосходит в несколько раз период полураспада и соответствует полной локализации радиоактивного загрязнения.

Обоснованы емкостные и гидрохимические параметры затопленного массива при регулировании фильтрационных нагрузок в пределах карьера и смежной затопленной шахты.

Аналитическая модель водного баланса в массиве отработанной рудной шахты воспроизводит фильтрационный процесс в трехслойной нарушенной толще. Разделяющий фильтрационный слой выполняет функцию замедляющего фильтра, поэтому подтягивание засоленных ресурсов подземных вод верхнего комплекса тормозится и влияет на уровень опреснения в зоне обрушения.

Численная конечно-разностная модель, сочетающая решения дифференциальных уравнений фильтрации и массопереноса адекватно отражает гидрогеохимический баланс затопленной шахты и работающего карьера. Регуляторами процесса формирования фильтрационных нагрузок на борта карьера и гидрогеохимического фона в системе “затопленный горный массив – карьер – природная региональная дрена” являются объемы прудов-накопителей, системы нагорного водоотвода, положение фронта горных работ в карьере, что в конечном итоге определяет технико-экономическую эффективность использования остаточных ресурсов горного массива.

Обоснована наиболее целесообразная схема мокрой консервации горных выработок зоны радиоактивного загрязнения и схема регулирования гидрогеохимической нагрузки на работающий карьер и окружающий массив, которые использованы при принятии технических решений по управлению гидродинамическим режимом затопления шахты “Юный Коммунар”, а также составлении геотехнологических прогнозов отработки карьера “ИнГОКа”.

Ключевые слова: горный массив, объект радиационного загрязнения, миграция и выщелачивание радионуклидов, напряженно–деформированное состояние, гидрохимическая нагрузка, затопление отработанного пространства.

ABSTRACT

Foshchyi N.V. “Parameters Substantiation of Massif Protective and Capacitive Properties of Worked-Out Mineral Deposits”. - Manuscript.

Degree competition dissertation for Candidate of Engineering Sciences in spesiality 05.15.11 - “Physical Processes of Mining Production”. National Mining University, Dnipropetrovsk, 2006.

The dissertation is devoted to the problem of parameters substantiation of massif protective and capacitive properties with the view of determining technological possibilities for nuclear product storing and hydrochemical mode control of adjacent mine and quarry fields on the basis of revealing the mechanism of forming physicochemical and capacitive massif features after mineral deposits being worked out.

The safest and the most economically expedient wet conservation layout for roadways in the areas with radioactive contamination and control layout of hydrochemical load over working quarry and surrounding massif are substantiated. The indicated elaborations are used both while making technical decisions in controlling hydrodynamic flooding layout for the mine “Junyi Kommunar” and drawing geotechnical prognoses for “InGOK” quarry working-out with the expected economical effectiveness of 0.5 mln hrn/year.

Key words: massif, object of radioactive contamination, radionuclide migration and leaching, stressed and deformed state, hydrochemical load, flooding of worked-out space.

Фощій Микола Васильович

Обґрунтування параметрів захисних та ємнісних властивостей гірничого масиву відроблених родовищ корисних копалин

(Автореферат)

Підписано до друку 6.11.06 Формат 30х42/4.

Папір офсет. Ризографія. Ум. друк. арк. 1,0.

Обл.-вид. арк. 1,0. Тираж 100 прим. Зам. № .

Національний гірничий університет

49005, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19.