CC BY
18
Вюник Дншропетровського унiверситету. CepiH: геологiя, географiя. 24 (2), 2016, 25-29 Visnik Dnipropetrovs'kogo universitetu. Seria Geologia, geographia Dnipropetrovsk University Bulletin. Series: geology, geography. 24 (2), 2016, 25-29.
Doi: 10.15421/111628 http://geology-dnu.dp.ua
УДК 556.491:622
Геолого-гидрогеологическая история развития угольной промышленности Западного Донбасса в математических моделях
Г. П. Евграшкина, В. К. Марченко
Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара, Днепр, Украина, e-mail: marchenlo_lera@i. ua
Постоянно действующая математическая модель - это региональная, многофункциональная гидрогеологическая задача, которая ограничена в пространстве и бесконечна во времени. Главным недостатком такой модели является только общая характеристика техногенных изменений режима подземных вод. Исходя из этого режимная модель не может быть единственной основой для разработки природоохранных мероприятий гидрогеологической направленности. Поэтому она дополнена математическими моделями территорий, прилегающих к локальным объектам техногенного влияния на подземные воды. В основу создания математических моделей изменения гидрогеологических условий территорий, прилегающих к техногенным объектам негативного влияния на подземные воды, положены три теории - фильтрации, физико-химической гидродинамики пористых сред и скважин. На основе теории одиночных и взаимодействующих скважин на математических моделях отображена в хронологическом порядке последовательность ввода в эксплуатацию угольных шахт, их взаимопонижающее действие, варианты закрытия. Адекватность моделей и оригиналов подтверждена режимными наблюдениями по скважинам в зоне влияния шахтного водоотлива. Ключевые слова: математическая модель, теория скважин, режимные наблюдения, адекватность, депрессионная воронка, подземные воды
Geological and hydrogeological history of development of the coal industry of the Western Donbass in mathematical models
G. P. Yevgrashkina, V. K. Marchenko
Oles Honchar Dnipropetrovsk national university, Dnipro, Ukraine, e-mail: [email protected]
Constantly operating mathematical model it regional, multifunction hydrogeological task. A model limits in space and endless in time. General description of technogenic changes of the mode of underwaters it is the main flaw. Based on this for development of nature protection measures to the hydrogeological orientation a regime model cannot be only foundation. Therefore it is complemented by the mathematical models of territories that fit closely to the local objects of technogenic influence on underwaters. In hired the mathematical models of change of hydrogeological terms of territory are examined in the affected of the mine pumping zone A model consists of two parts - lauter and migratory. Filtration in a general view is described by three-dimensional equalizations of mathematical physics of parabolic kind in partials. Three theories - filtration, physical and chemical hydrodynamics of porous environments and mining holes fixed in basis of creation of mathematical models of change of hydrogeological terms of territories. On the basis of theory of physical and chemical hydrodynamics of porous environments the modern methods of prognosis of transfer of substance were worked out underground to waters near-by the sources of contamination. In obedience to this theory processes are described by equalizations of motion and maintenance of mass of substance. These territories fit closely to the technogenic objects of negative influence on underwaters. Sequence of putting into the operation of coal mines, their lowering action, closing variants mining holes on mathematical models represented in a chronological order on the basis of theory of single and interactive mining holes. Adequacy of models and originals is confirmed by regime supervisions on mining holes in the affected of the mine pumping zone. Conducting work it is possible to draw conclusion that the theory of mining holes is applicable at the decision of tasks of the mine pumping. At influence of pumping on adherent territories in the process of exploitation and in connection with closing of mines. Keywords: mathematical model, theory of wells, regime observations, adequacy, theory of mining, underground waters.
Введение. Комплексные многоплановые гидрогеологические исследования на территории Западного Донбасса на протяжении многих лет, начиная с 1960 года, выполняет Павлоградская геолого-разведочная экспедиция (ПГРЭ). Они включают детальную разведку и оценку запасов
подземных вод, режимные наблюдения, изучение закономерностей формирования водопритоков в горные выработки. Фильтрационные исследования с целью прогноза производительности водозаборов выполнены в 1967 - 1969 гг. методом ЭГДА (электрогидродинамических аналогий)
Dniprop. Univer. Bull. Ser.: geol., geogr., 2016, 24 (2)
сотрудниками Научно-исследовательского института геологии ДГУ. С этого момента начинается непрерывное сотрудничество науки и практики по проблеме научного обоснования комплекса природоохранных мероприятий гидрогеологической направленности в горнодобывающем регионе Западный Донбасс. Следующим этапом было участие в создании постоянно действующей математической модели (ПДММ) изменения гидрогеологических условий горнодобывающей части Западного Донбасса.
Материалы и методы исследований. Исходные данные для создания ПДММ подготовила Павло-градская ГРЭ. Математической основой её взята комплексная программа «Прогноз 1», разработанная в лаборатории гидрогеологических прогнозов и охраны подземных вод Днепропетровского отделения Института минеральных ресурсов, затем Украинского государственного геолого-разведочного института. Модель состоит из двух частей -фильтрационной и миграционной [Yevgrashkma, G.P. 2003.]. По нашему определению, ПДММ - это региональная, многофункциональная, непрерывно совершенствуемая гидрогеологическая задача, ограниченная в пространстве и бесконечная во времени. ПДММ Западного Донбасса наряду с множеством несомненных достоинств имеет недостаток. Ввиду её относительно мелкого масштаба (1 : 100 000) она даёт лишь общую характеристику техногенных изменений режима подземных вод исследуемого региона и не может быть единственной научной основой для разработки природоохранных мероприятий гидрогеологической направленности. Поэтому она дополнена математическими моделями территорий, прилегающих к локальным объектам техногенного влияния на подземные воды. Это пруды-накопители, хвостохранилища, шахтные отвалы, шахтный водоотлив. Три первых вида техногенных объектов уже достаточно освещены в научных публикациях [Yevgrashkina, G.P. 2003.]. Здесь рассматриваются математические модели изменения гидрогеологических условий территории в зоне влияния шахтного водоотлива. Хронологическая последовательность ввода шахт в эксплуатацию и характеристика гидрогеологических условий эксплуатации представлены в таблице. 1.
Последовательность ввода шахт в эксплуатацию такова. Первой была построена шахта «Пер-шотравнева» в 1963 году. Она входит в восточную группу из трех шахт вместе со «Степной» и «Юбилейной» (рис. 1).
ш. «Степная»
«Юбилейная»
ш. «Першотравнева»
Рис. 1. Схема расположения восточной группы шахт, масштаб 1 : 100 000, г3-5 = 4 100 м; г1-3 = 2 200 м; г1-5= 4 200 м
Как одиночная «скважина» она работала два года, водоотлив также осуществлялся в течении всего периода строительства и двух лет эксплуатации, всего четыре года. Он был максимальным - 31 тыс. м3/сут. Упругие запасы из-за очень малой величины ц* в продуктивной толще срабатываются практически мгновенно по сравнению с продолжительностью эксплуатации шахты, и начинается перетекание пресных вод палеогена сверху вниз, что приводит к увеличению сброса и уменьшению его минерализации. За четыре года достигнуто полное осушение ствола и шахтного поля на глубину до подошвы горных выработок 200 м. Результаты эпигнозного расчета хорошо согласуются с фактическим данными, что подтверждает достоверность определения гидрогеологических параметров, представленных в таблице 1.
Для решения поставленных задач здесь и далее применен метод смены стационарных состояний. В предложенном варианте он включает множество решений обратных задач по определению условного радиуса питания Я в неустановившемся режиме на разные сроки эксплуатации шахты и соответствующие им решения прямых задач для расчёта величин понижения в шахте. Используется решение (1), которое в такой постановке задачи в неявном виде учитывает изменение функции во времени через величину Я, формула (2).
Формулы записаны с индексами, соответствующими расчетному номеру шахты «Пер-шотравнева» № 1.
=
<Ь
2т(Тл
(1)
(2)
В формулах (1) - (2) используются такие обозначения:
понижение в стволе шахты, м;
3
ш
Бшргор. ишуег. Ви11. Бег.; geol., geogг., 2016, 24 (2)
Таблица 1
Гидрогеологическая характеристика шахт Западного Донбасса
Расчетный номер шахты Название шахт Год ввода в эксплуатацию Глубина горных выработок от поверхности земли, м Величина шахтного водоотлива, тыс. м3 минерализация, г/дм3 Индексы дренируемых горизонтов Средневзвешенная водопроводимость дренируемой толщи Т, м2/сут. Средневзвешенная упругая водоотдача дренируемой толщи ц*, д. ед. Средневзвешенная гравитационная водоотдача ц, д. ед. .т у /с 5: ,* а ть с О о в о про о з е Й .т у /с 5: е ть с о о в о про е н в о р
1 «Першотравнева» 1963 180-200 12,33/2,90 132 0,009 0,1 14 666 1 400
2 «Терновская» 1964 100 6,74/2,6 70 0,008 0,09 8 750 778
3 «Степная» 1965 145-250 21,0/3,5 140 0,009 0,1 15 556 1 400
4 «Павлоградская» 1968 105 6,86/6,3 73 0,008 0,07 9 125 1 042
5 «Юбилейная» 1970 180-230 24,39/2,21 161 0,009 0,11 17 888 1463,6
6 «Благодатная» 1971 115 7,78/15,0 86 0,008 0,09 10 750 955,6
7 «Самарская» 1973 160 8,81/7,5 80 0,007 0,08 11 428 1 000
8 «Днепровская» 1975 260 5,34/6,0 42 0,006 0,09 7 000 466,7
9 «Героев Космоса» 1979 470 1,0/37,1 2 0,001 0,07 2 000 285,7
10 «Западно-Донбасская» 1980 585 1,13/27,38 2 0,001 0,07 2 000 285,7
11 Имени Сташкова 1982 140 43,66/2,66 120 0,008 0,11 15 000 1 090,9
Q1- водоотлив м3/с.;
Т' - средневзвешенная величина водопроводи-мости дренируемой толщи, м2/с.;
Я- условный радиус питания, м;
t - продолжительность водоотлива, включающая время строительства и эксплуатации на расчетный момент времени, с.;
гш- радиус ствола шахты, м.
Эпигнозный расчет по формулам (1) и (2) выполнен на четыре года, расчетное понижение S1= 203,43 м, при фактическом 200 м. Относительная погрешность составляет 1,5 %, высокая степень достоверности подтверждает правильность определения параметров и выбора метода расчета.
В 1965 году сдана в эксплуатацию шахта «Степная». Расположена на расстоянии г = 2200 м от ш. «Першотравнева». Они работают как две одиночные скважины, пока выполняется условие:
(3)
(4)
где Я1, R3 - условные радиусы питания шахт «Пер-шотравнева» и «Степная» с расчетными номерами 1 и 3.
При t1 = 5 лет (1966 г) Я=2 328 м. Величина t1 здесь включает два года водоотлива во время
R <г
1 1,3
R <г
3 1,3
строительства, два года работы в статусе одиночной скважины и один год эксплуатации вместе с ш. «Степная». Неравенство Я1 > г13 будет справедливым уже в 1966 году. Неравенство (4) на конец 1966 года остается в силе Я3= 1 857 м. Шахта «Першотравнева» уже оказывает понижающее влияние на ш. «Степная» без обратной связи.
Перед вводом в эксплуатацию ш. «Юбилейная», конец 1969 года Я1 = 3 123 м, Я3 = 2 857 м, две шахты («Першотравненва» и «Степная») работают как две взаимодействующие «скважины». Это минимальное количество, соответствующее научному определению «линейный ряд». С этого момента в расчеты вместо условного радиуса питания вводится приведенный радиус влияния:
= Н + 0,37*, (5)
где I- расстояние между скважинами, уже обозначенное как г1 м.
В нашем случае:
(6) (7)
С начала 1970 года вступила в эксплуатацию ш. «Юбилейная». Доэксплуатационный водоотлив продолжался один год. Понижающее влия-
Бшргор. ишуег. Ви11. Бег.; geol., geogг., 2016, 24 (2)
ние соседних шахт начинается со стороны «Пер-шотравневой» через 12 лет её работы в 1975 году и через 11 лет с начала эксплуатации со стороны «Степной» - в 1976 году. Через один год эксплуатации условный радиус питания ш. «Юбилейная» составит Я5 = 514 м (2). Понижение в стволе при максимальном водоотборе = 48,80 тыс. м3/сут, рассчитанное по формуле (2), составит 248 м, что соответствует максимальной глубине горных выработок. Таким образом, эпигнозные расчеты и фактический материал хорошо согласуются. Во-допонижающее влияние на соседние шахты она начнет оказывать через 15 лет от начала эксплуатации, т. е. с начала 1986 г, когда Я5 будет равно 4 245 м при г15 = 4 200 м и г33 = 4 100 м. С начала 1986 года все три шахты начали работать в режиме «взаимодействующих скважин». В последующих расчетах для схемы «произвольное расположение трех взаимодействующих скважин» вводится приведенный радиус влияния Япр. Он рассчитывается следующим образом:
^пр — й +
(8)
где Я - условный радиус питания, м;
R'- радиус равновеликого круга для треугольника, в вершинах которого расположены шахты, м;
F - площадь треугольника, определенная как произведение половины длины основания на высоту к, м2:
F =
2 200-4 000
= 44.Ю5 м2,Д' = 1163,6 м.
2 2
В формуле (8) присутствуют две составляющие приведенного радиуса влияния: переменная
величина R = /(0 и R' - постоянное слагаемое для конкретного расположения скважин. Результаты расчета величины Я и Япр на различные сроки представлены в таблице 2.
После закрытия шахты Першотравнева в 2000 году работает линейный ряд длиною 4 100 м. Шахты «Степная» и «Юбилейная» при водоотбо-ре до закрытия будут понижать уровень в стволе ш. «Першотравнева» на 34, 95 м [Yevgrashkina, G.P., Виок, S. А. 2008]. Дополнительная откачка не понадобится. В связи с изменившейся энергетической ситуацией возможна её реставрация, так как запасов угля там осталось ещё на 20 лет. Объектом дальнейших исследований будут шахты «Павлоградская», «Благодатная» и «Героев Космоса» из центральной группы. Рассмотрен также вариант закрытия ш. «Юбилейная» [Yevgrashkina, G.P., Нагйопо^ М. М. 2007]. Научное обоснование реструктуризации угольной промышленности представлено в работе [Bondarenko, V. I., Salli, V. I., К^'тепко, А. М., КоШ^ Ju. V., Dychkovskij, R. Е., Sytnik, V. V. 2003].
Выводы. 1. Теория скважин применима при решении задач шахтного водоотлива, его влияния на прилегающие территории в процессе эксплуатации и в связи с закрытием шахт.
2. Эпигнозные задачи подтверждают адекватность математических моделей и фактических данных.
3. Метод смены стационарных состояний обеспечивает высокую точность при решении прямых прогнозных задач.
4. Научное обоснование реструктуризации угольной промышленности необходимо завер-
Таблица 2
Результаты расчета величин М и М
Конец расчетного года ш. «Першотравнева» ш. «Степная» ш. «Юбилейная»
Условный радиус питания Я, м Приведенный радиус влияния Я , м щг Условный радиус питания Я, м Приведенный радиус влияния Я , м щг Условный радиус питания Я, м Приведенный радиус влияния Я , м щг
1985 4 999 6 183 4 913 6 097 4 246 5 430
1990 5 509 6 693 5 467 6 651 4 904 6 087
1995 5 981 7 165 5 970 7 154 5 482 6 666
2000 6 418 7 602 6 433 7 617 6 006 7 190
2005 6 827 8 011 6 865 8 049 6 487 7 671
2010 7 213 8 397 7 272 8 456 6 935 8 119
2015 7 580 8 764 7 657 8 841 7 356 8 540
2 020 7 860 9 044 7 952 9 136 8 130 9 314
2 025 8 198 9 382 8 527 9 711 8 305 9 489
Бтргор. итуег. Ви11. Бег.; geol., geogг., 2016, 24 (2)
шить практическим осуществлением с переходом
на европейский технический уровень.
Библиографические ссылки
Bondarenko, V. I., Salli, V. I., Kuz'menko, A. M., Kotov, Ju. V., Dychkovskij, R. E., Sytnik, V. V. 2003. Puti restrukturizacii shaht GHK "Pav-logradugol' pri investirovanii proizvodstva" [Ways of restructuring the mines holding company "Pavlogradugol when investing production"]. Sbornik nauchnyh trudov nacional'nogo gornogo universiteta. Dnepropetrovsk. 65-70 (in Russian).
Yevgrashkina, G.P. 2003. Do problemi rekul'tivacii' shahtnih vidvaliv [To the problem of reclaiming the mine dumps]. Geologija i geohimija gor-juchih kopalin: 3-4. 117-125 (in Ukrainian).
Yevgrashkina, G.P. 2003. Prud-nakopitel' sbrosnyh shahtnyh vod "Svidovok" v Zapadnom Donbasse i ego jekologicheskie problemy [The storage pond waste mine waters "Svidovok" in the Western Donbass and its environmental problems]. Ekologija dovkillja ta bezpeka zhyttjedi-jal'nosti: 5. 48-53 (in Russian).
Yevgrashkina, G.P. 2003. Vlijanie gornodobyvajush-hej promyshlennosti na gidrogeologicheskie i pochvenno-meliorativnye uslovija territorij [The
impact of mining industry on hydrogeological and soil-reclamation conditions and territories]. Dnepropetrovsk. Monolit. 200 (in Russian).
Yevgrashkina, G.P., Butok, S. A. 2008. Gidrogeo-logicheskoe obosnovanie zakrytija vostochnoj gruppy shaht v Zapadnom Donbasse [Hydrogeological substantiation of the closure of the Eastern group of mines in Western Donbass]. Visn. Dnipropetr. Univ. 5, 67-71 (in Russian).
Yevgrashkina, G.P., Haritonov, M. M. 2007. Gidro-geologicheskoe obosnovanie zakrytija shahty "Jubilejnaja" [Hydrogeological substantiation of the closure of the mine "jubilee"]. Problemy pryrodokorystuvannja, stalogo rozvytku ta teh-nogennoi' bezpeky regioniv. Materialy 4 Mizhn-arodnoi' naukovo-praktychnoi' konferencii'. Dnipropetrovs'k. 60-63 (in Russian).
Yevgrashkina, G.P., Kalinkina, O. E. 2012. Za-konomirnosti zminy gidrogeologichnyh umov na terytorii', pryleglij do hvostoshovyshha "Bal-ka Stukanova" u Zahidnomu Donbassi [Regularities of changes in hydrogeological conditions on the territory adjacent to kvastsovymi "Beam Stukanov" in the Western Donbass]. Visn. Dnipropetr. Univ. Ser. Geol. Geogr. 14, 42-47 (in Ukrainian).
Поступила в редколлегию 12.10.16 г.
Dniprop. Univer. Bull. Ser.: geol., geogr., 2016, 24 (2)
