Исследование гидро -, газо-, геомеханических процессов в техногенном массиве и выработанном пространстве ликвидируемых шахт кузбасса
На правах рукописи
Ягунова Ольга Анатольевна ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРО -, ГАЗО-, ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОГЕННОМ МАССИВЕ И ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ ЛИКВИДИРУЕМЫХ ШАХТ КУЗБАССА Специальность 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Кемерово – 2010
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования « Кузбасский государственный технический университет».
кандидат технических наук, доцент Научный руководитель Трубчанинов Анатолий Данилович доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Дырдин Валерий Васильевич;
доктор технических наук, профессор Мурашев Вячеслав Иванович Ведущая организация- ОАО «Кузбассгипрошахт»
Защита диссертации состоится «22» июня 2010 г. в 1300 часов в ауд. 1242 на заседании диссертационного совета Д 212.102.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» по адресу:
650000, г.Кемерово, ул.Весенняя, 28.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет».
Автореферат разослан «18»мая_ 2010 г.
Учёный секретарь диссертационного совета В.В. Иванов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В связи с реструктуризацией угольной отрасли, выполняемой с 1994 года, в Кузбассе ликвидируются 43 угольные шахты путем частичного или полного затопления. В связи с этим возникла необходимость исследования газо-, гидро-, геомеханических процессов, происходящих при затоплении в многократно подработанном массиве и выработанном пространстве для разработки оптимальных методов управления ими.
Проблемы регионального характера, связанные с исследованием геомеханических процессов, которые проявляются в виде сдвижения горных пород, образования нарушенных участков, провалов и трещин, подтопления являются актуальными для Кузнецкого бассейна. Дальнейшее их использование необходимо для разработки технологических методов и средств управления этими процессами, что позволит снизить антропогенное влияние на окружающую среду.
Кроме того, ликвидация шахт путем их полного или частичного затопления сопровождается выделением рудничных газов, но закономерности их выделения, а также концентрации выделяемых газов, время выделения остаются неизученными.
Полное затопление шахт характеризуется изливом сточных вод на дневную поверхность с дальнейшим попаданием их в речную сеть. Поскольку химический состав этих вод зависит от состава горных пород и различного рода включений, а также протекающих физико-химических процессов окисления и восстановления и т.д., то естественно, что он претерпевает изменения, что также в настоящее время не изучено. Остается открытым вопрос установления времени, необходимого для снижения концентрации ингредиентов до ПДК. В этой связи весьма важен вопрос разработки методов управления этими процессами с позиции минимизации вреда, наносимого окружающей среде.
Водоприток в затапливаемую шахту формируется за счет инфильтрации атмосферных осадков, питания транзитными водами, содержащимися в ПВГ (приповерхностном водоносном горизонте) и за счет бокового притока.
Следовательно, закономерности изменения среднего водопритока в шахту до ПВГ и выше будут различными. Неизвестными являются закономерности управлениями уровнями на разных этапах затопления. В этой связи научная задача исследования гидро-, газо-, геомеханических процессов в техногенном массиве и выработанном пространстве ликвидируемых угольных шахт Кузбасса для разработки оптимальных методов управления ими является актуальной.
Цель работы. Исследование гидро-, газо-, геомеханических процессов в техногенном массиве и выработанном пространстве ликвидируемых угольных шахт Кузбасса для разработки оптимальных методов управления ими.
Идея работы состоит в мониторинге интегральных параметров для оценки гидро-, газо-, геомеханических процессов в многократно подработанном массиве и выработанном пространстве ликвидируемых шахт Кузбасса.
Предмет исследования. Гидро-, газо-, геомеханические процессы, протекающие в техногенном массиве горных пород и выработанном пространстве ликвидируемых шахт.
Задачи исследований:
оценить степень нарушенности поверхности шахтных полей провалами, подтоплением и установить возможность их дальнейшего использования в строительстве и сельском хозяйстве;
изучить закономерности газовыделения из затопленных шахт для установления количественного и качественного состава газов и определения общего времени их выделения;
изучить динамику изменения концентрации различных ингредиентов в сточных водах для установления общего времени их снижения до ПДК;
установить характер изменения водопритоков на разных стадиях затопления для управления уровнем и временем затопления шахт.
Методы исследований. Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя инструментальные методы исследований (метод профильных линий – для определения деформационных процессов поверхности шахтных полей после затопления шахт;
интерференционный метод – для определения содержания рудничных газов;
электроконтактный метод - для определения уровня затопления шахт), а также методы математической статистики и компьютерной обработки результатов наблюдений.
Научные положения, выносимые на защиту:
образование опасных зон характерно для отработанных крутопадающих пластов, ежегодный прирост которых составляет в среднем в количестве 10- с объемом воронок до 2,0 тыс. м3. Количество условно опасных зон ежегодно доходит до 40 с объемом засыпки около 50 тыс. м 3, которые могут быть использованы для малоэтажного и дачного строительства и различных видов культурного землепользования после применения инженерной подготовки территорий (сооружения защитных экранов, горизонтального дренажа путем применения щелерезов с глубиной захвата бара до 4,0 - 4,5 м, вертикального дренажа с организацией режимной сети скважин);
установлена периодичность газовыделения при затоплении шахт: для типа шахт максимальные значения концентрации метана в общем объеме газовыделения в первые 6 месяцев составляют 50-60 %, углекислого газа 7- %;
для 2 типа – проявляются в виде периодических всплесков, обусловленных физико-химическими процессами окисления и др.;
для 3 типа – максимальные значения концентрации газов периодически повторяются и не зависят от скорости затопления. Это позволяет разработать мероприятия по снижению газовыделения, включающие поддержание необходимого уровня затопления с помощью погружных насосов, пассивное использование территорий на срок не менее 3-5 лет, установление на действующих шахтах периодичности газовыделения и выявление дополнительных источников как в период затопления, так и после;
концентрация ингредиентов (ХПК, БПК, сульфаты, железо, взвеш.в-ва) в сточных водах Кемеровских шахт изменяется циклически с периодом от 7,5 до 10,8 мес. при незначительном уменьшении среднего содержания. Общее время снижения концентрации ингредиентов до ПДК для различных шахт в зависимости от химического состава вмещающих пород и дренирования поверхностных загрязнителей составляет от 3,7 до 11,8 лет, поэтому на данный период предлагается поддержание уровня затопления ниже ПВГ;
средний водоприток в затапливаемую шахту уменьшается по параболическому закону в зависимости от относительного показателя глубины затопления до подошвы ПВГ, а выше водоприток определяется типовой функцией, характеризующей величину уменьшения водопритока по глубине зоны ПВГ. Уровни затопления шахты экспоненциально зависят от времени затопления, которое прямо пропорционально объему удельной горной массы и обратно пропорционально среднему годовому водопритоку в шахту, зафиксированному в момент отключения водоотлива. Это позволяет предложить мероприятия для управления уровнем и временем затопления с помощью погружных насосов, а также управление уровнем в зоне ПВГ, исключающим подтопление и выбор мест бурения режимной сети скважин.
Научная новизна работы:
установлена закономерность, определяющая площадь провалоопасных зон и их ежегодный прирост в зависимости от формы нарушенности, глубины и угла падения пластов;
выявлен и установлен циклический характер газовыделения при затоплении, установлены закономерности содержания метана и углекислого газа для различных типов шахт;
получена циклическая временная зависимость концентрации ингредиентов (БПК, ХПК, сульфаты, железо, взвеш. в-ва) в сточных водах, а также установлено общее время их снижения до ПДК;
установлена закономерность изменения водопритока от глубины до подошвы ПВГ и выше. Получена зависимость изменения уровней затопления от времени, удельной горной массы и среднего годового водопритока в шахту.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается большим объемом данных мониторинга за газовыделением, качеством сточных вод и уровнями затопления на ликвидируемых шахтах Кузбасса в течение 10 лет;
базируется на методах математической статистики и статистических оценках значимости установленных зависимостей;
подтверждается сходимостью результатов расчета с фактическими данными для конкретных шахт (расхождение не превышало 15-20%).
Личный вклад, автора заключается в:
установлении закономерности изменения площади провалоопасных зон и их ежегодного прироста в зависимости от формы нарушенности, глубины и угла падения пластов;
выявлении и установлении характера газовыделения, а также закономерностей содержания метана и углекислого газа в рудничном газе;
получении циклической зависимости концентрации ингредиентов в сточных водах и их снижения до ПДК;
установлении изменения водопритока с глубиной от подошвы ПВГ и выше, а также изменения уровней затопления от времени, удельной горной массы и среднего годового притока в шахту, который формируется в момент отключения водоотлива.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей сдвижения горных пород, газовыделения, динамики изменения концентрации ингредиентов в сточных водах, позволяющих расширить представления о физических процессах, происходящих в массивах горных пород и выработанном пространстве при затоплении шахт.
Практическая значимость работы состоит в получении количественных показателей, характеризующих гидро-, газо-, геомеханические процессы при затоплении шахт, позволяющих разработать методы управления ими для снижения антропогенного влияния на окружающую среду и использования подработанных земель в культурном землепользовании.
Реализация работы. Основные результаты работы использованы при составлении «Руководства по проведению мониторинга подземных вод и прогнозу изменения гидрогеологических условий при затоплении ликвидированных шахт Кузбасса» (Кемерово, 2008 г). Выполнены примеры расчетов режимов и параметров затопления шахты в конкретных условиях, которые могут быть использованы действующими предприятиями для назначения защитных мер в случае полного затопления соседних ликвидированных шахт.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на Международной научно-практической конференции «Перспективы использования геоинформационных технологий для безопасной отработки месторождений полезных ископаемых», 3 – 4 июля 2000 г., СПб, ВНИМИ;
на Международной конференции «Проблемы геологии и освоения недр юга России», 2006 г., Ростов – на Дону;
Innovative Technologies for an Efficient Geospatial Management of Earth Resources: FIG Commissions 5,6 and SSGA Workshop, Lake Baikal, Listvyanka, Russian Federation 23-30 July 2009 –Baikal, 2009 и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей, в том числе в рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, в том числе содержит 112 страниц текста, 35 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 103 наименований и приложений.
Автор выражает глубокую признательность сотрудникам института СФ ВНИМИ и КЦМПЭБ за помощь в проведении экспериментальных наблюдений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассмотрено состояние изученности проблемы изменения закономерностей гидро-, газо-, геомеханических процессов в техногенном массиве при затоплении шахт.
Проблема нарушенности шахтных полей базируется на многолетних исследованиях институтов ВНИМИ, ВостНИИ, ИПКОН и др. по вопросам сдвижения горных пород, провалообразования и трещинообразования, геомеханики, газовыделения и подтопления и др. Основополагающий вклад в решение этой проблемы внесли известные отечественные ученые и исследователи: Авершин С.Г., Акимов А.Г., Дырдин В.В., Земисев В.Н., Зыков В.С., Иофис М.А., Лудзиш В.С., Мохов А.В., Мурашев В.И., Норватов Ю.А., Петрова И.Б., Руппенейт К.В., Самарин В.П., Шестаков В.М., Ягунов А.С. и др.
Проблемы газовыделения частично рассмотрены в работах Кравченко А.И.
Качество подземных вод различных регионов России, кроме Кузбасса рассматривается в работах Вишняка А.И., Мохова А.В., Потапенко В.А. и др.
Во всех их работах анализируются отдельные показатели сточных вод, их качество и скорость очистки.
Проблемы оценки времени затопления шахт и изменения гидродинамического режима на шахтах Восточного Донбасса рассмотрены в работах Кутяйкиной М.Н., Норватова Ю.А. и Петровой И.Б. В этих работах не затрагивались проблемы деформирования подработанного массива.
Проблемы техногенной нарушенности поверхности шахтных полей Восточного Донбасса рассмотрены в работах Чумаченко Ф.А.. Автор выполнил районирование шахт по степени техногенной нарушенности.
В заключение главы выбрана цель и поставлены задачи исследования.
Во второй главе приведена оценка нарушенности поверхности шахтных полей ликвидируемых шахт Кузбасса (выделение провалоопасных и газоопасных зон и трещин, подтоплений). Приведена классификация степени и характера нарушенности шахтных полей;
установлена закономерность, определяющая площадь провалоопасных зон и их прирост в зависимости от формы нарушенности, глубины и угла падения пластов. Оценено оседание поверхности после прекращения горных работ при затоплении шахты по данным наблюдений на Анжерском полигоне.
По условиям нарушенности шахтных полей в зависимости от глубины разработки, рельефа местности и угла залегания пород, а также площади провалоопасных зон на 1Га горного отвода шахт все ликвидируемые шахты разделяются на 3 группы (табл.1).
Наиболее высокая нарушенность поверхности в I группе шахт, включающих крутопадающие и крутонаклонные пласты (преимущественно Прокопьевско – Киселёвский район), где шахтные поля нарушены провалами, площадь которых составляет на 1Га горного отвода 11,6 %. Количество провалов, ежегодно формирующихся от старых очистных работ, составляет 10 20 с объёмом воронок в среднем 2,0 тыс. м3.
Таблица Группирование угольных регионов и шахт по нарушенности поверхности Груп Условия Угольные Углы Глу Форма Площади пы залегания районы паде бина нарушенности провало шахт пород и шахты ния разра- поверхности опасных и рельеф плас ботки, (опасность зон местности тов м влияния на на 1Га от-до, окружающую горного град среду) отвода шахт, % 1 2 3 4 5 6 Высокая Наклонное Анжеро- нарушенность и крутое Судженский, всеми видами 45 – залегание Кемеровский, провальных 230 11, I пород с Прокопьевско- воронок, равнинным Киселёвский, локальное рельефом Араличевский подтопление (опасные) Средняя степень нарушенности Березовский, провалами от Кемеровский, Пологое подготовитель Ленинск – залегание с 5 – 15 ных и 235 Кузнецкий, 4, II равнинным вскрывающих Беловский, рельефом выработок, ш. «Карагай локальное линская» подтопление (условно опасные) Средняя и малая степень Байдаевский, нарушенности Пологое Осинниковс провалами от залегание 15 – кий, подготовитель 150 пород с 2, III Кондомский, ных и холмистым Томь- вскрывающих рельефом Усинский выработок (условно неопасные) Для группы шахт количество провальных воронок от II незатампонированных вскрывающих и подготовительных выработок, пройденных на малых глубинах до 50-70 м, площадь которых на 1Га горного отвода составляет 4 %, ежегодно доходит до 40 с объёмом засыпки около 50, тыс. м3. Стоимость засыпки провалов оценивается в 85-90 руб/м3. Из-за большой стоимости половина выходящих ежегодно в Кузбассе провалов не засыпается.
Для использования нарушенной поверхности под строительство требуется дорогостоящая скважинная разведка на наличие пустот в условно опасных зонах и осуществление не менее дорогостоящих способов их погашения.
Требуется специальная инженерная подготовка территорий, включающая их планировку, сооружение глиняных экранов и организацию стока бытовых вод за пределы зоны застройки.
Для ликвидации локальных подтоплений на ряде шахт области проявил себя положительно горизонтальный дренаж, однако используемая при этом техника для проходки канав малого сечения неприемлема в стеснённых условиях улиц шахтёрских городов. Нужны специально сконструированные для этих целей щелерезы с глубиной захвата бара до 4,0 – 4,5м. В настоящее время надёжно функционируют под контролем КЦМПЭБ водопонизительные системы вертикального дренажа в районах «Треугольник» на ш. «Пионерка», Садопарковый на ш. им. Димитрова, по ул. Путейная на ш. «Смычка», на шахте «Красный Углекоп» и шахте «Анжерская». Функционирует система водопонижения на шахте «Бутовская».
Проведенные исследования позволили сформулировать первое научное положение.
В третьей главе по данным мониторинга приведена оценка изменчивости в замерных точках рудничных газов во времени на примере шахт севера Кузбасса. Описаны методические вопросы проведения газомониторинга.
Установлена периодичность газовыделения при затоплении с разной продолжительностью отдельных циклов для разных типов шахт.
При затоплении шахты рудничный воздух вытесняется из шахты под поршневым действием воды. Из имеющихся 2500 точек замера газов на ликвидированных шахтах в 65 % случаев фиксируется выход рудничных газов:
углекислого газа во всех случаях и метана в 90 % случаев.
Систематизацией и анализом данных выделения газов на поверхность за период с 1998 по 2008 гг. установлено, что на всех ликвидированных шахтах концентрации выделяющихся газов (метан и углекислый газ) во времени носят циклический характер. По характеру газовыделения затапливаемые шахты классифицированы на 3 типа: с резким затуханием концентрации выхода газов на поверхность после затопления (I тип);
с периодическим увеличением (всплеском) выхода газов на поверхность после затопления шахты (II тип);
с равномерной цикличностью всплесков не меняющихся со временем (III тип).
Для I типа шахт, затапливаемых со средней скоростью 10 – 11 м/мес., характерно высокое процентное содержание метана 50-60 %, углекислого газа 7-8 % в первые 6 месяцев затопления с последующим снижением. При этом экстремальные значения концентрации газа метана по выработкам, выходящим на поверхность в разных частях шахтного поля, коррелируют между собой во времени (рис.1 шахта «Северная»). На фоне повышенной концентрации газовой среды в этот период наблюдается цикличность всплесков с периодом от 5 до месяцев между пиками. Время интенсивного выделения рудничных газов достигает 2-3 лет, причем максимальные концентрации наблюдаются в период активного затопления шахты.
метан,% Фаза затопления Людской бр.№ Дегаз.скв.№ Шурф № Экспл.скв.
40 Дегаз.скв.№ t, мес фев. фев. фев. фев. фев. фев. фев. ноя. май. ноя. май. ноя. май. ноя. май. ноя. май. ноя. май. ноя. май. авг. авг. авг. авг. авг. авг. авг. авг. Рис.1. Первый тип газовыделения В целом для I типа шахт просматривается «поршневое» действие воды, которая при затоплении шахты выталкивает имеющиеся в разных пустотах газы в сторону пониженного давления, создаваемого вскрывающей выработкой.
Для II типа шахт характерной особенностью является спад концентрации газов или почти полное их отсутствие в течение длительного времени после затопления шахты с дальнейшим увеличением (всплеском) концентрации. При этом в период затопления выход газа может либо вначале отсутствовать, либо проявляться в форме типа I (рис.2 шахта «Бирюлинская»).
метан,% Скат Ф аза затопления Скат 75(1) Скат 75бис Скат t, мес фев. фев. фев. фев. фев. фев. фев. фев. фев. авг. ноя. авг. ноя. авг. ноя. авг. ноя. авг. ноя. авг. ноя. авг. ноя. авг. ноя. авг. ноя. май. май. май. май. май. май. май. май. Рис.2. Второй тип газовыделения Для этого типа шахт не понятен механизм всплеска и выхода газов на поверхность по истечении нескольких лет. Очевидно, что это не столько продукт вытесняемого водой газа, сформированного в период работы шахты из газовых «карманов», сколько вновь образованный газ в результате проходящих в затопленной среде физико-химических процессов. Периодичность между «пиками» газовыделения 3,5-4 года.
Для III типа шахт характерным является высокая концентрация газов как в период затопления шахты, так и после затопления с достаточно ярким проявлением цикличности между «пиками» от 4 до 9 месяцев (рис.3 шахта «Бутовская»). В этом случае источником газовыделения являются постоянно протекающие физико-химические процессы в горных породах и угольных целиках.
угл.газ,% Фаза затопления Главный ствол 5 Вспомогательный ствол Шурф Уклон № Разведочный путевой уклон Уклон t, мес авг. ноя. фев. май. авг. ноя. фев. май. авг. ноя. фев. май. авг. ноя. фев. май. авг. ноя. фев. май. авг. ноя. фев. май. авг. ноя. фев. май. авг. ноя. фев. май. авг. ноя. фев. Рис.3. Третий тип газовыделения Установлено, что периодичность всплесков, как правило, не совпадает с периодичностью изменения скорости затопления шахт, следовательно изменение скорости в пределах от 2 до 5 м/сут не влияет на формирование цикличности.
Предложены мероприятия по снижению газовыделения из затапливаемых шахт, которые включают: поддержание необходимого уровня затопления с помощью погружных насосов;
пассивное использование территорий в момент активной стадии затопления с возможным переселением населения из опасных территорий на срок не менее 3-5 лет;
установление на действующих шахтах периодичности газовыделения с целью снижения возможных аварийных режимов;
выявление дополнительных источников газовыделения как в период затопления, так и после него.
На основании этого и было сформулировано второе научное положение.
В четвертой главе приведена оценка изменчивости ингредиентов (БПК, ХПК, сульфаты, железо, взвеш. в-ва) во времени, их сравнение с ПДК (предельно – допустимыми концентрациями для хозяйственно–бытового и культурного назначения) в сточных водах ликвидированных шахт. Установлено остаточное время для снижения концентрации ингредиентов до значения ПДК.
Разработана математическая модель циклического изменения содержания ингредиентов в сточных водах во времени (на примере рассмотрения шахт Кемеровского района).
Анализ данных мониторинга химического состава сточных вод выполнялся на примере шахт Кемеровского района («Бутовская», «Северная», «Ягуновская»). Исследовалось влияние на концентрацию ингредиентов факторов: сезонности, географии местоположения шахт, периодичности циклов, установление вида зависимости. По графикам (рис. 4), построенным для всех исследуемых ингредиентов сточных вод, установлено, что снижение концентрации ингредиентов до значений ПДК описываются математическим выражением, представленным уравнением (1):
Y (t ) (a0 a1t ) Pдов sin( t tn ), (1) t где (а0 - а1t) – уравнение линии тренда;
Рдов – доверительный интервал;
t и tn – текущее время, мес. (квартал, год) и начальная фаза времени;
t – период цикличности;
а0 – коэффициент уравнения линии тренда, характеризующий начальное значение концентрации ингредиента в момент отсчёта времени, мг/л;
а1 – скорость изменения концентрации ингредиента в мг/л в квартал.
Предложена формула для оценки остаточного времени, необходимого для снижения концентрации до значения ПДК:
a ( ПДК Pдов ) t 0, (2) 4a где t –остаточное время, необходимое для снижения концентрации до ПДК, год;
ПДК-предельно допустимая концентрация ингредиента в сточных водах, мг/л;
4-коэффициент перевода времени их кварталов в год.
Установлено, что продолжительность циклов по пяти показателям (ХПК, сульфаты, БПК, ВВст, железо) с высокой вероятностью (Р = 0,99) находится в пределах от 7,5 до 10,8 мес. и не зависит от сезонности.
Уменьшение концентрации по взвешенным веществам в сточных водах шахт не происходит с течением времени. Следовательно, мониторинг по этому ингредиенту должен быть бессрочным. По этим результатам исследований выполнен прогноз времени самоочистки сточных вод по ингредиентам ХПК, БПК, сульфатам, ВВст, железу для шахт «Северная», «Бутовская» и «Ягуновская» за период, начиная со II квартала 2002 г. до значений ПДК в течение 3,7 – 11,8 лет. Соответственно определено время, необходимое для самоочистки сточных вод и прекращения мониторинга химического анализа.
Предложены мероприятия по уменьшению антропогенного влияния сточных вод на окружающую среду, которые включают поддержание уровня затопления ниже ПВГ на время снижения концентрации вредных веществ до ПДК, очистку сточных вод по различным ингредиентам (БПК, ХПК, сульфаты, железу) в очистных сооружениях перед сбросом их в речную сеть, очистку сточных вод при проектировании самоизливных или водопонижающих скважин, бессрочный мониторинг за концентрацией взвешенных веществ в сточных водах с дальнейшей очисткой их в очистных сооружениях.
Ytхпк=37,95-0,664t концентрация ХПК, мг/л Ytхпк=15,68-0,127t 2 кв. 4 кв. 2 кв. 4 кв. 2 кв. 4 кв. 2 кв. 4 кв. 2 кв. t, кв-л ш.Бутовская ш.Северная ш.Ягуновская ПДК доверительные интервалы Рис.4. Изменение концентрации ХПК во времени по шахтам г. Кемерово На основании изложенного и было сформулировано третье научное положение.
В пятой главе изложены методические основы проведения мониторинга подземных вод и обобщенные результаты наблюдений за уровнями затопления ликвидируемых шахт. Разработаны основные схемы деформированного состояния затапливаемой среды с учетом типизации гидрогеологических условий. Установлено изменение водопритока от глубины до подошвы ПВГ и выше. Получена зависимость изменения скорости и уровней затопления от времени, удельной горной массы и среднего годового водопритока в шахту.
Верхняя часть угленосных толщ, прилегающая к поверхности, характеризуется повышенной трещиноватостью и проницаемостью и называется приповерхностным водоносным горизонтом (ПВГ). Через него идет водообмен поверхностных и подземных вод на обширных территориях с их разгрузкой в речную сеть. Глинисто-суглинистые и реже галечниковые отложения вместе с приповерхностным водоносным горизонтом образуют единый водоносный комплекс мощностью от 30 м до 50 м и более.
На водопроницаемость подработанного массива пород влияет количество подработок и слеживаемость подвергнутых сдвижению слоев пород. Поэтому пустотность подработанного массива пород максимальна в районе последних разработок шахты и уменьшается с удалением от пласта в сторону поверхности, влияя на скорость затопления шахты.
При затоплении шахт водоприток (Q), поступающий в горные выработки затапливаемой шахты, расходуется одновременно на насыщение подработанного массива горных пород и выработанного пространства и на повышение гидростатических давлений внутри них.
При анализе графиков затопления, в количестве 26 шахт выделены два периода (стадии): активная стадия затопления – от горизонта затопления до подошвы приповерхностного водоносного горизонта (ПВГ) и стадия замедленного повышения уровня в пределах от подошвы ПВГ до самоизлива воды в понижениях рельефа.
Для активной стадии затопления шахты тестировалось справедливое на всех этапах (интервалах) затопления одиночной выработки соотношение, применённое впервые Шестаковым В.М.:
Kп Vгм Q t, (3) где Кп – коэффициент пустотности;
Vгм – объём добытой горной массы в пределах интервала затопления, м3;
Q – водоприток на интервале затопления, м3/мес;
t – время затопления интервала, мес.
В этом выражении для первого интервала по глубине неизвестным является коэффициент пустотности (Кп). Водоприток (Qз), поступающий в момент отключения водотлива и время затопления интервала (t) известны.
Величина (t) берется с графика затопления, а объем горной массы (Vгм) определяется из выражения Vгм D / Vв ыр, где =1,3 объемный вес угля, т/м3;
D – добыча угля за весь период существования шахты, тонн;
Vв ыр - объем горной массы от подготовительных выработок, м 3.
По данным затопления 26 шахт Кузбасса значение коэффицента пустотности изменяется в пределах Кп =0,150,3, для подавляющего большинства случаев его можно принять равным Кп =0,2. Далее расчет проводился при выполнении следующего основного условия: на всех этапах расчета Кп и Q их значения должны либо уменьшаться по мере увеличения уровня затопления шахты, либо оставаться постоянными.
Изменения водопритока по мере затопления шахты оценивались в относительных величинах по установленной зависимости:
H h1 H h Qi Q3 1,007 1,907 0,099, (4) H H где Qi- расчетный водоприток на участке от H до Hпвг, м/сут;
Qз -средний многолетний водоприток, поступающий в шахту в момент отключения водоотлива, м/сут;
h1 – расстояние (глубина) от горизонта затопления до середины интервала затопления, м;
H – глубина горных работ, м.
На изливе значение Q уменьшается на 3975 % (в среднем на 57 %) по сравнению с расчитанным за счет транзитного оттока и уменьшения объема депрессионной воронки.
Для оценки изменения водопритоков в пределах зоны ПВГ установлена зависимость, учитывающая величину уменьшения водопритока по глубине зоны ПВГ:
Qi пв г Q ПВГ 1 0,57 F ( z ), (5) где Qiпвг –расчетный водоприток в пределах зоны ПВГ, м /час ;
QПВГ – расчётное значение водопритока на уровне подошвы ПВГ, м 3/час;
F(z)–типовая функция доли распределения относительного водопритока по глубине зоны H пв г ( Qiпвг / Q ПВГ ), приведенная в табл.2 и на рис.5.
Для всех ликвидированных шахт Кузбасса с известными графиками затопления рассчитывались зависимости уровней затопления h1i от времени z=(ti /T1) до подошвы ПВГ и уровней затопления h'i от времени z=(t'i /T') в зоне ПВГ в относительных величинах. Здесь обозначено: ti – текущее время до подошвы ПВГ, мес;
Т1 – общее время затопления шахты от горизонта затопления до подошвы ПВГ, мес.;
t'i – текущее время в зоне ПВГ, мес;
Т' – среднее время затопления шахты в зоне ПВГ, мес. (Т' = 21 мес. ) Qiпвг/Qпвг 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, h'/H' 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, Рис.5. График изменения водопритока в ПВГ Таблица Типовое распределение относительного водопритока по глубине зоны ПВГ z=h’I /H’ 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 F(z) 0 0,04 0,10 0,15 0,22 0,29 0,36 0,46 0,57 0,75 0,85 За типовое распределение S1(z) (табл.3) при расчёте уровней затопления интервалов во времени по всем шахтам Кузбасса принято среднее значение из всех рассмотренных. Уровень затопления в любой точке h1i в заданный момент времени z=(t1i / T1) (рис.6) может быть определён по формуле:
h1i H 1 ( S1 ( z ) mS1 ( z ) ), (6) где h1i –уровень затопления до подошвы ПВГ, м;
Н1 – глубина шахты от горизонта (начала) затопления до подошвы ПВГ, м;
m S1 ( z ) = 0,116 – среднее квадратическое отклонение единичных значений h1i /H1 от средней S1(z) в точках z =t1i /T1.
Расчет уровня затопления шахты в зоне ПВГ (h'i /Н') в зависимости от относительного времени (t'i /Т') производится по формуле:
hi H ( S ( z ) m S ( z ) ), (7) где h'i –уровень затопления в зоне ПВГ, м;
S'(z) – типовое распределение (h'i /H') в точках z=t'i /T' для зоны ПВГ (табл.3);
mS ( z ) 0,086 H 2.75 м отклонение от средней;
Н' = 32 м – средняя мощность зоны ПВГ (от подошвы ПВГ до самоизлива).
Таблица Типовые распределения уровней затопления S1 до ПВГ и S' в ПВГ z=t1i/T1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 z=t’i/T’ S1(z) 0 0,2 0,35 0,46 0,57 0,66 0,74 0,82 0,88 0,96 S’(z) 0 0,2 0,36 0,51 0,63 0,73 0,82 0,88 0,93 0,96 а) б) hi hi 0 t 1.14 i t H H 2.84 i T hi1 H 1 (1.47 1.45e ) 0.1 T ) 0. hi1 H (1.062 1.069e t 2.45 i t 1.92 i T hi 2 H 1 (1.09 1.07e 0.2 0. ) T ) hi2 H (1.181 1.185e t 0.25 i t 0.3 0.3 1.32 i T hi3 H 1 (4.61 4.61e ) T ) hi3 H (1.395 1.41e 3 t 1 1.35 i 0.4 0. T hi 4 H 1 (1.34 1.31e ) 0.5 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.8 ti 0. 0. T ti T1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Рис.6. Фактические зависимости уровней затопления в относительных величинах от времени:
а) до подошвы ПВГ;
б) в зоне ПВГ По зависимостям величин изменения уровней затопления шахт hi /H1 в относительных единицах времени ti /T1 (рис.7) получено для всех затапливаемых шахт уравнение, которое описывается функцией компактного вида с корреляционным отношением 0,82:
hi / H 1 2 ti / T1 ti / T1.
(8) Производная относительной глубины из уравнения (8) по времени будет выражать максимальную скорость изменения относительного уровня затопления во времени Vmax = 2H1 / T1.
Анализ фактических графиков затопления шахт показывает, что при сравнительно одинаковых горно-геологических условиях (глубина разработки, мощность пластов) время их полного затопления может значительно различаться. Очевидно, что причиной этого является комплекс факторов:
условия водопритоков, разная степень угленасыщенности массива и степень нарушенности подработанной толщи.
По фактическим данным мониторинга затопления шахт установлено временя затопления, которое прямо пропорционально объему удельной горной массы и обратно пропорционально среднему годовому притоку в шахту, зафиксированному в момент отключения водоотлива и достаточно хорошо описывается формулой:
V удгм T1i 0,0783 K г, (9) Q где T1i –время затопления, мес;
Kг=H1i /H1ср при H1ср = 205м;
Vудгм – объём удельной горной массы на 1 п. м глубины шахты, м 3 на 1 п.м.;
Vудгм=Vгм /H, где H – глубина горных работ, м;
Qз – средний годовой водоприток, зафиксированный для каждой шахты в момент отключения водоотлива, м 3/час.;
0,0783 – обобщённый коэффициент.
Нормированная глубина активного процесса затопления 0, 0, 0, 0, (hi/H1) 0, Южная Северная 0, Ягуновская Лапичевская 0,3 Волкова Бутовская Шушталепская Кр.Кузбасс 0, Кр.Углекоп Ноградская им.Димитрова Общая средняя 0, 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Нормированное время затопления (ti/T 1) Рис.7. Зависимость между относительными показателями глубины и времени затопления шахт Кузбасса на участке от горизонта затопления до подошвы ПВГ Среднеквадратическое отклонение фактических данных затопленных шахт от расчётных по формуле (9) составило mT = ± 9,3 мес.
Выделены и классифицированы 2 группы шахт, отличающиеся между собой временем их затопления: 1 группа быстро затапливаемых шахт с временем затопления от 10-ти до 4045 мес;
2 группа - затапливаемые более 45 мес.
Анализ показывает, что для первой группы характерен сравнительно небольшой удельный объем горной массы (в пределах от 20,0 тыс. м3 до тыс. м3 на 1 п. м. высоты) и повышенный водоприток (200-500 м3/час), поступающий в шахту в момент отключения водоотлива. Вторая группа характеризуется более высоким значением удельной горной массы на 1 п. м.
высоты затопления (более 120 тыс. м3) и небольшим водопритоком (Q=100- м3/час).
В 1-ю группу вошли все шахты Кемеровского района, «Северный Маганак» и «Нагорная» (12 шахт), во вторую группу вошли шахты (7 шахт) преимущественно с большими глубинами разработки и временем существования (работы) шахт («Судженская» и «Анжерская» со сроками работы около 100 лет и глубинами разработки 500-650м).
Предложены мероприятия для управления уровнем и временем затопления шахт, которые включают поддержание уровня затопления с помощью погружных насосов для обеспечения промышленной безопасности действующих шахт, граничащих с затапливаемой, выбор мест бурения режимной сети скважин, управление уровнем в зоне ПВГ, исключающим подтопление территорий (применение вертикального и горизонтального дренажа).
Исходя из проведенных исследований и было сформулировано четвертое научное положение.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является научно - квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научной задачи, заключающейся в исследовании гидро-, газо-, геомеханических процессов в техногенном массиве и выработанном пространстве ликвидируемых шахт Кузбасса для разработки методов и средств управления этими процессами, с целью повышения безопасности ведения горных работ действующих горных предприятий и имеющей существенное значение для угольной отрасли России.
Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:
1. Все ликвидируемые шахты Кузбасса по степени нарушенности шахтных полей в зависимости от углов падения пластов и рельефа поверхности, а также площади на 1Га горного отвода шахт разделяются на группы: с высокой (1), средней (2) и малой (3) степенями нарушенности. Наиболее высокая нарушенность поверхности в 1 группе, где провалы формируются от старых очистных работ, в количестве (10-20) с объемом засыпки 2,0 тыс. м 3 от крутопадающих пластов. Количество условно-опасных зон ежегодно доходит до 40 с объемом засыпки около 50 тыс. м3, которые могут быть использованы для малоэтажного и дачного строительства и различных видов культурного землепользования после применения инженерной подготовки территорий (сооружения защитных экранов, горизонтального дренажа путем применения щелерезов с глубиной захвата бара до 4,0 - 4,5 м, вертикального дренажа с организацией режимной сети скважин).
2. Установлена циклическая закономерность газовыделения на ликвидированных шахтах Кузбасса, которая классифицирована на 3 типа: с быстрым спадом концентрации – I тип;
с периодическими «всплесками» – II тип;
с постоянным газовыделением как в период затопления шахты, так и после - III тип.
Для I типа шахт максимальные значения концентрации метана в общем объеме газовыделения в первые 6 месяцев составляют 50-60 %, а углекислого газа 7-8 %. Время интенсивного выделения рудничных газов достигает 2-3 лет, причем максимальные концентрации наблюдаются в период активного затопления шахты. Это позволяет разработать мероприятия по снижению газовыделения при затоплении шахт, включающие поддержание необходимого уровня затопления с помощью погружных насосов, пассивное использование территорий на срок не менее 3-5 лет, установление на действующих шахтах периодичности газовыделения и выявление дополнительных источников как в период затопления, так и после.
3. Концентрация ингредиентов (ХПК, БПК, сульфаты, железо, взвеш.в-ва) в сточных водах Кемеровских шахт изменяется циклически с периодом от 7, до 10,8 мес. при незначительном уменьшении среднего содержания. Общее время снижения концентрации ингредиентов до ПДК для различных шахт в зависимости от химического состава вмещающих пород и дренирования поверхностных загрязнителей составляет от 3,7 до 11,8 лет, поэтому на данный период предлагается поддержание уровня затопления ниже ПВГ.
4. Разработаны схемы формирования водопритоков при затоплении шахт и установлено, что водоприток в затапливаемую шахту уменьшается по параболическому закону в зависимости от относительного показателя глубины затопления до подошвы ПВГ, а выше определяется типовой функцией, характеризующей величину уменьшения водопритока по глубине зоны ПВГ.
Получены формулы для расчета уровней затопления шахт и разработаны методики расчета скорости и времени затопления шахт, которые позволяют по усредненным показателям: коэффициенту пустотности, объему удельной горной массы и водопритокам разделить все шахты в Кузбассе на быстро затапливаемые (в течение от 10 до 40-45 мес. ) и медленно затапливаемые со сроками более 45 мес., на основании чего предложены мероприятия для управления уровнем и временем затопления с помощью погружных насосов, а также управления уровнем в зоне ПВГ, исключающим подтопление и выбор мест бурения режимной сети скважин.
Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией РФ:
1. Ягунова, О.А. Мониторинг экологических проблем, связанных с ликвидацией угольных шахт в Кузбассе [Текст] / Л.А.Западинский, О.А.Ягунова // Маркшейдерский вестник.- 2001. -№4. – С. 48-50.
2. Ягунова, О.А. О типизации схем и времени затопления шахт в Кузбассе [Текст]/ А.С.Ягунов, И.А.Спирева, О.А.Ягунова //Вестник КузГТУ. -2006, -№6, -С.56-60.
3. Ягунова, О.А. Информация о загрязнении р. Аба сточными водами с ликвидируемых шахт юга Кузбасса [Текст] / О.А.Ягунова, А.С.Ягунов //Вестник КузГТУ. -2007, -№1. -С.69-74.
4. Ягунова, О.А. Оценка цикличности и концентрации вредных веществ во времени в сточных водах ликвидированных шахт г. Кемерово [Текст] //Маркшейдерский вестник. -2007, -№4. -С.58-62.
5. Ягунова, О.А. Результаты химического контроля состава рудничного газа на ликвидированных шахтах Кузбасса [Текст] // Маркшейдерский вестник.-2008, -№4. -С. 54-58.
Статьи, опубликованные в других изданиях и материалах конференций:
1. Ягунова, О.А. Принципы использования ГИС – технологий для оценки техногенной нарушенности шахтных полей при ликвидации шахт в Кузбассе [Текст] / А.С.Ягунов, Ю.С.Лермонтов, О.А.Ягунова // сб. Перспективы использования геоинформационных технологий для безопасной отработки месторождений полезных ископаемых: тр. Международной научно практической конференции 3 – 4 июля 2000г. – СПб: ВНИМИ, -2001. -С. 229 – 234.
2. Ягунова, О.А. Перспективы использования геоинформационных технологий при проведении горно-экологического мониторинга на ликвидируемых шахтах [Текст] / А.С.Ягунов, Ю.С.Лермонтов, О.А.Ягунова //Вестник ТЭК Кузбасса. Приложение к журналу ТЭК и ресурсы Кузбасса. 2001. -№3. –С.59-62.
3. Ягунова, О.А. Оценка нарушенности шахтных полей на ликвидируемых шахтах Кузбасса [Текст] / А.С.Ягунов, О.А.Ягунова // мат-лы Междун. конф.:
Проблемы геологии и освоения недр юга России. - Ростов-на-Дону. -2006. -С.
341 – 343.
4. Ягунова, О.А.. Систематизация и оценка данных мониторинга за скоростью и временем затопления ликвидированных шахт Кузбасса [Текст] / О.А.Ягунова, А.С.Ягунов // 5-Междун. науч. школа молодых ученых и спец-в:
Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых. – М, -2008.- С.45-49.
5. Ягунова, О.А. Анализ результатов проведения основных видов мониторинговых работ на ликвидированных шахтах Кузбасса [Текст] // мат-лы XII Междун. науч.-практич. конф. ГУ КузГТУ 20-21 ноября 2008: Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс 2008. – Кемерово. - С.185-188.
6. Yagunova, Olga A Mining and environmental monitoring of closed mines in Kusbass [Текст] / Anatoly D.Trubchaninov, Olga A. Yagunova //Innovative Technologies for an Efficient Geospatial Management of Earth Resources: FIG Commissions 5,6 and SSGA Workshop, Lake Baikal, Listvyanka, Russian Federation 23-30 July 2009 –Baikal, -2009. – С.65-68.