Уголь Украины, №1, январь, 2000, с.13-15.

---

ИЗМЕНЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И ИХ РОЛЬ

В ПОДТОПЛЕНИИ ПРИ ЗАКРЫТИИ БРЯНКОВСКОЙ ГРУППЫ ШАХТ

 

В.Н. Ермаков, О.А. Улицкий (ГК "Укруглереструктуризация") Е.П. Котелевец (Восток ГРГП)

В соответствии с действующими строительными нормами и правилами подтопленными территориями считаются такие, где уровень грунтовых вод (УГВ) находится выше 2,5 м. Известно, что в период высоко­го стояния УГВ ухудшаются условия жизни населения. Процессы подтопления, происходящие в результате закрытия шахт, имеют место в г. Краснодоне и про­гнозируются по Стахановскому региону.

При сложившемся и развивающемся городском ландшафте формирование подтопленных и затоплен­ных территорий приводит к преобразованию всех его компонентов. Данный аспект процессов подтопления и его последствий в условиях массового закрытия шахт, как это происходит в Стахановском регионе, все еще

остается малоизученным. Первые попытки обобщения результатов гидрогеологических, инженерно-геологи­ческих, санитарно-гигиенических исследований были сделаны учеными и специалистами таких организаций, как МакНИИ, Украинским научно-исследовательским институтом экологических проблем (УкрНИИЭП), Ук-рНИМИ, ГК "Укруглереструктуризация"; специали­зированных геологических организаций — "Восток ГРГП" и ПО "Укруглегеология". Это способствовало выработке наиболее обоснованных и оптимальных решений инженерно-экологического и социально-эко­номического характера, направленных на улучшение окружающей природной среды и условий проживания населения.

Осуществляется единый (комплексный) подход в решении негативных экологических проблем, вызван­ных закрытием шахт и обусловленных подтоплением их полей и прилегающих территорий. Речь идет о раз­работке Комплексного проекта инженерной защиты территории Стахановского региона в связи с ликви­дацией группы шахт. В проект включены следующие разделы:

• Оценка интенсивности изменения гидродинами­ческих и инженерно-геологических условий в зоне вли­яния затопленных шахт в целях разработки рекомен­даций по обеспечению экологической безопасности при­легающих территорий.

• Комплексная оценка воздействия на окружающую природную среду и характеристика остаточных воз­действий.

• Прогноз деформаций земной поверхности, обсле­дования зданий и сооружений в зонах ожидаемого под­топления.

• Разработка мероприятий по предотвращению га­зовыделения на поверхность, предложений по утили­зации метана и организации контроля за его выделе­нием.

• Проработка инженерно-технических решений по защите зон ожидаемого подтопления с экономическим расчетом по реализации данных решений.

На примере Брянковской группы шахт в рамках Комплексного проекта оценивались гидродинамичес­кие условия. В ходе исследований отмечалось, что в случае затопления выработок шахты "Брянковская" и ее шахтоучастков (ПРАУ, "Криворожская" и им. Дзержинского) до абсолютной отметки +128 м про­изойдет существенное изменение гидродинамических условий. Горные выработки, являющиеся, в настоящее время основной областью разгрузки подземных вод, при затоплении шахт и наличии тесной гидравличес­кой связи переходят в область питания и транзита. Фор­мирующиеся в пределах шахтного поля подземные и шахтные воды начнут разгружаться в долинах рек Камышеваха и Лозовая, что вызовет перераспределе­ние водного баланса территории и приведет к подтоп­лению застроенных площадей. Режим формирования подземных вод толщи карбона глубины 100—150 м связан с речным урезом как основным дренирующим фактором, устанавливающим равновесие между под­земным и поверхностным стоками. В ненарушенных условиях естественная трещиноватость горных пород в этой зоне обеспечивала нормальный отток подзем­ных вод в речную сеть, не создавая условий для под­пора уровней воды. После закрытия шахт через затоп­ленные выработки и трещины в массиве пород к дневной поверхности устремится значительно больший объем воды, чем его смогут пропустить поры и тре­щины. Начнется постепенный подъем уровней подзем­ных вод.

Рассмотрим схему изменения водного баланса в бассейне р. Лозовая в зоне закрывающихся шахт. Во­досборная площадь реки в пределах полей закрываю­щихся шахт составляет 34 км². Модуль подземного стока для площадей водоносных пород карбона в Стаханов­ском регионе принят 2 л/с на 1 км². Средняя величина общешахтного водоотлива четырех вышеперечислен­ных закрывающихся шахт достигла 44 тыс. м³/сут.

Следовательно, модуль шахтного водоотлива, от­несенный к 1 км² площади горных работ (всего 26 км²), равен 20,1 л/с, что значительно превышает модуль ес­тественного подземного стока, принятого для совре­менной многоводной фазы 2 л/с. Разница между зна­чениями площадных модулей шахтного водоотлива и подземного стока объясняется наличием ряда естествен­ных и техногенных факторов, влияющих на формиро­вание водного баланса, основными из которых явля­ются:

•  инфильтрация атмосферных осадков на площа­ди водосбора (шахтное поле);

• техногенная инфильтрация;

• привлечение ресурсов поверхностных водотоков;

• переток из глубоких водоносных горизонтов.

Рассмотрим каждую из составляющих. Инфильтрация атмосферных осадков на водосборной площади согласно приведенной величине (2 л/с) модуля подземного стока: 2*34 = 68 л/с, или 245 м³/ч.

Техногенная инфильтрация на водосборе определялась по данным госучета подземных вод как разница между цен­трализованной водоподачей на хозяйственно-бытовые нужды г. Брянки и сбросом с очистных сооружений города: 22,8 - 18 = 4.8 тыс. м³/сут.

Сумма естественных и техногенных ресурсов: 245 + 200 = 445 м³/ч.

Результаты эмпирических расчетов инфильтрации уточ­нены гидрометрическими работами 1998 г., а при обработ­ке данных использован метод оценки подземного стока по уравнению водного баланса:

 

W_п = W_н – W_в – W_ск – W_о – W_вп  ,                                      (1)

 

где W_н, W_в и W_ск — объем воды в нижнем и верхнем створах и склоновая приточность;

W_о - объем осадков, выпавших на дневную поверхность;

W_вп - объем воды, испарившейся с водной поверхности.

 

Атмосферные осадки в период исследований не выпада­ли, а испарения с водной поверхности были малы.

Расходы р. Лозовой измерены в трех створах. В верхнем створе, расположенном выше границы водосбора, расход воды составил 2280 м³/ч, в среднем — 2196 м³/ч, в нижнем — 2403 м³/ч.

Между верхним и средним створами в р. Лозовая впада­ет правобережный балочный водоток, расход в устьевой части которого равен 972 м³/ч (сброс вод шахты им. Артема). Раз­ность между расходами в верхнем и среднем створах с уче­том склонового притока равна 1056 м³/ч, т. е. на этом отрез­ке реки (L = 5,3 км) происходит интенсивное поглощение поверхностного стока, вызванное подработкой русла очис­тными работами.

Между средним и нижним створами наблюдается раз­грузка подземных вод в русло реки в объеме 208 м³/ч. Ли­нейный модуль подземного стока на этом участке (L = 3,6 км) на 1 км такой: 208/3,6 = 57,8 м³/ч, или 16 л/с. Эта величина принята основной для расчетов инфильтрационной состав­ляющей ресурсов подземных вод.

Закрытие шахт с остановкой водоотлива приведет к вос­становлению статических уровней подземных вод, что вы­зовет дополнительный подземный сток в речную долину, а именно: 16*5,3 = 84.8 л/с. или 305 м³/ч.

Приведенное значение — это расход подземного пото­ка, который может разгружаться в реку в восстановленных естественных условиях. С учетом уже имеющегося расхода (208 м³/ч) общий будет 208 + 305 = 513 м³/ч.

Определяем естественную инфильтрационную составля­ющую за вычетом техногенных утечек: 513 - 200 = 313 м³/ч. Отсюда расчетный площадный модуль естественных ресур­сов подземных вод коры выветривания каменноугольных от­ложений для данной площади М = 7,5 : 34: 86,4 = 2,55 л/с на 1 км². При дальнейших расчетах используется величина ес­тественных ресурсов, полученная на основе натурных дан­ных (7,5 м³/сут при М = 2,55 л/с).

В условиях шахтного водоотлива и восстановления уровня подземных вод до уреза их в реке между верхним и средним створами наблюдается поглощение стока р. Лозовая в ко­личестве 25.3 тыс. м³/сут (1056 м³/ч). При восстановленных уровнях подземных вод на средний створ может приходить 2280 + 305 = 2585 м³/ч. т. е. ущерб речному стоку достигнет 2585 - 2196 - 305 = 84 м³/ч. Ущерб поверхностному стоку в естественных условиях может наблюдаться лишь в маловод­ные периоды.

Переток из глубоких водоносных горизонтов в услови­ях шахтного водоотлива рассчитывается по формуле:

 

Q_гл  = K_о F_гл I                                 (2)

где К_о — коэффициент фильтрации разделяющего слоя

(2 х 10-> м/сут);

F_гл — площадь разделяющего слабопроницаемого слоя

(34 км-= 34 • 10бм2);

I— гидравлический (напорный) градиент равен единице.

 

Следовательно,

 Q_гл = 2*10^-4 * 34 * 10⁶ *1 = 6,8 тыс. м³/сут.

 

Представленный расчет можно отнести к "подстраховочным". Эту же величину перетока можно представить как разность расхода шахтного водоотлива (данные за 1995 г.) и суммой всех составляющих элементов водного баланса, т. е. 44 - (9,8 + 4,8 + 23.6) = 6,7 тыс. м³/сут.

Данные гидрогеологического обследования и анализ ранее проведенных исследований позволили сделать вывод о том, что на территории Брянковской группы шахт зафиксирова­но существование заболоченностей, родников, колодцев при наличии шахтного водоотлива, из чего следует, что подзем­ные воды коры выветривания каменноугольных отложений и глубокие водоносные горизонты при проведении горных работ сдренированы неполностью. Это говорит о том, что шахтные депрессионные воронки региона имеют каньонообразную форму и локализованы вдоль стволов и действу­ющих выработок (Р = 26 км:), т. е. площадь распростране­ния депрессионных воронок меньше площади водосбора. Водный баланс площади

 

Q_шх = Q_е + Q_тн +Q_у +Q_гл ,                       (3)

 

где Q_шх — шахтный водоотлив:

Q_е — естественные ресурсы  подземных вод коры

выветривания карбона:

Q_ти — техногенная инфильтрация;

Q_у — ущерб речному стоку:

Q_гл — переток из глубоких водоносных горизонтов.

 

При эксплуатация шахт Брянковской группы ос­новная часть расхода водоотлива (свыше 50%) фор­мировалась за счет привлечения поверхностного сто­ка р. Лозовой. Свыше 30% расхода восполнялось инфильтрацнонным стоком и лишь 15—20% приходится на глубинный переток. Следовательно, шахтный во­доотлив на 80—85% сформировался за счет перетока с дневной поверхности, что означает тесную зависи­мость величины водоотлива от количества выпадения атмосферных осадков.

Прекращение шахтного водоотлива вызвало посте­пенный подъем уровней подземных вод. На стадии вос­становления уровней расход подземного потока идет на восполнение статических и упругих запасов глубо­ких водоносных горизонтов. По мере подъема уровня подземных вод абсолютное значение глубинной составляющей баланса уменьшается, а инфильтрационная и речная — изменяются в зависимости от интенсивнос­ти атмосферного питания. При полном восстановле­нии уровней подземных вод, нарушенных шахтным во­доотливом, ожидается дополнительная их разгрузка в пойму р. Лозовая в количестве 300 м³/ч (7,3 тыс. м³/сут). Для года 5% обеспеченности атмос­ферными осадками — прогнозная разгрузка около 400 м³/ч (9,7 тыс. м^з/сут).

Непосредственно в русло реки поступит лишь не­которая часть воды, изливающаяся через выработки. Основное поступление потока в пойму предполагает­ся в результате фильтрации через четвертичные суг­линистые отложения. Процесс фильтрации может ос­ложниться в результате подпора уровней, вызванных более высоким гидравлическим сопротивлением пой­менных отложений, что и приведет к подтоплению поймы.