CC BY
82
УДК 556.3+622.847: (470.54)
С.Н. Елохина, Л.Д. Футорянекий
К МЕТОДИКЕ ПРОГНОЗА СКОРОСТИ ЗАТОПЛЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
В конце XX века на территории Свердловской области, как и в других горнодобывающих регионах, и в первую очередь в угольных бассейнах, происходит процесс закрытия отработанных и нерентабельных шахт. При закрытии шахт прекращается работа водоотливных устройств, что приводит к затоплению подземных горных выработок. При отработке всех балансовых запасов процесс называется "мокрой" ликвидацией (МЛ), во втором случае, когда отработка месторождения является нерентабельной, - "мокрой" консервацией (МК).
Известно, что затопление подземных горных выработок приводит к целому ряду негативных гидрогеологических, инженерно-геологических и экологических последствий: ухудшению химического состава шахтных вод, заг рязнению природных (грунтовых и поверхностных) вод, почв, подтоплению и заболачиванию земель при изливе шахтных вод на поверхность, ухудшению несущих способностей грунтов вследствие изменения их физических свойств и т. п. Вытеснение загрязненного шахтного воздуха при затоплении выработанного пространства создает угрозу накопления газовых смесей (метана, углекислого газа и др.) в подвальных помещениях, зданиях и сооружениях, в почвах, непосредственно в местах выделения из выработок до рассеивания в атмосферном воздухе.
В основе развития большинства негативных процессов лежит гидродинамический факгор, то есть скорость подъёма уровня воды и положение его предельных отметок. В условиях горноскладчатого Урала скорость восстановления уровня подземных вод при прекращении шахтного водоотлива, а также конфигурация и предельное положение восстановленного уровня, вследствие нарушения сплошности массива горных пород и его фильтрационного сопротивления, а следовательно и его дренированиости, прогнозируются гидродинамическими (численными) методами крайне приближенно. Исследования, выполняемые в этом направлении ведущими специалистами страны [2. 3], требуют весьма значительных затрат времени и средств.
С другой стороны, весьма продуктивно использование для гидродинамических прогнозов фактических данных по темпу восстановления уровня, зарегистрированных в реальных геотехногенных условиях. Авторы располагают фактическими данными по темпам "захлаиывания" депрессионных воронок при МК Дегтярского медного рудника и МЛ Валуевской железорудной шахты, которые, при определенной их интерпретации, могут быть использованы в качестве аналогов.
Оба объекта расположены на восточном склоне Среднего Урала в пределах Свердловской области. В гидрогеологическом отношении оба участка принадлежат Большеуральскому сложному бассейну корово-блоковых безнапорных и напорных вод. На участках месторождений имеет развитие водоносный комплекс зон трещиноватости вулканогенно-осадочныч. интрузивных и метаморфических пород палеозоя.
Дегтярское медноколчеданное месторождение, открытое в 1888 г., расположено в г. Дегтярске практически в пределах городской застройки, занимая её центральную часть (рис. 1). В орографическом отношении территория города Дегтярска приурочена к межгорной депрессии, трассированной заболоченными долинами реки Исток и её левобережного притока - речки Дегтярки (бассейн р. Чусовой). Дегтярское медноколчеданное месторождение расположено в пониженной части этой депрессии. Абсолютные отметки поверхности земли Дегтярского рудника колеблются от 333 до 335 м при абсолютных отметках уреза воды в речке Дегтярке 331,8 м.
Данные о положении естественного уровня подземных вод в пределах шахтного поля не сохранились. Региональный модуль прогнозных эксплуатационных ресурсов подземных вод составляет 1,5 дм3/с • км".
Месторождение отрабатывалось подземным способом в периоде 1914 по 1995 года. До 1952 года горные работы на месторождении проводились в верхних горизонтах 70-190 м и развивались в основном по площади. С 1952 года интенсификация горных работ происходила на глубину с максимальной глубиной отработки по шахте "Капитальная^" 610 м. К 1994 г., перед закрытием рудника, восемь шахтных стволов было обрушено и находилось в зоне сдвижения горных пород, один ствол засыпан, четыре ствола сохранились (шахты "Капитальная-1". "Капитальная-2", "Средняя" и "Южная"). В северной части месторождения расположен отработанный карьер шх. "Колчеданной". Рудничный водоотлив производился с гор. 610 шх. "Капигальная-2", при среднемноголетнем значении за период 1983-1993 г. 220 м3/ч.
ОмхГСрсамм* \
* \
\ \ /
Катгтхшдо 1
V
Многолетний водооглив на Дегтярском руднике к моменту его ликвидации сформировал устойчивую воронку депрессии длиной 6 км и шириной в центральной части 1,3 км. Площадь воронки депрессии составляла 5,04 км2. Воронка имела субмеридиональное простирание и очень крутой западный борт, практически не выходящий на левый берег речки Дегтярки.
Полная остановка водоотлива произошла 21.12.1995 г., а полное заполнение депрессионной воронки - 17.05.1999 г., то есть через 1388 суток после остановки водоотлива (см. таблицу, рис. 2). Уклон подземного потока от затопленных шахт направлен на север к карьеру шх. "Колчеданная" а из него - к р. Исток. В октябре 1998 г. произошел выход шахтных вод в карьер. При достижении воды до отметки поверхности земли произошел её перелив в русло р. Исток.
Скорость заполнения депрессионной воронки изменялась от 1,82 м/сут в начале остановки водоотлива до 0,02-0,13 м/сут - на завершающем этапе МЛ (рис. 3). В период весеннею паводка темпы затопления горных выработок возрастали, что выражается в пикообразной форме графика и 2-линейного фильтра, построенного из-за недостаточности эмпирических данных.
Валуевское месторождение железных руд находится на расстоянии 5 км к югу от г. Кушва (рис. 4). Рельеф района гористо-увалистый с максимальными абсолютными отметками в пределах 260-290 м. Месторождение расположено на водоразделе р. Кушвы и Лай. Причем, карьер и шахтные выработки находятся в верховьях р. Кушвы, берущей свое начало непосредственно от юго-западного окончания карьера. Абсолютная отметка уреза воды в верховьях р. Кушвы 265 м. Сброс шахтных вод в совокупности с очищенными хозбытовыми сточными водами производился в болото Лайское (верховья р. Лай), с абсолютной отметкой уреза воды 272 м.
Рис. 1. Ситуационный план Дегтярского рудника:
1 - выход подземных вод из затопленных горных выработок. 2 - дспрсссионная воронка: 3 • зона обрушения; 4 - карьер: 5 - шахты: 6 - область питания шахтного водоотлива
Расчёт скорости восстановления уровня подземных вод при МЛ
Дата замера Время от начала остановки водоотлива, сут Абсолютная отметка УПВ. м . Время, сут : Подъем) ровня, м 1 | Скорость мильема, м/сут
Дегтярский р N ЛНИК
19 07.95 0 -250.5
21.08 95 33 -190.5 33 60 1.82
19.10.95 92 -130.5 59 60 1.02
05.01.96 170 -70.5 78 60 0.77
10.07.96 356 -49.5 186 21 0.11
25.04.97 624 154.5 268 204 0,76
23.06.97 683 175.5 59 21 0.36
25.08.97 735 206.5 52 31 0,60
05.11.97 806 237.5 71 31 0.44
30.01.98 889 268.5 83 31 0.37
30.04.98 979 296.5 90 28 0.31
05.06.98 1015 305.5 36 9 0.25
20.07.98 1060 315.5 45 10 0.22
06.10.98 1138 328.0 78 12.5 0,16
06.11.98 1169 331.5 31 3.5 0.11
11.01.99 1265 336.5 96 5 0,05
08.02.99 1 ю? 28 1.5 0,05
Но
29.03.99 1342 339.1 49 1.1 0.02
1405.99 1388 345 46 5.9 0,13
Шахта "Валусвская"
11.11.98 0 -100
09.02.99 83 -45.5 83 54.5 0.66
16.03.00 490 56.3 407 101.8 0.25
05.06.00 571 89,8 81 33.5 0.41
03.0800 630 97.9 59 8.1 0.14
06.10.00 694 110.1 64 12.2 0.19
01.01.01 808 125 1 114 14.9 0.13
Рис. 2. Восстановление уровня подземных вод при МК Дегтярского и МЛ Валуевского рудников:
1 -Дегтярский рудник. 2 - 2-линейный фильтр (Дегтярский рудник); 3 - шх. "Валуевская": 4 - 2-линейный фильтр (шх. "Валусвская")
о- о о во о- во о во о» во о
2 г» о о о з о
о- о- о- о С" о а-
* * * ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ / <?*> ^ ^ Врем* от начал! остановки водоотлива, сут
Рис. 3. Скорость подъема уровня подземных вод при МК Дсгтярского и МЛ Валусвского рудников:
1 Дегтя рс кий рудник; 2 - шх. "Валуевская"; 3 - Степенной (шх. "Вал уев екая"); 4 - Степенной (Дегтярский рудник); 5 - 2-линейный фильтр (Дегтярский рудник), 6 • 2-линейный фильтр (шх. "Вал>евска>")
\ !
\ I }
Палусдьм^ /
Л >
•''ршу^смтиляцаимма^^^аоктзтсдиа/
\ У
хий колоний Р»Д|1ИК ^ /
шх. Вонтилаиионна«'
Рис. 4. Ситуационный план Валуевского рудника:
1 - предполагаемые границы лепрессионной воронки: 2 - линия волоряхлела: 3 - карьер; 4 - шахта; 5 - проекция горных наработок
Подземные воды в пределах Валуевского месторождения в естественных условиях находятся на глубине от 2,3 - 3,5 до 12,5 м (ствол шахты "Валуевская", расположенный на приводораздельной возвышенности). Водопроводимость массива горных пород низкая (2,3-3,95 м2/сут), что определяет высокие градиенты напора подземного потока. Региональный модуль прогнозных эксплуатационных ресурсов подземного стока для этого района составляет 1,25 л/с - км".
Месторождение отрабатывалось с 1953 г. Первоначально добыча руды велась открытым способом - карьером "Валуевским", глубина которого около 70 м (абсолютная отметка дна карьера составляет около 200 м). Начиная с 1968 г. вскрытие и отработка запасов руды велись подземным способом - шахтой "Валуевская" Гороблагодатского рудоуправления. Кроме ствола шахты
"Валуевская" были пройдены шахты "Вентиляционная" и "Вентиляционная-Нагнетательная". Максимальная глубина отработки составила около 370 м (гор. -100 м) при прэходке горизонтальных горных выработок на отметках +135 м (шахта "Вентиляционная"), +100 м, +40 м, ± 0 м, - 25 м, -65 м и -100 м. Площадь шахтного поля составляет около 0,5 км*
Среднегодовые водопритоки к шахте "Валуевская" изменялись от 60 (1982 г.) до 95 м;/ч (1990 г.) при среднемноголетнем значении водоотлива 79,5 м'/ч. Максимальные водопритоки, зафиксированные в паводковый период, составили 140 - 160 м3/ч. Предполагаемая форма депрессионной воронки, существовавшая на конец отработки Валуевского железорудного месторождения, показана на рис. 4. Её площадь равна около 2 км2.
Затопление горных выработок шахты "Валуевская" производится с 11 ноября 1998 г. Известные авторам наблюдения охватывают период продолжительностью 808 сут. (см. таблицу, рис. 2). Г1о имеющимся данным, полного заполнения депрессионной воронки не произошло. Прогнозируется выход шахтных вод в ёмкость карьера. Средняя скорость затопления подземных горных выработок в целом за весь наблюденный период составляет 0,29 м/сут. При этом скорость уменьшилась от 0,65 м/сут на начальном этапе консервации (1998 - 1999 г.) до 0,13-0.25 м/сут в 2000 г. (см. таблицу). В периоды зимней межени скорость затопления снижалась, возрастая в паводок (см. рис. 3).
Как следует из вышеизложенного, геотехногенные системы, сформированные на Деггярском и Валуевском рудниках, имеют как общие черты, так и отличия, заключающиеся в различных объемах выработанного пространства и степени водообильности нарушенного массива пород. Меньшая скорость подъема уровня на начальном этапе МЛ Валуевского рудника отражает худшие условия восполнения ресурсов подземных вод, выражающиеся через более низкий модуль прогнозных эксплуатационных ресурсов.
Степенные линии трендов, построенные по обоим участкам, максимально отличаются в исходный период и существенно сближаются на верхних отметках затопления (см. рис. 3). Па последнем этапе восстановления уровня скорости подъема уровня выравниваются и составляют 0,13 м/сут (см. таблицу). Практически такие же скорости были зафиксированы при закрытии угольных шахт в Донбассе в военные годы [1]. Средняя скорость затопления изменялась от нескольких сантиметров до 1.8 м/сут, а общее время затопления шахт до статического уровня составляло от 170 до 1890 сут. На верхних горизонтах шахт скорость снижалась и подъём уровня происходил по параболическому закону. В Кузбассе продолжительность затопления разных шахт составляет от 365 до 1460 сут [1]. При этом продолжительность затопления шахт зависела от величины водопритоков и объёмов выработанного пространства.
Опыт затопления шахт Дегтярского и Валуевского рудников свидетельствует о том, что накопление и обобщение эмпирических данных по темпам подъема уровня в различных геотехногенных системах позволит разработать недорогую и оперативную методику гидродинамического прогноза МЛ и МК подземных горных выработок путем создания альбома эмпирических кривых.
Указанная задача легко и прэсто решается на организационном уровне, путем включения регистрации подъема уровня во всех доступных для наблюдения точках в соответствующие проекты.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кочетков М.В. и др. Эколого-геологнческие последствия массового затопления ликвидированных угольных шахт Восточного Донбасса // Разведка и охрана недр. 2001. № 5. С. 33-38.
2. Норватов Ю.А., Петрова И.Б., Миронов А.С., Норватова О.И. Гидрогеологические проблемы ликвидации шахт в Восточном Донбассе // Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханикн: Сб. докл. конф. СПб.. 2002. С. 137-141.
3. Норватов Ю.А., Петров;! И.Б., Русанов И.В. Методические аспекты применения численных геофильтрационных моделей при гидрогеологической разведке месторождений, эксплуатации и ликвидации горнодобывающих предприятий // Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханикн: Сб. докл. конф. СПб., 2002. С. 485-499.
