Оценка экологических и технических рисков ведения горных работ на основе численного моделирования геофильтрации
Цель. Обоснование экологически приемлемых и технически безопасных схем ведения горных работ в нарушенных гидрогеологических и геомеханических условиях путем создания адаптированной фильтрационной модели шахтного поля. Методика. Численное математического моделирование процессов геофильтрации в гете...
Збережено в:
| Дата: | 2016 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
2016
|
| Назва видання: | Розробка родовищ |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104712 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Оценка экологических и технических рисков ведения горных работ на основе численного моделирования геофильтрации / И. Садовенко, А. Загриценко, Е. Подвигина, Н. Деревягина // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 1. — С. 37-43. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-104712 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1047122016-07-15T03:01:58Z Оценка экологических и технических рисков ведения горных работ на основе численного моделирования геофильтрации Садовенко, И. Загриценко, А. Подвигина, Е. Деревягина, Н. Цель. Обоснование экологически приемлемых и технически безопасных схем ведения горных работ в нарушенных гидрогеологических и геомеханических условиях путем создания адаптированной фильтрационной модели шахтного поля. Методика. Численное математического моделирование процессов геофильтрации в гетерогенном по емкости и проницаемости горном массиве с учетом взаимосвязи подземных и поверхностных вод, перетекания через разделяющие слабопроницаемые слои, а также изменения граничных условий и геофильтрационных параметров во времени и пространстве. Результаты. Гидродинамическая модель шахтного поля идентифицирована путем имитации техногенного режима подземных вод, сформировавшегося в разные периоды эксплуатации шахты. Ее достоверность подтверждена результатами прогнозных решений по оценке величин водопритоков в зоне высокоамплитудного тектонического нарушения, которые имеют высокую сходимость с фактическими данными при проходке горных выработок (до 95%). Количественно установлено влияние горных работ и эксплуатации пруда-накопителя шахтных вод на режим подземных вод приповерхностного водоносного горизонта, определяющего экологическую обстановку и водопользование. Научная новизна. Установлены закономерности изменения фильтрационных и емкостных параметров во времени и пространстве в условиях нестационарной геодинамики массива горных пород. Для пород зоны тектонического нарушения выявлены гидродинамические возмущения упругого характера с величинами упругоемкости и проницаемости, сопоставимыми с ненарушенным слабопроницаемым массивом горных пород из аргиллитов, алевролитов, песчаников. Практическая значимость. Установленные закономерности формирования режима подземных вод приповерхностного водоносного комплекса позволили дифференцировать природную и техногенную составляющие в нарушении гидрогеохимического состава подземных вод, используемых для водоснабжения, а также опреде- лить параметры водоотбора. Высокая достоверность прогнозных решений позволила обосновать и применить специальный гидрогеомониторинг прохождения квершлага через тектоническую зону сброса с амплитудой более 300 м и предупредить аварийную ситуацию с водопроявлениями при минимальных затратах. Мета. Обґрунтування екологічно прийнятих та технічно безпечних схем ведення гірничих робіт в порушених гідрогеологічних і геомеханічних умовах шляхом створення адаптованої фільтраційної моделі шахтного поля Методика. В якості методики дослідження для представленої роботи були використані аналітичні розрахунки. В статті на основі теорії пружності, стійкості і максимальної рівноваги розроблена і використана математична модель напружено-деформованого стану гірського масиву. Результати. Гідродинамічна модель шахтного поля ідентифікована шляхом імітації техногенного режиму підземних вод, що сформувався в різні періоди експлуатації шахти. Її достовірність підтверджена результатами прогнозних рішень щодо оцінки величин водопритоків у зоні високоамплітудного тектонічного порушення, які мають високу збіжність з фактичними даними при проведенні гірничих виробок (до 95%). Кількісно встановлено вплив гірничих робіт і експлуатації ставка-накопичувача шахтних вод на режим підземних вод приповерхневого водоносного горизонту, що впливає на екологічну обстановку і водокористування. Наукова новизна. Встановлено закономірності зміни фільтраційних і ємнісних параметрів у часі й просторі в умовах нестаціонарної геодинаміки масиву гірських порід. Для порід зони тектонічного порушення виявлені гідродинамічні збурення пружного характеру з величинами пружноємності й проникності, порівняними з непорушеним слабопроникним масивом гірських порід з аргілітів, алевролітів, пісковиків. Практична значимість. Встановлені закономірності формування режиму під-земних вод приповерхневого водоносного комплексу дозволили диференціювати природну і техногенну складові в порушенні гідрогеохімічного складу підземних вод, які використовуються для водопостачання, а також визначити параметри водовідбору. Висока вірогідність прогнозних рішень дозволила обґрунтувати і застосувати спеціальний гідрогеомоніторінг проходження квершлагу через тектонічну зону скиду з амплітудою більше 300 м і попередити аварійну ситуацію з водопроявленнями при мінімальних витратах. Purpose. Substantiation of environmentally acceptable and technically safe operational mining schemes in the context of disturbed hydrogeological and geomechanical conditions by means of developing adapted filtrational model of the mine field. Methods. Numerical mathematical stimulation of geofiltrational processes in heterogeneous in terms of capacitivity and permeability rock massif involving surface-water and underground water dependency, leakage through partitioning poor water-permeable strata, as well as changes in boundary conditions and geofiltrational parameters in the context of time and space. Findings. Hydrodynamic model of the mine field has been identified with the help of imitating technogenic ground water dynamics formed during different periods of mine operation. Its reliability has been confirmed by the results of predicted solutions concerning estimation of inflow values within high-amplitude tectonic disturbance having high level of convergence with actual data while roadheading (up to 95%). The effect of mining operations as well as operation of mine water gathering pond on underground water dynamics of subsurface water-bearing formation which determines both environmental situation and water use, has been numerically estimated. Originality. Regularities of changes in filtrational parameters and capacity parameters in terms of time and space under the conditions of nonstationary geodynamics of rock massif have been specified. Elastic hydrodynamic disturbances with values of compressibility and permeability comparable to undisturbed poor water-permeable rock massif consisting of argillites, aleurites, and arenites have been determined for a zone of tectonic disturbance. Practical implications. The determined rules concerning formation of ground water dynamics of subsurface waterbearing system make it possible to differentiate natural components and technogenic components in the context of disturbance of hydrogeo-chemical composition of ground water used for water supply and specify parameters of water intake. High reliability of predicted solutions has helped substantiate and implement specific hydrogeomonitoring of crossdrift drawing through tectonic fault zone where amplitude is more than 300 m and prevent mine water inflows incidences at minimum costs. 2016 Article Оценка экологических и технических рисков ведения горных работ на основе численного моделирования геофильтрации / И. Садовенко, А. Загриценко, Е. Подвигина, Н. Деревягина // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 1. — С. 37-43. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 2415-3435 DOI: http://dx.doi.org/10.15407/mining10.01.037 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104712 622.841:622.847 ru Розробка родовищ УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Цель. Обоснование экологически приемлемых и технически безопасных схем ведения горных работ в
нарушенных гидрогеологических и геомеханических условиях путем создания адаптированной фильтрационной модели шахтного поля.
Методика. Численное математического моделирование процессов геофильтрации в гетерогенном по емкости и проницаемости горном массиве с учетом взаимосвязи подземных и поверхностных вод, перетекания через
разделяющие слабопроницаемые слои, а также изменения граничных условий и геофильтрационных параметров во времени и пространстве.
Результаты. Гидродинамическая модель шахтного поля идентифицирована путем имитации техногенного
режима подземных вод, сформировавшегося в разные периоды эксплуатации шахты. Ее достоверность подтверждена результатами прогнозных решений по оценке величин водопритоков в зоне высокоамплитудного
тектонического нарушения, которые имеют высокую сходимость с фактическими данными при проходке горных выработок (до 95%). Количественно установлено влияние горных работ и эксплуатации пруда-накопителя
шахтных вод на режим подземных вод приповерхностного водоносного горизонта, определяющего экологическую обстановку и водопользование.
Научная новизна. Установлены закономерности изменения фильтрационных и емкостных параметров во
времени и пространстве в условиях нестационарной геодинамики массива горных пород. Для пород зоны тектонического нарушения выявлены гидродинамические возмущения упругого характера с величинами упругоемкости и проницаемости, сопоставимыми с ненарушенным слабопроницаемым массивом горных пород из
аргиллитов, алевролитов, песчаников.
Практическая значимость. Установленные закономерности формирования режима подземных вод приповерхностного водоносного комплекса позволили дифференцировать природную и техногенную составляющие в
нарушении гидрогеохимического состава подземных вод, используемых для водоснабжения, а также опреде-
лить параметры водоотбора. Высокая достоверность прогнозных решений позволила обосновать и применить
специальный гидрогеомониторинг прохождения квершлага через тектоническую зону сброса с амплитудой
более 300 м и предупредить аварийную ситуацию с водопроявлениями при минимальных затратах. |
| format |
Article |
| author |
Садовенко, И. Загриценко, А. Подвигина, Е. Деревягина, Н. |
| spellingShingle |
Садовенко, И. Загриценко, А. Подвигина, Е. Деревягина, Н. Оценка экологических и технических рисков ведения горных работ на основе численного моделирования геофильтрации Розробка родовищ |
| author_facet |
Садовенко, И. Загриценко, А. Подвигина, Е. Деревягина, Н. |
| author_sort |
Садовенко, И. |
| title |
Оценка экологических и технических рисков ведения горных работ на основе численного моделирования геофильтрации |
| title_short |
Оценка экологических и технических рисков ведения горных работ на основе численного моделирования геофильтрации |
| title_full |
Оценка экологических и технических рисков ведения горных работ на основе численного моделирования геофильтрации |
| title_fullStr |
Оценка экологических и технических рисков ведения горных работ на основе численного моделирования геофильтрации |
| title_full_unstemmed |
Оценка экологических и технических рисков ведения горных работ на основе численного моделирования геофильтрации |
| title_sort |
оценка экологических и технических рисков ведения горных работ на основе численного моделирования геофильтрации |
| publisher |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| publishDate |
2016 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104712 |
| citation_txt |
Оценка экологических и технических рисков ведения горных работ на основе численного моделирования геофильтрации / И. Садовенко, А. Загриценко, Е. Подвигина, Н. Деревягина // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 1. — С. 37-43. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Розробка родовищ |
| work_keys_str_mv |
AT sadovenkoi ocenkaékologičeskihitehničeskihriskovvedeniâgornyhrabotnaosnovečislennogomodelirovaniâgeofilʹtracii AT zagricenkoa ocenkaékologičeskihitehničeskihriskovvedeniâgornyhrabotnaosnovečislennogomodelirovaniâgeofilʹtracii AT podviginae ocenkaékologičeskihitehničeskihriskovvedeniâgornyhrabotnaosnovečislennogomodelirovaniâgeofilʹtracii AT derevâginan ocenkaékologičeskihitehničeskihriskovvedeniâgornyhrabotnaosnovečislennogomodelirovaniâgeofilʹtracii |
| first_indexed |
2025-07-07T15:44:18Z |
| last_indexed |
2025-07-07T15:44:18Z |
| _version_ |
1837003504841916416 |
| fulltext |
Founded in
1900
National Mining
University
Mining of Mineral Deposits
ISSN 2415-3443 (Online) | ISSN 2415-3435 (Print)
Journal homepage http://mining.in.ua
Volume 10 (2016), Issue 1, pp. 37-43
37
UDC 622.841:622.847 http://dx.doi.org/10.15407/mining10.01.037
ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ РИСКОВ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ
РАБОТ НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОФИЛЬТРАЦИИ
И. Садовенко1, А. Загриценко1*, Е. Подвигина1, Н. Деревягина1
1Кафедра гидрогеологии и инженерной геологии, Национальный горный университет, Днепропетровск, Украина
*Ответственный автор: e-mail alinanik@bigmir.net, тел. +380562469961, факс: +380562470711
ASSESSMENT OF ENVIRONMENTAL AND TECHNICAL RISKS IN THE PROCESS
OF MINING ON THE BASIS OF NUMERICAL SIMULATION OF GEOFILTRATION
I. Sadovenko1, A. Zagrytsenko1*, O. Podvigina1, N. Dereviagina1
1Department of Hydrogeology and Engineering Geology, National Mining University, Dnipropetrovsk, Ukraine
*Corresponding author: e-mail alinanik@bigmir.net, tel. +380562469961, fax: +380562470711
ABSTRACT
Purpose. Substantiation of environmentally acceptable and technically safe operational mining schemes in the con-
text of disturbed hydrogeological and geomechanical conditions by means of developing adapted filtrational model
of the mine field.
Methods. Numerical mathematical stimulation of geofiltrational processes in heterogeneous in terms of capacitivity
and permeability rock massif involving surface-water and underground water dependency, leakage through partition-
ing poor water-permeable strata, as well as changes in boundary conditions and geofiltrational parameters in the
context of time and space.
Findings. Hydrodynamic model of the mine field has been identified with the help of imitating technogenic ground
water dynamics formed during different periods of mine operation. Its reliability has been confirmed by the results of
predicted solutions concerning estimation of inflow values within high-amplitude tectonic disturbance having high
level of convergence with actual data while roadheading (up to 95%). The effect of mining operations as well as
operation of mine water gathering pond on underground water dynamics of subsurface water-bearing formation
which determines both environmental situation and water use, has been numerically estimated.
Originality. Regularities of changes in filtrational parameters and capacity parameters in terms of time and space
under the conditions of nonstationary geodynamics of rock massif have been specified. Elastic hydrodynamic dis-
turbances with values of compressibility and permeability comparable to undisturbed poor water-permeable rock
massif consisting of argillites, aleurites, and arenites have been determined for a zone of tectonic disturbance.
Practical implications. The determined rules concerning formation of ground water dynamics of subsurface water-
bearing system make it possible to differentiate natural components and technogenic components in the context of
disturbance of hydrogeo-chemical composition of ground water used for water supply and specify parameters of
water intake. High reliability of predicted solutions has helped substantiate and implement specific hydrogeomonitor-
ing of crossdrift drawing through tectonic fault zone where amplitude is more than 300 m and prevent mine water
inflows incidences at minimum costs.
Keywords: geofiltrational parameters, rock massif, simulation, water inflow prediction, mine
1. ВВЕДЕНИЕ
Задачи повышения технико-экономической эф-
фективности работы шахт и обеспечения безопасно-
сти горных работ зачастую решаются вне связи с
экологической составляющей, которая характеризу-
ется нарушением гидродинамического режима под-
земных и поверхностных вод, повышением их соле-
содержания, подтоплением и заболачиванием подра-
ботанной территории. В свою очередь гидродинами-
ческая ситуация на шахтном поле является фактором,
определяющим технические риски ведения горных
работ, для снижения которых принимаются инже-
нерные решения с завышенным и неоправданно вы-
соким запасом надежности. Это приводит к повыше-
нию затрат на экологические штрафы, ликвидацию
аварийных ситуаций, связанных с водопроявлениями,
или необоснованно высоким капиталовложениям для
I. Sadovenko, A. Zagrytsenko, O. Podvigina, N. Dereviagina. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(1), 37-43
38
их предупреждения. Поэтому к решению взаимосвя-
занных горно-технологических и гидрогеоэкологиче-
ских задач необходимо применять комплексный
подход, основанный на прогнозных оценках техно-
генного режима подземных вод.
Часто применяемые аналитические методы про-
гноза (Tammetta, 2012; Fomin, 2015) техногенного
режима подземных вод не дают полного представле-
ния о закономерностях его формирования и имеют
низкую достоверность в силу сложности учета всех
факторов геотехнической системы. Как показывает
практика и опыт решения задач прогнозирования
техногенного режима подземных вод метод числен-
ного математического моделирования является
наиболее совершенным методом фильтрационных
расчетов (Sadovenko, 1991; Sadovenko, Rudakov &
Podvigina, 2010). При создании модели шахтного
поля возникают дополнительные сложности в связи с
необходимостью учета особенностей техногенной
нарушенности горного массива в результате отработ-
ки угольных пластов с полным обрушением кровли,
взаимосвязи подземных и поверхностных вод, пере-
текания через разделяющие слабопроницаемые слои,
изменений граничных условий и параметров во вре-
мени и пр. Специфика подходов к моделированию
нестационарных геофильтрационных процессов,
развивающихся при ведении горных работ, обуслов-
лена наличием гетерогенного по емкости и проница-
емости техногенного водоносного комплекса
(Norvatova, 2007).
Задачей настоящей работы является создание адап-
тированной фильтрационной модели поля шахты “Са-
марская” ПАО ДТЕК “Павлоградуголь” с целью коли-
чественного обоснования экологически приемлемых и
технически безопасных схем ведения горных работ в
нарушенных гидрогеологических и геомеханических
условиях. При этом математическая модель должна
отвечать на следующие практические вопросы
– оценка влияния горных работ шахты “Самар-
ская” на грунтовые воды с. Богдановка, используе-
мые для водоснабжения;
– прогноз водопритоков в зоне пересечения
квершлагом крупно-амплитудного тектонического
нарушения.
2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Математическая модель аналогична объекту ис-
следований по совокупности и тождественности
уравнений, описывающих процессы и явления, про-
текающие на объекте и модели. В основу алгоритма
численного моделирования техногенного режима
подземных вод положено дифференциальное уравне-
ние фильтрации, которое решается численными ите-
рационными методами с помощью системы конечно-
разностных уравнений:
t
H*μW
H
yT
x
H
xT
∂
∂⋅=±
∂
∂+
∂
∂
2
2
2
2
y
, (1)
где:
H – искомая функция напора;
W – питание (разгрузка) по водоносному слою;
yx TT , – проводимость водоносного горизонта по
линейным координатам x и y соответственно;
*μ – коэффициент упругой водоотдачи;
t – время.
Конечно-разностная аппроксимация уравнения (1)
основана на дискретном представлении геофильтра-
ционного потока в пространстве и времени, при ко-
тором непрерывное фильтрационное поле ( )zyxH ,,
заменяется фиктивной сеточной областью, характе-
ризующейся величинами напоров ( )kij tyxH ,, во всех
узловых точках сетки на ряд моментов времени с
шагом tΔ :
±
+
+−
−
−
−−+
+
+−
−
−
−−
1ii,Ф
t
1ij,Ht
ij,H
i1,iФ
t
ij,Ht
1ij,H
1jj,Ф
t
i1,jHt
ij,H
j1,jФ
t
ij,Ht
i1,jH
Δt
Δtt
ij,Ht
ij,H
iΔyjΔxij,μiΔyjΔxij,W
−−
=± (2)
где:
Ф – фильтрационное сопротивление потока меж-
ду расчетными блоками, выраженное через размеры
блоков ( )yx ΔΔ , и значения проводимостей.
Естественные гидрогеологические условия и тех-
ногенные возмущающие факторы отображены на
6-ти слойной математической модели шахтного поля,
где первый и второй расчетные слои отражают водо-
носный комплекс мезо-кайнозойских отложений, а
нижние (3 – 6) – отрабатываемые угольные пласты и
породы зоны водопроводящих трещин (С6, С5, С4, С1),
имеющие непосредственный выход под мезо-
кайнозойские отложения (Рис. 1).
В ненарушенных условиях мезо-кайнозойские от-
ложения получают питание за счет инфильтрации
атмосферных осадков, а разгружаются – в реку Са-
мару и ее притоки. Кроме того, имеются искусствен-
ные возмущающие источники – водозаборные со-
оружения, пруды-накопители и дренажные кон-
струкции, включая горные выработки различного
эксплуатационного назначения.
Идентификация модели сопровождается решени-
ем ряда эпигнозных или обратных задач в естествен-
ной и нарушенной горными работами гидродинами-
ческой обстановке. По положению уровней подзем-
ных вод и величин водопритоков уточняются гра-
ничные условия, фильтрационные и емкостные
параметры.
Окончательная оценка результатов идентифика-
ции выполняется по данным функционирования объ-
екта, при котором на модели воспроизводятся про-
цессы, фактические данные о протекании которых
зафиксированы в натурных условиях. Для этого ими-
тируется процесс отработки угольных пластов со-
гласно планам горных работ в периоды, где зафикси-
рованы изменения внутренних (наращивание отметок
в пруде-накопителе) или внешних (влияние соседних
шахт) граничных условий, характерные изменения
величин водопритоков, а также имеются данные
режимных наблюдений (Табл. 1).
I. Sadovenko, A. Zagrytsenko, O. Podvigina, N. Dereviagina. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(1), 37-43
39
Рисунок 1. Схематический разрез модели
Таблица 1. Контрольные данные для моделирования
Периоды
времени
Величина водопритока, м3/час
Отметка воды в пруде-
накопителе, м (мине-
рализация, г/дм3)
Обще-
шахтный
Отрабатываемые угольные пласты
(расчетные слои) Горизонт
300 м
Шахтные
стволы
С1 (6) С4 (5) С5 (4) С6 (3)
1970 – 1980 103 67 13 — — 10 13 77.0 (19.0)
1980 – 1985 122 63 42 — — 5 12 80.0 (25.0)
1985 – 1997 439 134 141 109 — 42 13 80.0 (5.20)
1997 – 2006 427 175 127 85 — 29 11 80.0 (3.80)
2006 – 2013 480 285 — 187 — — 8 80.0 (6.60)
В процессе воспроизведения на модели эпигноз-
ной гидродинамической ситуации подтверждена ее
адекватность реальному объекту с погрешностью
баланса 0.3 – 0.7%, водопритоков – до 5% и установ-
лены факторы формирования нарушенного техно-
генного режима подземных и поверхностных вод, в
том числе на территории подработанных жилых до-
мов в с. Богдановка.
Звеном, претерпевшим наибольшие изменения в
работе системы “шахтный водоотлив – сброс шахт-
ных вод” (Рис. 2), является гидрогеохимическое со-
стояние подземных вод на прилегающей территории.
Доминирующее влияние на изменение гидродинами-
ческого и гидрогеохимического режима подземных
вод мезо-кайнозойских отложений оказывают шахт-
ный водоотлив и эксплуатация пруда-накопителя в
балке Таранова.
Рисунок 2. Схема водообмена в пределах поля шахты “Самарская”
I. Sadovenko, A. Zagrytsenko, O. Podvigina, N. Dereviagina. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(1), 37-43
40
Отработка гидродинамически открытых угольных
пластов С1, С4, С5 привела к существенному пониже-
нию уровней подземных вод до 2.4 м в водоносном
комплексе четвертично-неогеновых отложений
(Рис. 3а) и до 3.6 м – в бучакском водоносном гори-
зонте (Рис. 3б). При этом максимальные понижения
уровней фиксируются на границе с полем шахты
им. Н.И. Сташкова – 6.4 – 8.6 м.
Влияние пруда-накопителя на первый от поверх-
ности водоносный комплекс проявляется повышени-
ем уровня подземных вод в радиусе около 600 м.
Подъем уровня подземных вод в районе пруда дости-
гает 7.6 м (Рис. 3а), а в водоносном комплексе бучак-
ских отложений влияние пруда нивелируется дре-
нажным действием горных выработок (Рис. 3б).
По результатам моделирования установлено, что
изменение уровенного режима подземных вод приле-
гающей территории с. Богдановка практически не
отличается от значений сезонных колебаний уровня.
Это подтверждается также данными многолетних
режимных наблюдений (Derzhak & Chemeris, 2014).
(a)
(б)
Рисунок 3. Изменение уровня подземных вод на поле шахты “Самарская”: (а) верхний водоносный комплекс;
(б) водоносный комплекс бучакских отложений
Основное влияние на экологическую ситуацию
техногенно нагруженной территории с. Богдановка
оказывает растекание купола засоления при увеличе-
нии отметок зеркала воды пруда-накопителя в
б. Таранова, куда сбрасываются шахтные воды шахт
им. Н.И. Сташкова, “Днепровская”, “Самарская”, и
увеличение минерализации первых от поверхности
водоносных горизонтов.
Тенденция к опреснению эксплуатируемого для
водоснабжения горизонта (2006 – 2015 гг.) связана с
увеличением объемов сброса менее минерализован-
ных шахтных вод шахты им. Н.И. Сташкова, а также
перемещением фронта горных работ в восточную
часть от пруда-накопителя.
На математической фильтрационной модели ре-
шена также прогнозная задача по оценке условий
обводнения горных выработок при вскрытии и пере-
сечении квершлагом зоны тектонического нарушения
(ЗТН) Богдановского сброса. Подобного опыта пере-
сечения горными выработками нарушения с ампли-
тудой смещения более 300 м в Западном Донбассе не
существует. Опытно-фильтрационные гидрогеологи-
ческие исследования в зоне продольного сброса были
проведены ранее (Timoshenko & Zaezzhev, 1977) на
участке, где в лежачем крыле разрабатываются
угольные пласты ш. “Благодатная”, а висячем –
ш. им. Героев Космоса. Данные фактической откачки
с глубоким водопонижением воспроизведены на
модели в виде серии экспериментов по динамике
откачки и восстановлению уровня. Это позволило
определить параметры фильтрационных и емкостных
свойств тектонически нарушенной зоны (Табл. 2).
I. Sadovenko, A. Zagrytsenko, O. Podvigina, N. Dereviagina. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(1), 37-43
41
Таблица 2. Гидродинамические параметры зоны тектонических нарушений
Дебит
скважины,
м3/сут
Время,
сут
Понижение, м
Коэффициент
фильтрации, м/сут
Коэффициент
упругой водоотдачи
Проницаемость
разделяющей толщи, м-1
Факт Модель ЗТН
Засбросовая
площадь
ЗТН
Засбросовая
площадь
ЗТН
Засбросовая
площадь
пласт С6
2.600 3 92.1 93.0 10-4 10-2 10-6 10-5 2.3·10-7 10-5
пласт С1
0.086 4 128 124 10-6 10-2 10-7 10-5 1.6·10-8 10-5
Установленные параметры проницаемости ЗТН
заданы на модели на участках распространения Але-
фировского и Богдановского сбросов при решении
прогнозных задач (Рис. 4).
Зафиксированная динамика откачки и восста-
новления уровня характерна для упругого режима
фильтрации с низкими параметрами упругоемко-
сти ( 76* 1010 −− −=μ для ЗТН) и проницаемости
( 64 1010 −− −=фk м/сут). В таких условиях скорость
распространения возмущений на несколько порядков
выше скорости реакции безнапорных пластов и ре-
жим фильтрации быстро переходит в стационарный.
Об этом свидетельствуют результаты прогнозных
решений в условиях ведения горных работ в зоне
тектонических нарушений (Рис. 4, 5).
Рисунок 4. Схема пересечения горными выработками зон тектонических нарушений в двух коридорах (фрагмент
моделируемого пласта С1 ш. “Самарская”)
Уровни подземных вод реагируют на проходку
выработок (дрен) в ЗТН понижением напоров до
165 м (Рис. 5), при этом в течение трех суток уста-
навливается стационарный режим фильтрации. Сле-
дует отметить, что такой характер понижения уровня
в дрене (выработке) поясняется сопряжением зон с
проницаемостью и емкостью, отличающейся на не-
сколько порядков (Табл. 2). Поэтому понижение
уровней вне тектонических зон значительно меньше
и составляет 2.49 м в северо-западном коридоре
(Рис. 5) и 6.8 м – в юго-восточном.
Прогнозные величины водопритоков по выра-
боткам северо-западного коридора составят
0.08 – 0.1 м3/час, юго-восточного – 0.12 – 0.25м3/час.
0
Расстояние, м
-150
-100
-50
А
бс
ол
ю
тн
ая
о
тм
ет
ка
у
ро
вн
я,
м
50
100
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
до вскрытия ЗНТ
через 3 суток
через 1 год
Рисунок 5. Понижение уровня над выработками
(коридор І – І)
I. Sadovenko, A. Zagrytsenko, O. Podvigina, N. Dereviagina. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(1), 37-43
42
Такие водопритоки проявляются в горных выра-
ботках в виде увлажненных стенок и редкого капежа.
Выполненный прогноз составил основу организации
гидрогеомеханического мониторинга при пересече-
нии Богдановского сброса квершлагом. Фактические
водопритоки не превышали 0.05 м3/час, что свиде-
тельствует о корректности построенной модели и
достаточно высокой достоверности выполненных
гидродинамических прогнозов.
3. ВЫВОДЫ
Гидродинамическая модель шахтного поля, иден-
тифицированная путем имитации техногенного режи-
ма подземных вод, сформировавшегося в разные пе-
риоды эксплуатации шахты, имеет достаточно высо-
кую сходимость с объектом исследования (погреш-
ность баланса 0.3 – 0.7%, водопритоков до 5%) за счет
установленных закономерностей изменения парамет-
ров проницаемости во времени и пространстве. Для
зоны тектонически нарушенных пород характерны
гидродинамические возмущения упругого характера с
параметрами упругоемкости ( )76* 1010 −− −=μ и
проницаемости ( )м/сут1010 64 −− −=фk , сопостави-
мыми с ненарушенным слабопроницаемым массивом
горных пород из аргиллитов, алевролитов, песчани-
ков, что позволяет проходить горные выработки без
специальных мероприятий. Высокая достоверность
прогнозных решений позволила обосновать и приме-
нить специальный гидрогеомониторинг прохождения
квершлага через тектоническую зону сброса с ампли-
тудой более 300 м и предупредить аварийную ситуа-
цию с водопроявлениями при минимальных затратах.
Установленные закономерности формирования
режима подземных вод приповерхностного водонос-
ного комплекса позволили дифференцировать при-
родную и техногенную составляющие в нарушении
гидрогеохимического состава подземных вод, ис-
пользуемых для водоснабжения, а также определить
параметры водоотбора.
БЛАГОДАРНОСТЬ
Исследования выполнены при финансовой под-
держке компании ПАО “ДТЕК Павлоградуголь” и
ПСП “Шахтоуправление Терновское”. Авторы бла-
годарны компании за организацию и помощь в про-
ведении гидродинамического и геомеханического
мониторинга в горных выработках шахты.
REFERENCES
Derzhak, S., & Chemeris, B. (2014). Informatsionnyiy otchet o
rezultatah rezhimnyih gidrogeologicheskih nablyudeniy po
vedomstvennoy seti nablyudatelnyih skvazhin PAO “DTEK
Pavlogradugol” (pp. 3-59). Dnipropetrovsk: National Mining
University.
Fomin, V. (2015). Prognozirovanie izmeneniya pritoka
podzemnyih vod v likvidirovannuyu shahtu. Ugol Ukrainy,
(5), 20-24.
Norvatova, O. (2007). Tipizatsiya gidrogeologicheskih usloviy
zatopleniya shaht. GIAB, (1), 117-120.
Sadovenko, I. (1991). Sintezirovanie chislennyih modeley pri
reshenii zadach upravleniya geofiltratsionnyim sos-
toyaniem gornogo massiva. Izvestiya vuzov. Gornyiy
zhurnal, (12). 19-22.
Sadovenko, I., Rudakov, D., & Podvigina, O. (2010). Analysis
of hydrogeodynamics in a mining region during exploitation
till closure of coal mines. New Techniques and Technologies
in Mining: School of Underground Mining 2010, 61-69.
http://dx.doi.org/10.1201/b11329-12
Tammetta, P. (2012). Estimation of the Height of Complete
Groundwater Drainage Above Mined Longwall Panels.
Groundwater, 51(5), 723-734.
http://dx.doi.org/10.1111/-gwat.12003
Timoshenko, O., & Zaezzhev, N. (1977). Otchet "O gidrogeo-
logicheskih issledovaniyah na pole shahtyi “Zapadno-
Donbasskaya” i 6/42 (im. Geroev Kosmosa) s tselyu
izucheniya usloviy obvodneniya plasta C7
n v zone Bog-
danovskogo sbrosa, 3-53.
ABSTRACT (IN RUSSIAN)
Цель. Обоснование экологически приемлемых и технически безопасных схем ведения горных работ в
нарушенных гидрогеологических и геомеханических условиях путем создания адаптированной фильтрацион-
ной модели шахтного поля.
Методика. Численное математического моделирование процессов геофильтрации в гетерогенном по емко-
сти и проницаемости горном массиве с учетом взаимосвязи подземных и поверхностных вод, перетекания через
разделяющие слабопроницаемые слои, а также изменения граничных условий и геофильтрационных парамет-
ров во времени и пространстве.
Результаты. Гидродинамическая модель шахтного поля идентифицирована путем имитации техногенного
режима подземных вод, сформировавшегося в разные периоды эксплуатации шахты. Ее достоверность под-
тверждена результатами прогнозных решений по оценке величин водопритоков в зоне высокоамплитудного
тектонического нарушения, которые имеют высокую сходимость с фактическими данными при проходке гор-
ных выработок (до 95%). Количественно установлено влияние горных работ и эксплуатации пруда-накопителя
шахтных вод на режим подземных вод приповерхностного водоносного горизонта, определяющего экологиче-
скую обстановку и водопользование.
Научная новизна. Установлены закономерности изменения фильтрационных и емкостных параметров во
времени и пространстве в условиях нестационарной геодинамики массива горных пород. Для пород зоны тек-
тонического нарушения выявлены гидродинамические возмущения упругого характера с величинами упруго-
емкости и проницаемости, сопоставимыми с ненарушенным слабопроницаемым массивом горных пород из
аргиллитов, алевролитов, песчаников.
I. Sadovenko, A. Zagrytsenko, O. Podvigina, N. Dereviagina. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(1), 37-43
43
Практическая значимость. Установленные закономерности формирования режима подземных вод припо-
верхностного водоносного комплекса позволили дифференцировать природную и техногенную составляющие в
нарушении гидрогеохимического состава подземных вод, используемых для водоснабжения, а также опреде-
лить параметры водоотбора. Высокая достоверность прогнозных решений позволила обосновать и применить
специальный гидрогеомониторинг прохождения квершлага через тектоническую зону сброса с амплитудой
более 300 м и предупредить аварийную ситуацию с водопроявлениями при минимальных затратах.
Ключевые слова: геофильтрационные параметры, горный массив, моделирование, прогноз водопритоков,
шахта
ABSTRACT (IN UKRAINIAN)
Мета. Обґрунтування екологічно прийнятих та технічно безпечних схем ведення гірничих робіт в порушених
гідрогеологічних і геомеханічних умовах шляхом створення адаптованої фільтраційної моделі шахтного поля
Методика. В якості методики дослідження для представленої роботи були використані аналітичні розраху-
нки. В статті на основі теорії пружності, стійкості і максимальної рівноваги розроблена і використана матема-
тична модель напружено-деформованого стану гірського масиву.
Результати. Гідродинамічна модель шахтного поля ідентифікована шляхом імітації техногенного режиму підзе-
мних вод, що сформувався в різні періоди експлуатації шахти. Її достовірність підтверджена результатами прогноз-
них рішень щодо оцінки величин водопритоків у зоні високоамплітудного тектонічного порушення, які мають висо-
ку збіжність з фактичними даними при проведенні гірничих виробок (до 95%). Кількісно встановлено вплив гірни-
чих робіт і експлуатації ставка-накопичувача шахтних вод на режим підземних вод приповерхневого водоносного
горизонту, що впливає на екологічну обстановку і водокористування.
Наукова новизна. Встановлено закономірності зміни фільтраційних і ємнісних параметрів у часі й просторі
в умовах нестаціонарної геодинаміки масиву гірських порід. Для порід зони тектонічного порушення виявлені
гідродинамічні збурення пружного характеру з величинами пружноємності й проникності, порівняними з непо-
рушеним слабопроникним масивом гірських порід з аргілітів, алевролітів, пісковиків.
Практична значимість. Встановлені закономірності формування режиму під-земних вод приповерхневого
водоносного комплексу дозволили диференціювати природну і техногенну складові в порушенні гідрогеохіміч-
ного складу підземних вод, які використовуються для водопостачання, а також визначити параметри водовід-
бору. Висока вірогідність прогнозних рішень дозволила обґрунтувати і застосувати спеціальний гідрогеомоні-
торінг проходження квершлагу через тектонічну зону скиду з амплітудою більше 300 м і попередити аварійну
ситуацію з водопроявленнями при мінімальних витратах.
Ключові слова: геофільтраційні параметри, гірський масив, моделювання, прогноз водопритоків, шахта
ARTICLE INFO
Received: 17 October 2015
Accepted: 3 December 2015
Available online: 30 March 2016
ABOUT AUTHORS
Ivan Sadovenko, Doctor of Technical Sciences, Professor of Department of Hydrogeology and Engineering Geology,
National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 1/54, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine. E-mail:
alinanik@bigmir.net
Alina Zagrytsenko, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Department of Hydrogeology and Engi-
neering Geology, National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 7/1203, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine.
E-mail: alinanik@bigmir.net
Olena Podvigina, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Department of Hydrogeology and Engineer-
ing Geology, National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 7/1203, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine.
E-mail: leka@hotmail.ru
Natalia Dereviagina, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of Department of Hydrogeology and Engi-
neering Geology, National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 1/54, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine.
E-mail: natali.derev@gmail.com
|