CC BY
64
УДК 556.336(571.65)
ПРОГНОЗ ВОДОПРИТОКОВ ПОДМЕРЗЛОТНЫХ ВОД В ШАХТУ «УГОЛЬНАЯ» (ЧУКОТКА)
В.Т. Рузанов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Северо-Восточный комплексный научно-исследовательский институт им. Н.А. Шило Дальневосточного отделения Российской академии наук (СВКНИИ ДВО РАН), ул. Энергетиков, 15, Анадырь, Россия, 689000
Рассматриваются методы прогноза водопритоков подмерзлотных вод в угольную шахту на Чукотке. Начальные и предельные водопритоки определены на основе использования карт «истинных» и обобщенных гидрогеологических параметров.
Ключевые слова: прогноз водопритоков, угольная шахта, подмерзлотные воды, Чукотка
Геологоразведочные работы — бурение скважин, каротаж, геотермия, гидрогеологические и гидрологические исследования — проводились на поле действующей шахты «Угольная» (ранее шахта «Анадырская»), в районе пос. Угольные Копи (Чукотка). Промышленная угленосность связана с продуктивной свитой эоцена ^^г) [5; 10]. Пласты бурого угля отрабатываются в толще многолетне-мерзлых пород (ТМП), часто вблизи нижней границы мерзлоты (НГМ). В перспективе намечается отработка пластов под мерзлотой, в водоносной зоне. Водоносными являются песчаники, а также конгломераты и угольные пласты.
В геоструктурном отношении Анадырское буроугольное месторождение, в северо-восточной части которого находится шахтное поле, приурочено к наложенной грабенообразной впадине на юго-западной оконечности Золотогорско-го поднятия. Впадина длиной 60, шириной 10—15 км системой разломов разбита на ряд блоков [5; 7].
Район относится к области сплошного распространения ТМП. Мощность ее от 70—100 м вблизи Анадырского лимана до 180—200 м в предгорной полосе, вдоль Золотого хребта. В долинах рек, ручьев и под озерами наблюдается уменьшение мощности ТМП. Сквозные талики установлены под лиманом, ледниковыми озерами и под руслами рек и ручьев в отрогах хребта Золотого. Под ТМП повсеместно вскрыты подмерзлотные воды: рассолы и соленые в полосе 1—5 км от лимана, пресные в предгорной и горной части района [6]. Отметки статических уровней на побережье близки к уровню моря, в предгорье и горах достигают 50— 100 м и более (рис. 1).
Для изучения условий отработки пластов угля под мерзлотой пробурено около 200 гидрогеологических и геотермических скважин, проведено более 100 пробных и 10 кустовых откачек [7]. Детальная разведка проведена трестом «Дальво-стуглеразведка» в 1983—1990 гг. Использованы также результаты ранее проведен-
ных в районе геологических работ на уголь и для водоснабжения (Арктикпроект ГУСМП, Севвостгеология и др.).
Рис. 1. Гидрогеологические разрезы: 1 — уровень подмерзлотных вод; 2 — разломы; 3 — НГМ; 4 — угольные пласты
В плане фильтрационные свойства пород резко изменчивы, но неоднородность их не хаотическая, а закономерная. Так, водопроводимость продуктивного водоносного комплекса (ВК) плавно, но быстро увеличивается от первых до 80 м2/ сут. в западном направлении, от предгорья в сторону Анадырского лимана.
В условиях Анадырского месторождения угля при подсчете водопритоков в горные выработки аналитическими методами необходимо использование величин коэффициентов водопроводимости кт и пьезопроводности а, обобщенных параметров кт0б и а0б, понижения уровня £ [1; 3]. Важнейшей задачей опытно-фильтрационных работ (ОФР) — основного метода полевого изучения — являлось получение представительных данных для определения основных гидрогеологических параметров. Изменение проницаемости с глубиной изучалось методами поинтервальных откачек и расходометрии [2; 4; 5].
На большей части шахтного поля, от р. Угольной до Анадырского лимана, под ТМП залегают подмерзлотные воды с минерализацией от 10 до 95 г/л. В верхней части разреза, у НГМ, вскрыты криопэги. Наиболее проницаемой в разрезе является зона мощностью до 30 м, залегающая непосредственно под мерзлотой, — зона криогенной дезинтеграции.
По данным расходометрии, выделенные водоносные зоны распределены по 10-метровым интервалам глубин (80—90 м, 90—100 м и т.д.), определены эффективная мощность и прирост осевого потока для каждого интервала в конкретной скважине и рассчитаны относительный вес по приросту потока и коэффициент фильтрации. Расчеты выполнены по методике, известной из работ [2; 4]. Модернизация этой методики заключалась в использовании не «фактических», а услов-
ных кш, принятых для каждой скважины равными 1 [7. Кн. 2]. Это дало возможность установить характер изменения фильтрационных свойств в разрезе с использованием всех гидрогеологических скважин с расходометрией, несмотря на очень значительные изменения кш в плане (от 10,2 до 79,6 м2/сут.). Из сводной фильтрационной схемы, построенной для продуктивного ВК, следует, что наиболее водообильным является интервал 110—130 м (рис. 2).
Рис. 2. Сводный геофильтрационный разрез
В целом, до глубины 125—130 м формируется около 50% притока воды в скважины. Ниже глубины 200 м водопроводимость пласта практически затухает. При отметках поверхности большей части шахтного поля 15—25 м глубина 200 м примерно соответствует горизонту — 180 м.
Карта водопроводимости и обобщенной водопроводимости построена на базе интерпретации результатов опытных кустовых откачек (рис. 3).
Использование данных многочисленных пробных откачек из одиночных скважин для уточнения карты кш и кшоб оказалось возможным после установления корреляционных связей между кш или кшоб и удельным дебитом q кустовых откачек [5]. На шахтном поле указанные связи, при удельном дебите q > 0,006 л/с, выглядят так: кш = 8 + 333д, кшоб = 3,5 + 94#.
Рис. 3. Схематическая карта водопроводимости и обобщенной водопроводимости поля шахты «Угольная»: 1 — скважина с пробной откачкой; 2 — гидрогеологический куст; 3 — изолиния водопроводимости кт, м2/сут.: 4—9 — площади с обобщенной водопроводимостью, ктоб м2/сут.: 4 — 0—1; 5 — 1—2; 6 — 2—5; 7 — 5—10; 8 — 10—20;
9 — 20—30; 10 — разломы; 11 — линия разреза; 12 — индекс водоносного комплекса эоцена (P2on — онеменский ВК, P2pr) — продуктивный ВК, P2pr — первореченский ВК)
Вследствие закономерной и в то же время крайне неоднородной изменчивости пласта по водопроводимости в значительной мере оказалась изменчива и пьезо-проводность. Более стабильным оказался показатель упругой водоотдачи р (в том числе и обобщенной) по результатам кустовых откачек. Средние значения рср = 1,1 ■ 10-4 и робср = 4,4 ■ 10-4 приняты как расчетные параметры для всего диапазона km или km^ на шахтном поле. Расчетные коэффициенты пьезопрово-димости а и аоб определены по формулам: а = km/рр аоб = ^об/робхр.
Прогноз водопритоков
Начальные водопритоки — при вскрытии или в случае прорыва подмерзлотных вод при нарушении охранного целика на НГМ — рассчитаны по схеме неограниченного напорного пласта с использованием «истинных» фильтрационных параметров.
Водоприток Q при вскрытии подмерзлотных вод определен гидродинамическим методом по формуле из Инструкции ВНИГРИуголь [4]:
Q =
5,46 kmS
, 2,25at' lg—2~" r
где t — время вскрытия, условно принятое равным 0,042 сут. (1 ч); г — приведенный радиус выработки, м.
При ширине выработки типа штрека, равной 3,8 м, радиус г = = 0,565^/3,8 • 3,8 = 2,15 м. Расчет начальных водопритоков для различных градаций кт (см. рис. 3) по среднему значению внутри диапазона приведен в табл. 1.
Таблица 1
Водопритоки при вскрытии подмерзлотных вод
кт, м2/сут а, м2/сут. в, м Водоприток
от—до средн. м3/сут. м3/ч
50—80 65 5,5 ■ 105 100 8 785 366
20—50 35 3,2 ■ 105 100 5 029 209
10—20 15 1,4 ■ 105 100 2 374 99
5—10 7,5 6,8 ■ 104 110 1 439 60
2—5 3,5 3,2 ■ 104 110 751 31
0—2 1 9,1 ■ 103 170 411 17
Предельные водопритоки — при отработке угольных пластов в подмерзлотной водоносной зоне — определены гидродинамическим методом с использованием обобщенных параметров по формуле из работы [8]:
Q =
2,25 лаоб
1п
где v — площадная скорость развития выработок, м2/сут.
Расчетная скорость v, по данным института «Дальгипрошахт», составит 176 м2/ сут. Расчет водопритоков для различных технологических вариантов по глубине отработки приведен ниже (табл. 2).
Таблица 2
Предельные водопритоки при расчете гидродинамическим методом
V
ктоб, м2/сут. аоб, м2/сут. Водоприток, м3/ч, при понижении, м
от—до средн. 100 120 140 160 180
20—30 23 5,2 ■ 104 161 194 226 259 291
10—20 15 3,4 ■ 104 112 135 157 180 202
5—10 7,5 1,7 ■ 104 62 74 87 99 111
2—5 3,5 8,0 ■ 103 33 39 46 53 60
1—2 1,5 3,4 ■ 103 17 20 23 27 30
0—1 0,5 1,1 ■ 103 7,3 9 10 12 13
Методом аналогии предельный водоприток можно определить по эмпериче-ской зависимости вида ^ Q = 0,85 + 0,831g(kmS), полученной В.Г. Самсоновым и М.А. Рогожиной на основании сопоставления фактических и расчетных водопритоков по 15 объектам [9]. Авторы указанной работы сделали вывод о том, что на величину предельного водопритока в определенных условиях, в частности в диапазоне значений а > 5 • 102 м2/сут., особенности водоприемных систем влияют мало. Она зависит в основном от фильтрационных свойств водоносного горизонта и понижения уровня, т.е. от показателя kmS (или ^об5>) — коэффициента обводненности. Расчеты водопритоков приведены в табл. 3.
Таблица 3
Предельные водопритоки при расчете методом аналогии
ктоб, м2/сут. ктобЭ, м3/ч, при понижении, м Водоприток, м3/ч, при понижении, м
от—до средн. 100 120 140 180 100 120 140 180
20—30 23 2 300 2 760 3 220 4 140 182 212 241 296
10—20 15 1 500 1 800 2 100 2 700 128 148 169 208
5—10 7,5 750 900 1 050 1 350 72 84 95 117
2,5 3,5 350 420 490 630 38 44 50 62
1—2 1,5 150 180 210 270 19 22 25 31
0—1 0,5 50 60 70 90 8 9 10 12
При сопоставлении результатов расчетов предельных водопритоков двумя методами отмечается высокая степень их сходимости. Относительное отклонение величин водопритоков по методу аналогии, являющемуся вспомогательным, от значений, полученных гидродинамическим методом, колеблется в пределах от + 12,4 до —6,9%. Для большей части территории, где угольные пласты, залегая ниже ТМП, приурочены к обводненной зоне, предельные водопритоки составят 111—291 м3/ч (от 2,7 до 7,0 тыс. м3/сут.). Это центральная, северо-западная и «прилиманная» части участка с водопроводимостью ктоб > 5 м2/сут. (см. рис. 3) и наиболее минерализованными подземными водами. Для любой части шахтного поля легко определить водоприток, пользуясь картой водопроводимости и табл. 2. Для оценки понижения следует также учитывать положение любого угольного пласта, НГМ и статического уровня подземных вод, для чего удобно воспользоваться геологическими разрезами по шахтному полю из [5].
При прогнозе водопритоков методом математического моделирования [7. Кн. 3] составлена геофильтрационная модель шахтного поля. На основе эпигноза кустовых откачек по программам «ПРОГОН» и «ТОРА2-7», разработанным во ВСЕ-ГИНГЕО, определены упругая водоотдача и коэффициенты водопроводимости кт подмерзлотного пласта (продуктивный ВК). Распределение кт по площади в целом близко к значениям водопроводимости, определенным по методике с использованием результатов обработки кустовых откачек графоаналитическими способами Джейкоба и корреляционной связи между удельным дебитом и водо-проводимостью [7. Кн. 2].
Результаты моделирования подтвердили предположения о весьма низкой во-допроводимости дизъюнктивных нарушений (1—5 м2/сут.), блоковом строении водовмещающей толщи и чрезвычайно слабой взаимосвязи (или полном отсутствии) подмерзлотных вод с водами лимана.
Ожидаемые водопритоки в отдельные лавы при прорыве или вскрытии под-мерзлотных вод в начальный период (первые сутки) составят от 100 до 300 м3/ч, но затем резко упадут до 10—20 м3/ч уже через полгода. Общий приток на период полного развития горных пород (до горизонта —200 м) по моделированию не превысит 600—900 м3/ч. По опыту работ на аналогичных месторождениях, по данным Т.Н. Елисафенко, наиболее реальными будут предельные водопритоки от 300 до 500 м3/ч [7. Кн. 1; 11; 12].
В целом величины водопритоков, определенных методом моделирования, сопоставимы с результатами расчетов аналитическими методами, что свидетель-
ствует о правильности выбранных расчетных фильтрационных схем в обоих случаях.
При написании статьи применены некоторые авторские, во многом оригинальные, разработки: модернизация методики построения геофильтрационного разреза по данным расходометрии с применением условных (единичных) km и ктоб; корреляция q-km по данным одиночных и кустовых откачек; выявление роли разломов как слабопроницаемых линеаментов и отсутствия взаимосвязи Анадырского лимана и подмерзлотных вод и др. В работе также впервые для прогнозов водопритоков на Анадырском угольном месторождении апробирован метод обобщенных параметров.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Боревский Б.В., Самсонов Б.Г., Язвин Л.С. Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек. Изд. 2-е. М.: Недра, 1979. 326 с.
[2] Боревский Б.В., Хордикайнен М.А., Язвин Л.С. Разведка и оценка эксплуатационных запасов месторождений подземных вод в трещинно-карстовых пластах. М.: Недра, 1976. 247 с.
[3] Воробьев А.Е., Джалил Мд.А., Джалил И.Ф. К курсовому проекту по дисциплине «Гидрогеология» — расчет притока воды при отработке угольного забоя: материалы III Международной конференции «Горное, нефтяное, геологическое и геоэкологическое образование в XXI веке», Москва — Горно-Алтайск, 2008. М.: РУДН, 2008. С. 92—96.
[4] Воробьев А.Е., Пятницкий К. Подземная разработка угля в условиях вечной мерзлоты на ОАО «Шахта "Угольная"» Чукотского автономного округа: материалы Международной научно-технической конференции «Современные техника и технологии горно-металлургической отрасли и пути их развития». Навойиский горно-металлургический комбинат — Навоийский государственный горный университет. Навои, 12—14 мая 2010. С. 71.
[5] Инструкция по изучению и прогнозированию гидрогеологических условий угольных месторождений при геологоразведочных работах. Ростов-на-Дону: ВНИГРИуголь, 1985. 138 с.
[6] Кузьменко Э.Д. Обработка данных расходометрии методом регулирования // Разведка и охрана недр. 1978. № 8. С. 51—53.
[7] Отчет о геологоразведочных работах на поле шахты «Анадырская» и участке прирезки Тундровом Анадырского буроугольного месторождения с подсчетом запасов угля по состоянию на 01.01.1990 г.: отчет в 8 кн. Владивосток: Трест «Дальвостуглеразведка», 1990.
[8] Рузанов В.Т. Геохимия подмерзлотных вод района г. Анадыря // Подземная гидросфера: материалы Всероссийского совещания по подземным водам Востока России. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. С. 108—110.
[9] Рузанов В. Т. О гидрогеологической роли разломов на угольных месторождениях Юго-Востока Чукотки // Подземные воды Востока России: материалы Всероссийского совещания по подземным водам Востока России (XIX Совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока). Тюмень: Тюменский дом печати, 2009. С. 277—280.
[10] Самсонов Б.Г., Рогожина М.А. Расчет предельного водопритока в развивающуюся подземную выработку // Гидрогеология и инженерная геология. Экспресс-информация. 1983. № 4. С. 1—8.
[11] Самсонов Б.Г., Рогожина М.А. Закономерности формирования водопритока в подземные выработки // Разведка и охрана недр. 1986. № 3. С. 46—51.
[12] Фандюшкин Г.А. Закономерности углеобразования на Северо-Востоке России. Губкин: ОАО «Губкинская типография», 2006. 344 с.
PROGNOZ WATER INFLOWS OF SUBPERMAFROST WATER IN COAL MINE "UGOL'NAYA" (CHUKOTKA)
V.T. Ruzanov
A staff scientist of the North-East Interdisciplinary Scientific Research Institute n. a. N.A. Shilo of the Far East Branch of the Russian Academy of Science (NEISRI FEB RAS) Energetikov str., 15, Anadyr, Russia, 689000
Metods of prognosis water inflows of subpermafrost waters into coal mine on Chukotka are investigated. Initial and utmost water inflows estimated on base maps "true" and generalized hydrogeological parameter.
Key words: water inflow prognosis, coal mine, subpermafrost waters, Chukotka
REFERENCES
[1] Borevsky B.V, Samsonov B.G., Yazvin L.S. Methods for determining the parameters of aquifers by pumping data. Ed. 2-e. M.: Nedra, 1979. 326 p. [Borevskij B.V., Samsonov B.G., Jazvin L.S. Metodika opredelenija parametrov vodonosnyh gorizontov po dannym otkachek. Izd. 2-e. M.: Nedra, 1979. 326 s.]
[2] Borevsky B.V., Hartikainen M.A., Yazvin L.S. Exploration for and evaluation of operational reserves of groundwater in fractured and karst formations. M.: Nedra, 1976. 247 p. [Borevskij B.V, Hordikajnen M.A., Jazvin L.S. Razvedka i ocenka jekspluatacionnyh zapasov mestorozhdenij podzemnyh vod v treshhinno-karstovyh plastah. M.: Nedra, 1976. 247 s.]
[3] Vorobyev A.E., Jalil Md.A., Jalil I.F. To the course project on discipline "Hydrogeology" — calculation of water flow at the coal face. Proceedings of the III International conference "Mining, oil, geological and geo-ecological education in the XXI century", Moscow — Gorno-Altaisk, 2008. M.: PFUR, 2008. P. 92—96. [Vorob'ev A.E., Dzhalil Md.A., Dzhalil I.F. K kursovomu proektu po discipline «Gidrogeolodija» — raschet pritoka vody pri otrabotke ugol'nogo zaboja. Materialy III Mezhdunarodnoj konferencii «Gornoe, neftjanoe, geologicheskoe i geojekologicheskoe obrazovanie v XXI veke», Moskva — Gorno-Altajsk, 2008. M.: RUDN, 2008. S. 92—96.]
[4] Vorobyev A.E., Piatnitski K. Underground coal-mining in permafrost conditions at JSC "mine 'Coal'" Chukot Autonomous area. Materials of International scientific-technical conference "Modern technique and technologies of mining and metallurgical industry and ways of their development". — Navoyskiy mining and metallurgical Combinat — Navoi state mining University. Navoi (Uzbekistan), May 12—14, 2010. P. 71. [Vorob'ev A.E., Pjatnickij K. Podzemnaja razrabotka uglja v uslovijah vechnoj merzloty na OAO «Shahta "Ugol'naja"» Chukotskogo avtonomnogo okruga. Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii «Sovremennye tehnika I tehnologii gorno-metallurgicheskoj otrasli i puti ih razvitija». — Navoijskij gorno-metallurgicheskij kombinat — Novoijskij gosudarstvennyj gornyj universitet. — Navoi (Uzbekistan), 12—14 maja 2010. S. 71.]
[5] Manual for the study and forecasting of hydro-geological conditions of coal deposits in exploration work. Rostov-on-don: Vnigriugol, 1985. 138 p. [Instrukcija po izucheniju i prognozirovaniju gidrogeologicheskih uslovij ugol'nyh mestorozhdenij pri geologorazvedochnyh rabotah. Rostov-na-Donu: VNIGRIugol', 1985. 138 s.]
[6] Kuzmenko E.D. data Processing of flow regulation method. Exploration and conservation of mineral resources. 1978. No. 8. P. 51—53. [Kuz'menko Je.D. Obrabotka dannyh rashodometrii metodom regulirovanija. Razvedka i ohrana nedr. 1978. № 8. S. 51—53.]
[7] Report on geological exploration at the mine "Anadyr" and prirezki land the Tundra of Anadyr coal deposits with estimated reserves of coal as of 01.01.1990 / Report at 8 kN. Vladivostok: Trust "Deliveryperson", 1990. [Otchet o geologorazvedochnyh rabotah na pole shahty «Anadyrskaja» i uchastke prirezki Tundrovom Anadyrskogo burougol'nogo mestorozhdenija s podschetom zapasov uglja po sostojaniju na 01.01.1990 g. / Otchet v 8 kn. Vladivostok: Trest «Dal'vostuglerazvedka», 1990.]
[8] Ruzanov T.V. Geochemistry of subpermafrost water of district of Anadyr. Underground hydrosphere: Materials of all-Russian conference on groundwater East of Russia. Irkutsk: Publishing house of ISTU, 2006. P. 108—110. [Ruzanov V.T. Geohimija podmerzlotnyh vod rajona g. Anadyrja. Podzemnaja gidrosfera: Materialy Vserossijskogo soveshhanija po podzemnym vodam Vostoka Rossii. Irkutsk: Izd-vo IrGTU, 2006. S. 108—110.]
[9] Ruzanov T.V On the hydrogeological role of faults in coal deposits of the South-East of Chukotka. Groundwater East of Russia. Materials of all-Russian conference on groundwater East of Russia. (The XIX Meeting on ground waters of Siberia and the Far East). Tyumen: Tyumen print house, 2009. P. 277—280. [Ruzanov VT. O gidrogeologicheskoj roli razlomov na ugol'nyh mestorozhdenijah Jugo-Vostoka Chukotki. Podzemnye vody Vostoka Rossii. Materialy Vserossijskogo Soveshhanija po podzemnym vodam Vostoka Rossii. (XIX Soveshhanie po podzemnym vodam Sibiri I Dal'nego Vostoka). Tjumen': Tjumenskij dom pechati, 2009. S. 277—280.]
[10] Samsonov B.G., Rogozhina M.A. Calculation of extreme water inflow in developing excavation. Hydrogeology and engineering Geology. Express-information. M.: VIMS, 1983. No. 4. P. 1—8. [Samsonov B.G., Rogozhina M.A. Raschet predel'nogo vodopritoka v razvivajushhujusja podzemnujy vyrabotku. Gidrogeologija i inzhenernaja geologija. Jekspress-informacija. M.:VIJEMS, 1983. № 4. S. 1—8.]
[11] Samsonov B.G., Rogozhina M.A. Regularities of formation of water inflow into underground excavation. Exploration and conservation of mineral resources. 1986. No. 3. P. 46—51. [Samsonov B.G., Rogozhina M.A. Zakonomernosti formirovanija vodopritoka v podzemnye vyrabotki. Razvedka i ohrana nedr. 1986. № 3. S. 46—51.]
[12] Fedushkin G.A. Patterns of coal formation in the North-East of Russia. Gubkin: OJSC "Gubkin printing house", 2006. 344 p. [Fandjushkin G.A. Zakonomernosti Ugleobrazovanija na Severo-Vostoke Rossii. Gubkin: OAO «Gubkinskaja tipografija», 2006. 344 s.]
