НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РУДАКОВ ДМИТРО ВІКТОРОВИЧ

УДК 622.012.2:622.512:622.817.4:62217:504.55.054

ОБҐРУНТУВАННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ СТАНУ
ТА УПРАВЛІННЯ ГЕОТЕХНІЧНИМИ СИСТЕМАМИ
В ГІРНИЧОПРОМИСЛОВИХ РЕГІОНАХ

Спеціальність 05.15.11.
“Фізичні процеси гірничого виробництва”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук

ДНІПРОПЕТРОВСЬК – 2007

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий консультант:

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 відділу геодинамічних та вібраційних технологій Інституту геотехнічної механіки НАН України ім. М.С. Поля-кова (м. Дніпропетровськ) |

БЛЮСС
Борис
Олександрович

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

НАЗИМКО
Віктор
Вікторович

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

Захист відбудеться “31” жовтня 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .080.03 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005, м.Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, т. )

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

Автореферат розісланий “30” вересня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д. 08.080.03

кандидат технічних наук, доцент Тимощук В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний видобуток корисних копалин в гірничопромислових регіонах призвів до формування ланцюгів взаємозалежних процесів, що супроводжуються незворотними фізико-хімічними змінами у гірському масиві. Так, лише на території Донбасу створено понад 170 накопичувачів промислових і шахтних вод загальним об’ємом 249,2 млн. м3, 1185 териконів за-гальним об’ємом порід понад 109 м3. В результаті виїмки порід деформовано 600 км3 породного масиву, внаслідок чого на площі 8000 км2 відбулося просідання денної поверхні з одночасним збільшенням проникності порід, що суттєво прискорило водообмін, газовиділення та водну міграцію. З шахт України щорічно викидається в атмосферу понад 2060 мільярдів кубометрів метану, лише 4% з яких використовується.

Сучасний стан гірничопромислових регіонів вимагає системного підходу в управлінні параметрами гідрогазодинамічного режиму, які впливають на умови ведення гірничих робіт, проживання населення і стан біосфери. Ефективність управління визначається вірогідністю прогнозування показників фізико-хімічного стану геотехнічних систем, що відображають процес ведення та згортання гірничих робіт і проведення заходів стабілізації та відновлення елементів порушеного масиву.

В першу чергу це стосується управління гідродинамічним режимом гірничодобувних підприємств, що затоплюються, визначення параметрів водовідливу на гідравлічно пов’язаних шахтних полях, мінімізації некерованої міграції шахтних газів, дефляції та водної міграції з відвалів. У цих процесах важливе місце посідає динаміка співвідношень між хімічними складовими у різних фазах міграції, наприклад, хімічні перетворення сірчаних сполук, важких металів та радіонуклідів. Актуальною задачею є комплексна оцінка об’єктів радіаційної і хімічної небезпеки в гірському масиві, визначення параметрів їхнього впливу та стабілізуючої ролі оточуючих природних і штучних бар'єрів.

Сформований до цього часу підхід до відображення гідрогазодинамічних і міграційних процесів в масштабах геотехнічних систем має переважно технологічний характер і часто ґрунтується на об’єктивно неповних даних. Це призводить до схематичного та поверхневого опису змін у порушеному масиві, а також складних співвідношень між детермінованими і випадковими факторами, що зменшує вірогідність прогнозів і погіршує керованість елементами геотехнічних систем. Тому розробка методик прогнозування фізико-хімічних процесів та управління їх перебігом з адаптацією до неповноти вихідних даних представляє собою важливу наукову та практичну проблему гірничої справи.

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 держбюджетних і договірних НДР у Національному гірничому університеті (номера держреєстрації 0103U001286, 0104U000785, 0105U000513) і в Дніпропетровському національному університеті (номера держреєстрації 0197U000647, 0102U004414).

Мета дисертаційної роботи полягає в обґрунтуванні динамічних моделей фізико-хімічних процесів в елементах геотехнічних систем гірничопромислових регіонів для визначення технічних рішень щодо управління їх станом.

Задачі, вирішені в дисертаційній роботі, зводяться до наступного:

1. Обґрунтувати концепцію прогнозування різномасштабних багатофакторних фізико-хімічних процесів у геотехнічних системах гірничопромислових регіонів з урахуванням неповноти і невизначеності вихідних даних.

2. Розробити методики моделювання змін гідрогазодинамічного режиму і масопереносу в підробленому масиві і над його поверхнею, обумовлених веденням та згортанням гірничих робіт.

3. Провести апробацію розроблених моделей на реальних об'єктах з адаптацією до структури, даних і задач моніторингу в гірничопромислових регіонах.

4. Обґрунтувати параметри технічних рішень з управління елементами геотехнічних систем для стабілізації і відновлення компонентів, порушених гірничими роботами.

Ідея роботи полягає в поєднанні детермінованого та імовірнісного підходів до визначення фізико-хімічного стану порушеного гірничими роботами масиву як основи геотехнічних систем.

Об'єкт досліджень – геотехнічні системи гірничопромислових регіонів на етапах експлуатації родовищ та згортання гірничих робіт.

Предмет досліджень – фізико-хімічні параметри стану та управління гідрогазодинамічним режимом і міграцією в порушеному гірському масиві.

Методи досліджень. Для досягнення мети і вирішення поставлених задач використаний комплексний метод, що включає аналіз теоретичних досліджень геотехнічних систем та їх співставлення з результатами моніторингу в гірничопромислових регіонах, аналітичні і чисельні методи розв’язання рівнянь гідрогазодинаміки та масопереносу, методи теорії імовірності, математичне моделювання, факторно-діапазонний аналіз, інженерний аналіз природно-технічних об’єктів та пропонованих технологічних рішень.

Наукові положення, що виносяться на захист, полягають у наступному.

1. Гідродинамічний режим шахтного поля формується детермінованою нерівномірністю перетоків через слабопроникні шари в період проведення розкривних виробок до глибин 600-800 м, а на етапі відпрацювання круто спадаючих пластів – розподіленими параметрами розкриття, орієнтації та густоти тріщин з досягненням швидкостей водної міграції в них до 700 м/добу, що дозволяє оцінити розміри зон міграції в порушеному масиві навколо хімічно небезпечних об'єктів та регулювати режим їх знешкодження.

2. Динаміка емісії метану з вуглепорідного масиву визначається домінантним впливом гідродинамічних чинників і газовиділенням при відпрацюванні шахтного поля, а затоплення виробок супроводжується короткочасним збільшенням тиску рудникової атмосфери в ізольованих порожнинах до 1.5 МПа, що визначає першочерговість регулювання параметрів гідрогазодинамічного режиму в період закриття шахт.

3. Міграційні потоки газу, твердих часток та розчинів з шахтних відвалів, які визначаються дефляцією та вилуговуванням, локалізуються шляхом керованого зниження концентрацій токсичних елементів у верхньому шарі порід протягом двох років та застосуванням ґрунтових покриттів на схилових ділянках з відведенням понад 90% атмосферних опадів, що забезпечує тривалу ізоляцію вийнятих порід на поверхні шахтного поля.

4. Течія води в гідравлічно недосконалих збійках між затоплюваними суміжними шахтами формується внаслідок турбулентної фільтрації через вивали порід при їх суфозії зі стабілізацією витрати і перепаду тиску протягом 2-3 років при повному перекритті виробки на ділянці до 10 м, що визначає об’єми перетоку та потужність водовідливу.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному.

1. Уперше інфільтраційні притоки в підземні виробки моделюються представленням шахтного поля як масиву зі стохастичною проникністю, що дозволяє оцінити розподілені параметри водопритоку у тріщинах до виробок.

2. Уперше розроблена і апробована просторова нестаціонарна модель емісії метану з вуглепорідного масиву, що відтворює шляхи та інтенсивність міграції газу на поверхню з урахуванням змін гірничотехнічних і гідродинамічних параметрів на різних етапах розробки і затоплення шахтного поля.

3. Уперше досліджений механізм руху води і газу під час витиснення рудникової атмосфери через затоплюваний тріщинуватий масив, супроводжуваний тимчасовим зменшенням густини водогазової суміші у приповерхневому водоносному шарі і підйомом його рівня за рахунок ерліфтного ефекту, що дозволяє прогнозувати та керувати параметрами гідрогазодинамічного режиму відпрацьованого шахтного поля.

4. Уточнена процедура визначення водопритоку до підземних виробок на основі запропонованої формалізації детальної структури виробленого простору його статистичними характеристиками, що підвищує вірогідність опису гідродинамічного процесу за умов неповноти вихідних даних.

5. Уперше повітряна міграція твердих часток і газів моделюється комплексним врахуванням статистичних характеристик атмосферних течій, неоднорідності параметрів взаємодії на фазових границях і особливостей рельєфу, що дозволяє прогнозувати довготривалі фізико-хімічні зміни над поверхнею шахтного поля.

6. Уточнені закономірності зменшення водопритоків у ході проведення розкривних та підготовчих виробок в шарувато неоднорідному масиві, що дає можливість обґрунтувати параметри водовідливу в початковий період осушення шахтного поля.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням фундаментальних законів фізико-хіміч-ної гідрогазодинаміки, методів теорії імовірності і математичної статистики, використанням даних моніторингу в гірничопромислових регіонах України та інших країн, погодженістю теоретичних положень з результатами попередніх натурних досліджень, збіжністю результатів прогнозів з фактичними даними при розв’язанні зворотних задач (погрішність зіставлення не перевищує 20%), результатами впровадження розробок та рекомендацій на реальних об’єктах.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей фізико-хімічних процесів у геотехнічних системах гірничопромислових регіонів і визначенні параметрів їх управління шляхом розробки та використання стохастичних та детермінованих гідрогазодинамічних моделей та масообміну в порушеному гірському масиві.

. Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному.

1. Розроблена методика оцінки зон впливу об'єктів радіаційної і хімічної небезпеки в межах гірничого відводу з використанням природних бар'єрів на шляху міграції.

2. Розроблена методика обґрунтування параметрів водовідливу в умовах перепуску водопритоку між затоплюваними шахтними полями.

3. Розроблені методи розрахунку параметрів управління вилуговуванням та міграцією у верхніх шарах відвалів шахтних порід та на їх похилих ділянках.

4. Розроблений комплекс моделей водної міграції у верхніх шарах гірського масиву для контрольованого спостереження динаміки гідрохімічного режиму у водоносних горизонтах у межах шахтного поля.

Практична цінність роботи полягає у розробці та впровадженні методик прогнозування параметрів фізико-хімічного стану та управління порушеного гірничими роботами масиву.

Реалізація роботи. Результати роботи використані при розробці та прийнятті технічних рішень щодо керування водовідливом на шахтах Центрального району Донбасу, визначенні зон міграції та локалізації токсичних органічних сполук на території Горлівсько-Єнакіївського промислового вузла, обґрунтуванні параметрів гідрогазодинамічного режиму у Львівсько-Волинському басейні, визначенні складу компонентів для відновлення родючого шару на відвалах шахтних порід у Західному Донбасі.

Особистий внесок автора. Автором сформульована мета, ідея і наукові положення роботи. Обґрунтована методологія прогнозування фізико-хімічних змін у компонентах порушеного гірського масиву, розроблені й апробовані на реальних об'єктах моделі гідрогазодинаміки та міграції. Розроблені принципи формування технічних рішень щодо управління станом елементів геотехнічних систем.

Апробація результатів досліджень. Основні результати досліджень доповідалися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку на міжнародних наукових конференціях “Форум гірників” (Дніпропетровськ, 1998, 2003, 2005 р.), “Нестеренківські читання” (Дніпропетровськ, 2001 р.), Щорічної конференції Товариства прикладної механіки і математики Німеччини (Регенсбург, Німеччина, 1999), “Нові підходи до опису течій підземних вод” (Мюнхен, Німеччина, 2001), “Сучасні проблеми механіки” (Київ, 2003), Українсько-Польський форум гірників (Ялта, ), науково-практичних конференціях “Актуальні питання гігієни та екологічної безпеки України” (Київ, 2002), “Підтоплення-2006” (Слов'янськ, 2006).

Публікації. Основні наукові і практичні результати роботи викладені в 31 друкованій праці, з яких одна монографія, один навчальний посібник, 26 опубліковані у спеціалізованих виданнях, 3 – праці конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести глав, висновку, списку використаної літератури з 177 найменувань і містить 314 сторінок машинописного тексту, 95 малюнків і 14 таблиць, 4 додатка. Загальний обсяг роботи 322 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ дисертації присвячений аналізу фізико-хімічних змін в геотехнічних системах на території гірничопромислових регіонів, визначенню ключових параметрів для прогнозу та управління їх станом з урахуванням рівня існуючих методів та засобів моніторингу.

Формування ланцюгів незворотних процесів у масиві, порушеному гірничими роботами, визначається нелінійною, стохастичною взаємодією між компонентами природно-технічних систем. Окремі питання в рамках цієї проблеми стосовно прогнозування та управління гідрогазодинамічним режимом і станом гірського масиву у межах видобутку корисних копалин досліджувались у роботах Блюсса Б.О., Булата А.Ф., Зборщика М.П., Зоріна А.М.., Єрмакова В.М., Маланчука З.Р., Назимка В.В., Піталенка Є.І., Садовенка І.О., Софійського К.К., Яковлєва Є.О. та ін.

Рис. 1. Схематизація гідрогазодинамічних процесів та масообміну у межах шахтного поля: I, II, III – рівні масштабу процесів, 1 – фільтрація та гідравлічні потоки через цілики, 2 – водна міграція токсичних сполук, 3 – зміна рівня підземних та шахтних вод, 4 – затоплення відпрацьованих виробок, 5 – газо- та пиловиділення у виробках, 6 – рух складових атмосфери у виробках, 7 – витіснення шахтної атмосфери під час затоплення масиву, міграція її складових на поверхню, накопичення в будівлях, 8 – викиди газів та пилу з труб підприємств та систем вентиляції, 9 – дефляція з поверхні відвалів, емісія газів з териконів, 10 – повітряна міграція та осадження газів та твердих часток, 11 – вилуговування сульфатів в шахтних відвалах з міграцією в ґрунти, 12 – фільтрація шламових вод з джерел на поверхні

Різноманітність фізико-хімічних процесів у порушеному масиві ускладнює їх параметризацію та розробку цілісного підходу до їх прогнозування, що є необхідним для ефективного управління елементами складних геотехнічних систем. Параметризація процесів, що виникають та супроводжують гірничі роботи, здійснюється в дисертації на основі схеми фізико-хімічної динаміки у межах шахтного поля, що відображає взаємопов’язані зміни гідрогазодинамічного та гідрохімічного режимів (рис. 1).

Процеси, що представлені на схемі, не обмежені відокремленим шахтним полем і формують геотехнічну систему більшого масштабу завдяки: 1) гідравлічним зв’язкам між сусідніми шахтами, фільтрації через зони підвищеної проникності в ціликах; 2) водній міграції важких металів, хімічно ток-сичних органічних сполук, радіонуклідів до глибоких горизонтів з утворенням однорідних зон на суміжних шахтах; 3) повітряній міграції та осадженню твердих часток і газів на поверхні землі з накладанням протяжних зон впливу окремих підприємств; 4) технологічними та транспортними зв’язками між окремими шахтами.

Фізико-хімічний стан геотехнічних систем в гірничопромислових регіонах визначається, в першу чергу, їх динамічними змінами в ході відпрацювання запасів та закриття шахт, які характеризуються гідрогазодинамічними та міграційними процесами, що формують умови ведення гірничих робіт, проживання населення та функціонування біосфери. Формалізація динаміки цих процесів здійснюється шляхом діапазонного оцінювання та розподілу показників геологічних та фізичних полів, а також уточнення параметрів геотехнологій.

Сучасний рівень моніторингу в місцях видобутку корисних копалин, засобів спостережень та забезпечуваний ними рівень точності не відповідає вимогам надійності вихідних даних для прогнозування гідрогазодинамічного режиму та міграції. Так, щільність розміщення спостережних свердловин менш ніж одна на 3-5 км2 в Центральному районі Донбасу не дозволяє характеризувати поля проникності та просторові зміни міграційних параметрів з необхідною деталізацією в діапазоні масштабів підземна виробка – група шахт. Оцінені за натурними вимірюваннями значення коефіцієнту фільтрації не пов’язані з зонами розташування виробок, а діапазон змін проникності до двох порядків в інтервалах глибини 100-150 м унеможливлює детальні оцінки у гідродинамічно строкатому шахтному полі.

Аналіз результатів дослідно-міграційних робіт та спостережень у зонах підземного видобутку вказує на визначальну роль стохастичної проникності та порушень цілісності порід внаслідок ведення гірничих робіт, що робить неадекватною оцінку шляхів та швидкостей руху розчинних речовин у підробленому масиві детермінованими моделями. При цьому наявні дані гідрохімічного моніторингу мають переважно епізодичний та вибірковий характер, обмежуючись, головним чином, показниками вмісту макро- та деяких мікрокомпонентів, що значно ускладнює верифікацію міграційних моделей в умовах складних об’єктів. Моніторинг процесів, де присутня газова компонента в гірському масиві, має переважно технологічний характер і не враховує взаємодію між підземними та шахтними водами і рудниковою атмосферою, що є важливим на етапі затоплення шахт.

Питання розробки та практичної реалізації фізико-математичних моделей гідрогазодинаміки та масопереносу в окремих елементах геотехнічних систем, типових для зон видобутку корисних копалин, досліджувались у роботах Лукнера Л., Лялька В.І., Марчука Г.І., Мироненка В.А., Огняника М.С., Ситникова А.Б., Фріда Ж., Хруща В.К., Шестакова В.М. та ін.

Слід зазначити, що переважна більшість чисельних моделей, що застосовувались для прогнозу гідрогазодинамічного режиму та водної міграції хімічно небезпечних речовин у порушеному масиві, передбачають формальне усереднення параметрів в межах значних за обсягами розрахункових блоків, часто без належного урахування структури підземного простору та геометрії виробок. Результати моделювання з подібним осередненням дають лише загальні уявлення щодо реальних діапазонів змін напору, концентрації та інших характеристик в межах блоків, що ускладнює зіставлення розрахунків з даними моніторингу. Оцінка руху газових та пилових викидів над поверхнею шахтних полів виконується, як правило, на короткі терміни при сталих параметрах, що не дозволяє прогнозувати тривалі ефекти, необхідні для довгострокового управління хімічним станом поверхневих шарів масиву.

Велика складність процесів на різних етапах відпрацювання масиву визначає необхідність створення системи взаємопов’язаних моделей, яка, на відміну від загальної системи рівнянь гідродинаміки та масообміну, може бути гнучко адаптована до реальних об’єктів, що складають геотехнічні системи.

Існуючі засоби управління фізико-хімічними процесами під час ведення та згортання гірничих робіт характеризуються, з одного боку, широким арсеналом способів впливу на різні елементи геотехнічних систем, з іншого боку, недостатньою обґрунтованістю їх параметрів, пов’язану з невисокою достовірністю виконуваних прогнозів. Підвищення ефективності засобів управління станом геотехнічних систем може бути забезпечено шляхом розробки та практичного використання адекватних моделей гідрогазодинамічних та міграційних процесів під час технічного впливу на масив, адаптованих до неповноти вихідних даних, оптимізацією їх параметрів моделюванням.

За таких обґрунтувань визначені завдання дисертаційної роботи, згруповані у наступні напрямки.

Перший напрямок стосується прийняття технічних рішень в умовах нестачі інформації та обмежень об’єктивного характеру відносно цілеспрямованого впливу на масив, наприклад, контролювання рівня шахтних вод і газопотоку на поверхню під час затоплення, що потребує визначення потужності водовідливу на гідравлічно пов’язаних шахтних полях та місць дегазації вуглепорідного масиву.

Другий напрямок охоплює питання оптимізації регламенту натурних досліджень та моніторингу і включає визначення зон міграції у поверхневих шарах масиву та на значній глибині, оцінку параметрів природних бар’єрів, ізолюючих хімічно та радіоактивно небезпечні об’єкти (водотривких шарів, сорбції, розпаду, затримки міграції за рахунок керованого зниження фільтраційного градієнту або затримки вилуговування хімічно активних речовин тощо).

Третій напрямок досліджень пов’язаний з обґрунтуванням фізико-математичними моделями оптимального режиму функціонування штучно створених бар’єрів, наприклад, поверхневого родючого шару на поверхні породних відвалів, ґрунтових покриттів на їх похилих ділянках з використанням капілярних ефектів, що здатні на порядок мінімізувати інтенсивність повітряної та водної міграції.

Відсутність або недосконалість існуючих розробок у цих напрямках визначили мету, задачі та ідею роботи, що наведені попередньо.

Другий розділ дисертації присвячений розробці моделей гідродинамічних та міграційних процесів у порушеному масиві в період від проведення розкривних та підготовчих виробок до затоплення відпрацьованого шахтного поля. Концепція моделювання формулюється на основі зчленування різномасштабних моделей підземної гідродинаміки, масообміну і міграції, що відображають багатофакторність фізико-хімічних процесів у підробленому масиві. Неповнота і часткова відсутність вихідних даних враховується шляхом введення в моделях розподілених параметрів. Це дозволяє виконати більш адекватний реальності імовірнісний опис процесів.

Загальна модель осушення і затоплення шахтних полів базується на кінцево-різницевому розв’язанні рівняння планової фільтрації

, (1)

що враховує шаруватий характер проникності відповідно до горизонтів відпрацювання, згідно з яким параметри водопровідності Tx і Ty визначаються як інтегральні за висотою, змінювані в часі показники. В рівнянні (1) H – напір підтем-них вод, Qw – інтенсивність водопритоків до виробок, – інтенсивність інфільтрації, n – пористість, що враховує тріщини та порожнини.

Внутрішня геометрія масиву формалізується шляхом використання статистичних характеристик поверхні виробок, їх розподілу в просторі та за розмірами, що дозволяє врахувати нерівномірність водопритоку в залежності від об’єму порожнин та тріщин в блоках дискретизації. Таким чином відтворюються локальні особливості фільтраційних течій у більших за масштабом моделях, що досягають регіональних.

Зміна рівня шахтних вод на етапі затоплення визначається на основі параметру площі вільної горизонтальної поверхні води у виробках Sh:

, (2)

де Hs – рівень шахтних вод, Qw, – сумарний водоприток до виробок, t – проміжок часу, , Vw – доля об’єму порожнин в шарі товщиною z.

Апробація моделі в гірничотехнічних і гідрогеологічних умовах, типових для Центрального району Донбасу, дозволила встановити динаміку формування депресії в зонах відпрацювання запасів вугілля до глибин 600-800 м зі стабілізацією середнього водопритоку, та підйому рівня підземних вод після відключення водовідливу (рис. ).

Рис. 2. Зміна рівня підземних вод у шахтному полі (–––)
після відключення водовідливу на різні моменти часу
(заштриховані прямокутники – горизонти відпрацювання)

Деталізація гідродинамічної моделі шахтного поля враховує попередній етап проходки шахтного ствола з метою суперпозиції рішення шляхом урахування темпів і строків проходки. Локальна модель базується на аналітичному розв’язку тривимірного рівняння пружної фільтрації з рухомим точковим стоком, що відображає вплив забою

, (3)

,

де Sj – зниження напору в j-му водопроникному шарі, q1 – інтенсивність притоку до забою, aj – п’єзопровідність, h – глибина забою, та – коефі-цієнти, що залежать від розмірів та розташування шарів. Додатково враховується фільтрація через кріплення ствола, який моделюється як лінійний стік.

Апробація моделі (рис. ) виконана для варіантів проведення шахтного ствола з різною швидкістю заглиблення забою в умовах зменшення проникності на порядок зі збільшенням глибини до 500 м. Показано, що більша швидкість проходки в три рази у верхніх проникних шарах призводить до зменшення загального водопритоку під час формування ствола на 28%, при цьому витрати води на глибинах до 800 м зменшуються у 5-7 разів.

Загальна гідродинамічна модель деталізована також для тривалого в часі періоду квазістаціонарної фільтрації на етапі відпрацювання запасів у шахтному полі. Поява деформацій, що впливають на проникність водотривких шарів, призводить до появи локальних зон осушення, обумовлених підробкою пластів. Кількісна оцінка впливу неоднорідності водотривких шарів виконана за допомогою розробленої моделі фільтрації на похилому водотривкому шарі довільної форми, товщини та проникності. Реалізація моделі виконана шляхом чисельного інтегрування рівняння

, (4)

де K – коефіцієнт фільтрації проникного шару, H – глибина потоку, (x)=ds/dx, s довжина шляху фільтрації, K0 та m0 – коефіцієнт фільтрації та товщина водотривкого шару, його нахил.

Рис. 3. Динаміка водопритоку q (1)
до шахтного ствола при зміні
глибини забою h (2) | Встановлено, що збільшення відношення K0/K до 0,25 на водоносних горизонтах нахилом до 20 призводить до формування повністю дренованих ділянок довжиною більше 50 м у нижній частині шару навіть при підтриманні граничних напорів, причому цей ефект зростає для опуклої форми водотриву. Наявність локальних ділянок довжиною до 20 м з відношенням K0/K=1 знижує напір підземних вод на 5-15 м в залежності від місця їх розташування.

Одержані діапазони дозволяють оцінювати фільтраційні параметри в місцях підробки пластів та дренуючий ефект зон підвищеної проникності водо-тривких шарів, що необхідне для оцінки гідродинамічних змін у зонах відпрацювання.

Врахування неоднорідності в підробленому масиві за допомогою детермінованих моделей, достатнє для гідродинамічних оцінок, не дозволяє адекватно відтворити шляхи та інтенсивність водної міграції при нестачі даних та великому (до двох порядків) розкиді параметрів проникності на близько розташованих ділянках. Характеристики міграції в таких умовах адекватно оцінюються на основі розробленої стохастичної моделі інфільтраційних водопритоків до підземних виробок, що відображає випадкову тріщинуватість гірського масиву, формалізовану розподіленими і змінними у просторі параметрами розкриття, орієнтації і густоти декількох систем тріщин.

Згідно з розподілом тріщин за розмірами (рис. ) швидкість течії vj в різних системах тріщин визначається на основі емпірично обґрунтованих формул гідравлічного потоку в щілинах різного розміру:

, (5)

де v() – функція швидкості течії, залежна від розкриття тріщини , pj – щільність їх розподілу за розміром в j-й системі. Побудова тріщин при моделюванні та визначенні місць їх виходу на поверхню до джерел інфільтрації виконується за допомогою випадкових функцій відповідно до розташування виробок.

Апробація моделі з використанням параметрів тріщинуватості, що відповідає просторовим змінам проникності порід у Донбасі та логнормальному розподілу розкриття тріщин як найбільш вірогідного, дозволила вперше побудувати розподіл водопритоку за швидкостями течії (рис. ) та до окремих виробок. Отримані результати повністю узгоджуються з експериментально встановленим широким діапазоном швидкостей водної міграції в тріщинуватому підробленому масиві, максимальні значення якої досягають 200-400 м/добу і більше.

Рис. . Частота розподілу тріщин p за
їх розкриттям та зміна швидкості течії v залежно від | Рис. . Функція розподілу притоку P
за швидкостями води v, що стікає
до виробок

Зміни фізико-хімічного стану підробленого масиву внаслідок технологічного переміщення порід на поверхню та порушення гідродинамічного режиму описуються комплексом моделей міграції у ланцюгу елементів геотехнічної системи “шахтні породи на поверхні – зона аерації – водоносний горизонт – поверхневі водотоки (водойми)” (рис. ). Розроблені моделі ґрунтуються на виконаних в дисертації аналітичних розв’язаннях рівняння масопереносу

(6)

що відповідають умовам підземної міграції при наявності протяжних за розмірами об’єктів – джерел надходження розчинних хімічних сполук у ґрунтові води з фільтрацією через вихідні межі різного типу (повний контакт або поверхневий стік з частковим випаровуванням). В рівнянні (6) позначено: С – концентрація речовин у підземних водах, Dx, Dy, Dz – коефіцієнти гідродиспер-сії; vx, vy, vz – компоненти швидкості фільтрації; ne – коефіцієнт ефективної пористості, що враховує лінійну сорбцію; – стала розпаду (деструкції), q – інтенсивність надходження речовин до водоносних горизонтів.

Рис. 6. Схема фізико-хімічних процесів при міграції з джерела
на поверхні: 1 – вилуговування, 2, 3 – перенос та сорбція у верхніх
шарах порід, 4 – перенос та сорбція у водоносному горизонті,
5 – витік до поверхневих водотоків, 6 – зона міграції

Реалізація алгоритмів моделювання забезпечує адекватне вихідним даним комплексне врахування в єдиній моделі динаміки вилуговування та розчинення з відвалів порід і хвостосховищ на поверхні, міграцію в зону аерації, просторову зміну гідрохімічних параметрів шляхом їх осереднення уздовж стрічок току фільтрації, масообмін між сусідніми горизонтами в умовах різнонаправленої фільтрації в них. Крім концентрації розчинних компонентів у підземних водах визначається також інтенсивність їх надходження до поверхневих водотоків.

Третій розділ дисертації присвячений розробці комплексу моделей, що описують процеси переміщення газів та твердих часток в межах гірничого відводу.

Емісія метану моделюється як результат фільтрації газу через тріщини в порушеному масиві та його рух у виробках у відповідності до змінних у просторі та часі параметрів, гідродинамічного режиму шахтного поля, темпів і тривалості видобутку, газоносності порід, складу газу, глибини ведення гірничих робіт. Зона емісії визначається об’ємом осушеної частини масиву, межі якої встановлюються на основі чисельної гідродинамічної моделі шахтного поля, розробленої в другому розділі дисертації, та узгоджуються з даними моніторингу.

На етапі осушення масиву та видобутку вугілля об’єм емітованого метану за проміжок часу t визначається як

, (7)

де qex – продуктивність видобутку, м3/добу; m – вміст вугілля в породах; pc – їх метаноносність, м3/т; c – густина вугілля, т/м3. Додатково враховується надходження метану за рахунок дифузії з вуглевміщуючих порід з поверхні виробленого простору, яке стає його домінуючим джерелом після відпрацювання пластів.

Загальне виділення метану на поверхню визначається як сума його надходження з системи вентиляції та тріщин, що контактують з виробленим простором, який з’являється з часом за рахунок погашення відпрацьованих виробок. Міграція метану в тріщинах моделюється як рух газів у каналах, коефіцієнт опору в яких враховує часткову насиченість тріщин водою та їх нерегулярну форму. Еквіваленти тріщин в моделі будуються на основі змінних у просторі розподілених параметрів тріщинуватості масиву з використанням випадкових функцій аналогічно розробленій у другому розділі моделі стохастичної фільтрації, що дає можливість оцінити місця їх виходу на поверхню масиву.

Завершальним етапом моделювання емісії є визначення концентрації метану в приміщеннях на поверхні, яке виконується за допомогою співвідношень балансу газів, витрати метану через поверхню землі, об’єму та розташування приміщень, ступеня їхньої ізольованості.

При апробації моделі використовувались дані моніторингу щодо газовиділення на закритих шахтах поблизу м. Донецьк. За результатами моделювання встановлений кількісний зв'язок між прискореною фільтрацією газу із затоплюваних горизонтів відпрацювання з тимчасовим збільшенням тиску рудничного газу в щільно ізольованих порожнинах від 5 до 15 атмосфер протягом 1-2 тижнів. Витіснення газу з таких виробок супроводжується прискоренням потоку газу на порядок та змінами концентрації метану, яка зменшується при затопленні нижніх, більш газоносних горизонтів (рис. 7).

Деталізація моделі емісії метану для періоду затоплення вугільних шахт виконана шляхом побудови системи рівнянь, що описують гідрогазодинамичні процеси в елементах геотехнічної системи “підземна виробка – тріщинуватий масив – приповерхневий водоносний горизонт”.

Рис. 7. Зміна газопотоку на поверхню шахтного поля qsf (1),
середньої концентрації метану в шахтному газі (2) та у приміщеннях
на поверхні (3) на етапі затоплення відпрацьованих горизонтів

Розроблена модель представлена взаємопов’язаними частинами, які описують: 1) зміну в часі об’єму та тиску газової суміші, а також концентрації метану в затоплюваній виробці, 2) зміну рівня води і тиску газу в масиві над виробкою в процесі затоплення; 3) висхідну міграцію газу у приповерхневому водоносному горизонті.

Форма виробки важлива лише на етапі її затоплення. Процес зміни маси та об’єму газів в ізольованому просторі, що описується балансовими співвідношеннями та законом Дальтона, контролюється динамікою підйому рівня шахтних вод, який визначається на основі гідродинамічної моделі, розробленій в другому розділі дисертації.

Рух газу в масиві над виробкою розраховується за допомогою моделі газової течії в каналах, яким відповідають системи тріщин, що перетинають виробку. Нерівномірний потік газу в тріщини через покрівлю виробки визначається перепадом тиску та площею витиснення. Газовий потік через водотривкий шар та ґрунтові води призводить до підйому їх рівня, що формалізується співвідношеннями гідравлічної схеми ерліфта, записаних з урахуванням несталого режиму та розмірів пор і тріщин у верхньому водоносному шарі.

Моделюванням встановлено, що завершальний етап витиснення газу з ізольованої виробки в слабопроникних породах супроводжується зростанням тиску, та кількісно співпадає з встановленими загальною моделлю емісії діапазонами тиску (рис. ). Розрахований максимальний підйом ґрунтових вод унаслідок витиснення газу при затопленні окремих виробок, що супроводжується тимчасовим зменшенням середньої водонасиченості порід вище водотривкого шару, досягає 6-7 м (рис. ). Такі оцінки узгоджуються з даними моніторингу затоплюваних вугільних шахт у Львівсько-Волинському басейні.

Рис. 8. Динаміка витрати Q (1) та тиску P (2) при витісненні газу з виробки | Рис. 9. Зміна максимального рівня ґрунтових вод h (1) та водонасиченості (2) над виробкою

Розроблені моделі повітряної міграції твердих часток і газів над поверхнею шахтного поля, на відміну від переважної більшості попередніх розробок, вперше комплексно враховують розподіл частоти і напрямку швидкості вітру в період прогнозу, мінливість вітрових течій, нерівномірність поглинання і шорсткості поверхні землі, особливості рельєфу. Це дає змогу при збереженні просторового масштабу визначати середньоймовірну концентрацію та інтенсивність осадження компонентів на поверхню масиву, що є необхідно для опису довготривалих процесів міграції у верхніх шарах ґрунту на території декількох шахт-них полів.

Базова модель розсіювання та осадження твердих часток та газів за тривалий період часу (місяць, рік) будується на чисельному інтегруванні аналітичного розв’язку тривимірного рівняння стаціонарного переносу в приземному шарі атмосфери за розподіленими параметрами частоти повторюваності f(v, ) та напрямку () швидкості вітру v, що для точкового викиду записується у вигляді

, (8)

де та t – концентрації компонентів у повітрі, визначені при усталених параметрах для тривалого періоду (місяць, рік), x та y – перетворення повороту координатних осей, x0 та y0 – координати місця викиду, – напрямок вітру.

Інтегруванням за ділянками викиду або підсумовуванням впливу декількох точкових викидів формула (8) узагальнюється для лінійних та площинних джерел, яким відповідають терикони та породні відвали, при цьому враховується часткове поглинання газів та осадження часток на поверхню. Врахування неоднорідності поглинання та осадження, а також змін рельєфу, виконується шляхом розділення розрахунків за окремими променями, що виходять з місць викидів, їх наступним розбиттям на ділянки з різними значеннями міграційних параметрів. Таке припущення справедливе за умов значної переваги довжини зони розсіювання над її шириною, яке характерне для більшості атмосферних станів у приземному шарі.

Розрахунок середньоймовірної концентрації окису вуглецю та пилу в атмосфері гірничопромислового міста показує наявність ділянок локальних максимумів приземних концентрації у зоні на відстанях від 300 до 2500 м від місця викидів, що пов’язане з нерівномірністю розподілу напрямків вітру протягом розрахункового періоду. Встановлено існування зони порівняно невеликої концентрації безпосередньо навколо місць точкових викидів, що обумовлено значною, вище 20-30 м, висотою джерела викиду.

Четвертий розділ дисертації присвячений апробації створених моделей на реальних об’єктах в гірничопромислових регіонах України. Основною метою досліджень була адаптація розроблених алгоритмів до гірничотехнічних та гідрогеологічних умов родовищ, адекватне врахування неповноти вихідних даних.

Верифікація гідродинамічної моделі, розробленої в другому розділі на основі аналітичних розв’язань рівняння фільтрації, проведена на прикладах осушення і затоплення шахтних полів у Кривбасі. Відповідно до гірничотехнічних та гідрогеологічних умов шахти ім. Валявко “Північна” при проведенні виробок на горизонті 213 м в моделі додатково враховується надходження води горизонтальних виробок та зон завалення. Оцінена динаміка водопритоков під час проведення підготовчих виробок погоджується з фактичними даними протягом більшої частини періоду епігнозу з похибкою 3-15% (рис. ) при адекватному врахуванні обсягів ведення робіт і структури масиву.

Рис. 10. Динаміка водопритоків Qsum (м3/добу)
за період 1961-1962 гг. (400 діб – 1.02.1961, 1090 діб – 31.12.1962)

В результаті розв’язання зворотних задач встановлено, що фактичній динаміці водопритоков і підйому рівня води при затопленні шахти “Центральна” ІнГОКу відповідають результати розрахунку, що враховують зниження об’єму порожнин у верхніх шарах підробленого масиву на 20% порівняно з об’ємами вийнятих при відпрацюванні порід. При цьому похибка розрахунку рівня води не перевищила 4%, водопритоков – 15%.

Динаміка водної міграції токсичних сполук з об’єктів виробництва продукції органічної хімії на полях шахт Горлівсько-Єнакіївського промислового вузла визначена на основі стохастичної моделі фільтрації з розподіленими параметрами. Застосована модель адекватна значному масштабу процесів на площі декількох десятків квадратних кілометрів при високих (100-650 м/добу) швидкостях міграції за умов невизначеності шляхів руху розчинених речовин.

Рис. 11. Схема міграції в шахтному
полі: 1 – місце надходження розчинів,
2 – шляхи міграції у тріщинах,
3 – шляхи міграції у виробках,
4 – водозбірник | Реалізований принцип двоетапної міграції відображає послідовність руху розчинів по тріщинах і у відкритих течіях на ґрунті виробок (рис. ). Спочатку на основі розподілених параметрів тріщинуватості та одновимірного рівняння масопереносу розраховується концентрація Свих сполук у воді, що надходить з тріщин до виробок

, (9)

де q – масопотік з усіх тріщин, що проходять через виробку, Qвих – приток води до виробки.

На другому етапі розраховується концентрація речовин у водозбірнику за рахунок їхнього надходження з усіх виробок, причому Свих використовується як початкова умова в розв’язанні рівняння міграції у відкритій течії на ґрунті виробок.

Оцінена динаміка змін концентрації відповідає фактичним даним запуску трасерів на поверхні масиву в районі заводу “Стирол” та Горлівського хімічного заводу. Відхилення між моментами початку надходження та досягнення максимальних концентрацій, як правило, не перевищують 3-5 діб за умов звичайної тривалості міграції від 20 до 60 діб. Найкраща узгодженість щодо максимальної концентрації відзначена для близьких до місць витоків шахт “Олександр-Захід”, ім. Калініна. Для більш віддалених шахт ім. К. Маркса та “Кіндратівка” розраховані концентрації виявились нижче за фактичних.

Безпечне ведення гірничих робіт у зоні впливу об’єкта радіаційної небезпеки на глибині 903 м у Центральному районі Донбасу обґрунтоване прогнозом міграції по тріщинах до найближчих виробок. Відсутність надійної інформації щодо хімічного та радіаційного стану об’єкту обумовила розробку декількох варіантів розвитку ситуації, деталізованих з використанням стохастичної моделі водної міграції.

Міграція найбільш мобільного радіонукліда в зоні об’єкта оцінюється шляхом врахування кінетики вилуговування на основі відомих лабораторних дослідів та наступним розрахунком масопереносу в тріщинах різного розміру за аналітичними залежностями.

Встановлено, що навіть при реалізації найбільш небезпечного варіанту максимальне надходження радіонуклідів до шахтних вод не перевищить 0.03% від початкової активності в зоні об'єкта, що обумовлено уповільненим водообміном і впливом природних сорбційних бар’єрів. Показано, що затоплення нижніх горизонтів, супроводжуване падінням фільтраційного градієнту, додатково зменшить концентрацію радіонукліду у стікаючій воді на 10-65% протягом 30-70 років після відключення водовідливу (рис. ).

Рис. 12. Динаміка концентрації 90Sr
у воді, що стікає до виробок | Динаміка зони фізико-хімічних змін у підземних водах, обумовлена міграцією токсичних компонентів з поверхневого сховища відходів переробки уранових руд, оцінена з використанням розроблених моделей міграції у верхніх шарах гірського масиву. Особливістю гідрохімічного режиму є переважання впливу токсичних нерадіоактивних компонентів, що визначають розміри зони порушення фонового хімічного стану підземних вод.

Виконаним