CC BY
0УДК 550.8.013
Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов, Н. С. Федосова
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОДЗЕМНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ ПРИ ОСУЩЕСТВЛЕНИИ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ДРЕНАЖНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ
Приведены результаты моделирования изменения параметров фильтрационных процессов при отключении подземного водоотлива и проведении дополнительной дренажной выработки через барьерный целик.
Ключевые слова: математическое моделирование, барьерный целик, зона водопроводящих трещин, водоотлив, дренажные мероприятия.
Введение. Затопление выработанного пространства одной из закрывающихся шахт приводит к изменению водного баланса всего комплекса гидравлически связанных угольных предприятий. Одним из активных способов воздействия на изменения водного баланса на выделенном объекте являются специальные дренажные мероприятия, направленные на снижение негативного влияния процессов затопления. Эти мероприятия, как правило, предпринимаются для уменьшения притоков воды на критически важные объекты (действующие шахты) путем перераспределения притоков на второстепенные объекты (закрытые шахты). Дренажные мероприятия заключаются в проведении дополнительных сбоек затапливаемых горных выработок с выработками соседних закрытых шахт, на которых в настоящее время не планируется отключение подземных водоотливов. Проведение таких сбоек весьма затратное мероприятие, а их эффективность не всегда очевидна и зависит от множества факторов. Поэтому такие мероприятия не могут осуществляться путем строительства сбоек и начала процесса неконтролируемого затопления, а должны быть выполнены в режиме моделирования, позволяющего оценить целесообразность и эффективность проведения таких работ. Эти оценки позволят минимизи-
ровать затраты и оптимизировать саму систему дренажных мероприятий.
Применяемые подходы. При математическом моделировании техногенного режима подземных вод для изучения влияния дополнительных дренажных мероприятий на каком-либо гидрогеологическом объекте требуется введение в расчетную схему специальных элементов, параметры которых определяются путем гидрогеологической схематизации граничных условий краевой задачи.
Гидрогеологическая схематизация предполагает представление реальных гидрогеологических процессов в виде определенных математических соотношений. При этом должно быть учтено определенное количество различного рода факторов, связанных с обоснованием региональной расчетной схемы. Переход к расчетной схеме является одним из важнейших этапов исследований, поскольку от его качества зависит достоверность и надежность прогноза. Другими словами, на данном этапе исследований осуществляется формальный переход от реальной гидрогеологической задачи к некоторой математической модели. Этот этап предполагает математическую формулировку всех начально-граничных условий краевой задачи фильтрации.
В соответствии с вышеуказанными принципами в [1] была построена математическая модель фильтрации, а затем выполнена ее калибровка для группы шахт ПО «Донецкуголь»: «Куйбышевская», им. Е. Т. Абакумова, им. А. А. Скочинского и «Лидиевка».
Изучение влияния дополнительных дренажных мероприятий формально заключается в изменении конкретных параметров математической модели. В данном случае, эти изменения заключаются в увеличении проводимости ребер сеточной модели, связывающих горные выработки ш. «Лидиевка» с горными выработками ш. им. Е. Т. Абакумова. Другими словами, увеличивается мощность стока в левом нижнем углу модели. При этом проводимость отдельных ребер модели Т=1/Я увеличивается в соответствии с [2], что отвечает строительству дополнительных дренажных выработок. При этом, учитывается механизм компенсации неравенства фильтрационных сопротивлений радиального и плоскопараллельного потоков в пределах расчетного блока.
Результаты исследований. На рисунке 1 представлено установившееся (квазистационарное) распределение пьзометрических
напоров, полученное в результате моделирования процессов подземной гидродинамики при изменении его параметров, а именно, при отключении водоотлива на ш. «Лидиевка» и проведении дополнительной дренажной выработки из околоствольного двора ш. им. Е. Т. Абакумова через барьерный целик пласта кв до ее сбойки с горными работами ш. «Лидиевка».
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Рис. 1 - Квазистационарное распределение пьзометрических напоров в выработанном пространства пл. кв ш. «Лидиевка» при наличии дополнительной дренажной выработки
Результаты моделирования на рисунке 1 представлены в виде распределения нормированного пьезометрического напора Н в вертикальном сечении обобщенной плоской задачи. При этом по оси ординат - у изображена шкала от 0 до 100, значение у = 100 отвечает уровню земной поверхности. По оси абсцисс х отложено расстояние вдоль горизонтальной линии в условных единицах, определяемых шагом дискретизации, при условии, что х = 100 охватывает всю изучаемую область фильтрации.
На рисунках 2, 3 приведены зависимости, характеризующие изменение основных параметров режима подземных вод при дополнительной сбойке околоствольных выработок ш. им. Е. Т. Абакумова и горных выработок на ш. «Лидиевка». Сравнение производится с параметрами режима подземных вод для
случая без проведения дополнительной сбойки горных работ этих двух шахт.
\
N.
123456789 10 11 Шаги по времени, у.е.
Рис. 2 - Сравнительные характеристики процессов после отключения водоотлива на ш. «Лидиевка»: ряд1 - без дополнительной выработки; ряд2 - с дополнительной выработкой
Изменение водопритока в стволы
Шаги по времени, у.е.
Рис. 3 - Сравнительные характеристики процессов: ряд1 - без дополнительной выработки; ряд2 - с дополнительной выработкой
Из рисунка 2 следует, что величины водопритока в затапливаемую шахту снижаются с течением времени по мере повышения уровня затопления. При этом стабилизация водопритоков происходит довольно быстро. Такая форма зависимости отвечает принятым основным фундаментальным представлениям о процессах подземной гидродинамики и не противоречит эмпирическим данным, фиксируемым на практике [3], которые увязывают водопритоки в горные выработки с уровнем их затопления.
Суммарный водопроток в стволы действующей ш. им. А. А. Скочинского, (см. рис. 3) с течением времени стабили-
зируется на определенном уровне, однако уровень стабилизации заметно отличается (снижается) при проведении дополнительной дренажной выработки.
Заключение. Полученные результаты, позволяют выделить следующие особенности изменения процессов подземной гидродинамики при осуществлении дополнительных дренажных мероприятий:
- при проведении дополнительной дренажной выработки происходит незначительное увеличение (до 15 %) общего водопри-тока в дренируемую шахту;
- при проведении дополнительной дренажной выработки происходит уменьшение на 25 % суммарного водопритока в стволы действующей шахты ш. им. А. А. Скочинского, что является основным результатом прогноза и, при увеличивающемся водопри-токе на поле дренируемой шахты, является далеко не очевидным результатом;
- дальнейшее увеличение количества дополнительных дренажных выработок или проведение иных дренажных мероприятий не будет давать какого-либо существенного эффекта по сравнению с рассмотренным случаем;
- при проведении дополнительной дренажной выработки происходит увеличение общего перетока воды (до 20 %) на соседнюю бездействующую ш. им. Е. Т. Абакумова, на которой сохраняется подземный водоотлив;
- при проведении дополнительной дренажной выработки происходит незначительное увеличение и постепенное выравнивание и стабилизация общего количества поступающей и вытекающей воды в дренируемой шахте, что свидетельствует о сбалансированности модели.
Выявленные особенности процессов подземной гидросферы могут быть использованы в качестве прогнозных оценок эффективности и целесообразности проведения дополнительных дренажных мероприятий и оптимизации систем водоотлива на всех шахтах выделенного гидрогеологического объекта.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700021 -4-2.7.1;2.7.5)
ЛИТЕРАТУРА
1. Ходырев, Е. Д. Численное моделирование нестационарного процесса фильтрации в подработанном горном массиве / Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов // Труды РАНИМИ: сб. научн. трудов. - Донецк, 2019. - № 8 (23). - С. 210 - 224.
2. Лукнер, Л. Моделирование геофильтрации / Л. Лукнер, В. М. Шестаков. - М.: Недра,1976. - 404 с.
3. Справочное руководство гидрогеолога. Под. ред. В. М. Максимова. - Л.: «Недра», 1967. - Т. 1. - 590 с.
Ходырев Евгений Дмитриевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник отдела гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк hodyrev_ed@mail.ru.
Трофимов Виктор Валериевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела компьютерных технологий, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, victor.trofymov@ranimi.org.
Федосова Надежда Степановна, заведующий отделом патентно-лицензионной, изобретательской работы и стандартизации, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, fenad0304@mail.ru.
INVESTIGATION OF THE PROCESSES OF UNDERGROUND HYDRODYNAMICS IN THE IMPLEMENTATION OF ADDITIONAL DRAINAGE MEASURES
The results of changes in filtration processes modeling parameters when turning off underground drainage and carrying out additional drainage through a barrier pillar are presented.
Keywords: mathematical modeling, barrier pillar, zone of water supply cracks, drainage, drainage measures.
Khodyrev Evgeny Dmitrievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher, Leading Researcher of Hydrogeomechanical Survey and Protection of Subsurface Resources Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk hodyrev_ed@mail.ru.
Trofimov Victor Valerievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher Computer Technology Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, victor.trofymov@ranimi.org.
Fedosova Nadezhda Stepanovna, Head of the Department of Patent-Licensing, Inventive Work and Standardization, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, fenad0304@mail.ru.
