Уголь Украины, №6, июнь, 1998, с. 11-13.
В.Н. Ермаков, О.А. Улицкий, А.И. Спожакин
(ГК “Укруглереструктуризация”)Донбасс является одной из крупнейших техногенно-геологических систем. Активное развитие горных работ определило ведущее влияние техногенных изменений геологической среды (ГС) на современное формирование экологических условий региона.
За 200-летний период развития Донбасса интенсивно его угольные ресурсы осваивались в последние 50 лет, когда глубина большинства шахт достигла 800— 1000 м, в отдельных случаях — более 1200 м. Для геологической среды региона выявлено характерное действие следующих факторов: практически необратимое изменение состояния пород в зонах обрушения; смещение границ зон активного, замедленного и затрудненного обмена подземных вод и активности их взаимосвязи с поверхностными гидрографическими объектами; изменение условий миграции подземных газов и водных потоков, их смещение к зонам горных работ.
В последнее время гидрогеологическая ситуация резко обострилась в связи с выводом шахт из эксплуатации. При этом необходимо решить ряд проблем, к первоочередным из которых можно отнести:
оценку условий управления уровнем подземных вод для исключения площадных перетоков минерализованных шахтных вод в гидрографическую сеть, засоления почв, подтопления и т. д.;
прогноз изменения прочностных свойств породных массивов с учетом затопления части выработок, зон обрушения, а также развития охранных мероприятий и рекомендаций по предотвращению или сокращению негативных нарушений геологической среды;
разработку системы контроля за эколого-гидрогеологическими параметрами для безопасного ведения ликвидационных работ.
При широкомасштабной добыче угля резко нарушились естественные геодинамические условия, а значит, произошло и обрушение пород в пределах горного отвода. В зависимости от геологических и технологических факторов зона обрушения колеблется в пределах 20— 60-кратной мощности отрабатываемых пластов [1].
Отрицательное влияние горных работ на породный массив сказывается на следующих основных направлениях. Во-первых, горные работы вызывают интенсивное дренирование водоносных горизонтов покровных и каменноугольных отложений. Следствием этого воздействия является то, что в пределах углепромышленных районов снизился уровень подземных вод, что привело к образованию региональных депрессионных воронок глубиной до 300—400 м и протяженностью примерно 10 км. На полях старых шахт сформировались локальные, но очень глубокие (700—1000 м) депрессионные воронки (шахта "Красный профинтерн", им. Гагарина и др.) [2].
Во-вторых, ведение горных работ в значительных масштабах при принятых технологиях в течение многих лет резко изменило геодинамическую обстановку в массиве бассейна, что еще более уменьшило его целостность и устойчивость. Суммарная площадь, на которой ведутся горные работы, 11 500 км2, что составляет 75% площади бассейна. Коэффициент нарушенности массива выработками в среднем равен 0,26, т. е. 26% [3].
В-третьих, извлечение угля и пород из массива обусловило такое явление, как проседание дневной поверхности над выработками. Этими процессами охвачено 8000 км
2. Наибольшее проседание дневной поверхности с учетом количества разрабатываемых пластов и их мощности наблюдается в районах пологого залегания пород карбона и слабой степени их литификации. Поскольку до настоящего времени методики прогноза изменения гидрогеологических условий полей затапливаемых шахт для Донбасса нет, в основу прогнозирования этих условий, заложены эмпирические зависимости, выработанные в результате режимных наблюдений и обобщающих материалов, полученных при затоплении и откачке шахт в 40—50-е годы. Закрытие одной шахты существенно изменяет гидродинамическую ситуацию и тех, которые имеют с ней общие границы горных отводов. Известно, что на эту ситуацию влияют такие факторы, как условия формирования водопритоков, литологический состав пород и состояние их в массиве, фильтрационные параметры водоносных горизонтов или комплексов и т. п.
Рис. 1. Графики зависимости общешахтного водопритока в шахту
Q от глубины горных работ Н и перетока в шахту им.. Коротченко q от глубины уровня воды h в шахте "Селидовская" в процессе затопления последней: 1 — зависимости Q = f (H); 2 и 3 — то же. q1 = f(h) и q11 = f(H);4 —
точка, соответствующая фактическому водопритоку при зеркале затопления на уровне абс. отм. - 30 м: 5 — расчетные значения для различных уровней затопления; 6 — точка фактического притока при глубине шахты 400 м (до начала затопления); q1 и q11 — переток в шахту им. Коротченко на конечный период затопления по вариантам расчета соответственно I и II: h1 и h11 — абсолютные отметки прогнозного положения воды в шахте "Селидовская" на конечный период затопления по I и II вариантам расчета.Однако определяющими являются перераспределение водопритока на затопление выработок закрываемой шахты и на переток в прилегающие, изменение существующего баланса подземных и поверхностных вод. Динамику затопления можно оценить, используя зависимость [4]
QiTi = KVi + qiTi , (1)
где
Qi и qi — соответственно общешахтный водоприток и переток в прилегающую шахту для i-го интервала затопления, м3/сут; К — коэффициент заполнения; Vi — объем выработок в интервале i, м3; Ti — время затопления интервала i, сут.Определены методы оценки указанных параметров. Объем выработанного пространства
Vi для каждого интервала определяется маркшейдерскими замерами, при этом вместимость очистных выработок принимается как произведение их площади на среднюю мощность угольного пласта.Коэффициент заполнения К представляет собой отношение объема воды, идущего на заполнение выработок, к их объему. Для каждого промышленного района коэффициент изменяется в пределах 0,4—0,6 [1]. Коэффициент заполнения уменьшается с увеличением глубины шахт и площади очистных работ.
Общий водоприток в шахту
Qi для рассматриваемых интервалов в конкретном случае определяется исходя из фактических данных об изменениях водопритока в шахту при развитии фронта очистных работ и глубины шахты. В этом случае оценка изменения общешахтного водопритока реальна с использованием апробированной в условиях Донбасса зависимости [4].Q = bH0,.35L0,75, (2)
где Н и
L — соответственно глубина ведения горных работ и протяженность выработок, м:b
— эмпирический гидрогеологический коэффициент, учитывающий горно-эксплуатационные параметры шахты.
Рис. 2. Изменение во времени уровня воды в шахте при затоплении от отм. -30 м до +115 ;
(I вариант) или до +135 м (II вариант).
Рассматривая гидродинамическую ситуацию, вызванную затоплением шахты "Селидовская" объединения Селидовуголь, расположенной в Красноармейском углепромышленном районе, можно сделать вывод о степени влияния уровня затопления на изменение общего водопритока. При достижении шахтой своих горно-эксплуатационных параметров водоприток оценивался на уровне 450—500 м
3/ч (среднее за 1989—1992 гг.— 500 м3/ч). Когда нижние горизонты были затоплены до абсолютной отметки минус 30 м, общешахтный водоприток уменьшился до 275 м3/ч.График изменения общего водопритока а шахту ''Селидовская" в зависимости от зеркала затопления (рис, 1, кривая 5) использовался в качестве исходного для оценки водопритоков, соответствующих середине каждого из рассматриваемых интервалов. Разница между расчетным и фактическим значениями водопритока представляет собой часть водопритока, которая поступает в уже затопленные выработки, т. е. Δ
Q = 125 м3/ч. Оценку перетока шахтных вод из затапливаемой шахты можно выполнить, используя формулу:qi = kmBi
ΔHi/ li (3)В зависимости от условий залегания пластов градиент перетока
qi линейно изменяется вдоль фронта потока, поэтому для каждого потока необходимо рассчитать: ΔHi — перепад напоров; li — длину пути фильтрации через барьерный целик; В — ширину фронта потока. Перечисленные параметры определяются по планам горных работ. Значения водопроводимости km прилагаются из обобщенных фильтрационных параметров, полученных в результате гидрогеологического опробования скважин в процессе разведочных работ на уголь.Пересечение кривых 2, 3 и 1 на рис. 1 соответствует глубине, на которой подъем уровня воды практически прекратился. Как видим, в варианте
I (зеркало затопления в шахте им. Коротченко будет поддерживаться на отметке -70 м) уровень воды в шахте "Селидовская" установится на глубине 80—90 м от поверхности (+115 м), а переток в шахте им. Коротченко q1 достигнет своего максимального значения, т. е. 285 м3/ч. В варианте II подъем уровня в шахте "Селидовская" прекратится на отм. +135 м, при этом переток в шахту им. Коротченко составит 250 м3/ч. Динамика затопления шахты "Селидовская" при полном прекращении водоотлива приведена на рис. 2. Расчет времени затопления выработок по интервалам глубин выполнялся по формуле:Δ
li = KΔV/ (Qi - qi) (4)Следовательно, в случае прекращения водоотлива
шахта "Селидовская" будет практически полностьюзатоплена через три года, средняя скорость подъема уровня 13—15 см/сут.Таким образом, подтверждается вывод об определяющем значении в гидродинамическом режиме двух факторов — затопления выработок непосредственно самой шахты и переток вод на соседнюю шахту — при расчете времени затопления.
Литература
1.
Гидрогеология СССР. Донбасс.— М.: Недра, 1971.— Вып. 6.2. Методика разведки угольных месторождений Донецкого бассейна.— М.: Недра. 1972.
3. Региональные техногенные изменения геологической среды Донбасса под влиянием горных работ / Н. И. Беседа и др.— К.: Геопрогноз, 1997.
4. Соляков И. П., Бессмертная Е. И.. Калыгин П. В. Затопление и откачка шахт Донбасса / Артемгеология.— Артемовск, 1957.
5. Инструкция по изучению и прогнозированию гидрогеологических условий угольных месторождений при геологоразведочных работах