CC BY
6УДК 550.8.013
Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов
МОДЕЛИРОВАНИЕ АКТИВНЫХ СПОСОБОВ
ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ИЗМЕНЕНИЯ УСЛОВИЙ ЗАТОПЛЕНИЯ ШАХТ
Приведены результаты моделирования изменения техногенного режима подземных вод на выбранном объекте исследований в связи с отключением водоотлива и проведением дополнительной дренажной выработки через барьерный целик.
Ключевые слова: водоотлив, математическое моделирование, дренажные мероприятия, барьерный целик, подземная гидродинамика.
Введение. Отработка угольных пластов Донбасса привела к необратимым изменениям гидродинамического режима подземных вод на больших площадях [1], [2]. Ликвидация угольных предприятий путем мокрой консервации не восстановит его природные условия формирования, питания и разгрузки. Прогноз развития гидрогеологической ситуации в связи с новыми условиями - сложная задача, часто требующая безотлагательного решения в условиях оперативного принятия мер по предотвращению ее неконтролируемого развития. Особо актуален данный вопрос для действующих шахт. Математическое моделирования в данной задаче может быть мощным, часто незаменимым, инструментом для изучения и анализа влияния условий водоотлива на основные параметры техногенного режима подземных вод [3], [4]. В работе приведены результаты таких расчетов для реального объекта, в качестве которого по ряду причин выбрана группа шахт: «Лидиевка», им. Е. Т. Абакумова и им. А. А. Скочинского.
Объект и цели исследований. Шахта «Лидиевка» имеет неявные гидросвязи через скиповой и восточный воздухоподаю-щий ствол № 1 шахты им. А. А. Скочинского по пласту кв (отмет-
ка минус 275 м) и прямую гидравлическую связь по водопере-пускной выработке шахты им. Е. Т. Абакумова, вскрывающей работы 11 западной лавы пл. кв шахты «Лидиевка». По указанным шахтам подобраны, откалиброваны и сшиты в единую систему координат планы горных выработок для оценки их взаимного влияни [5], проанализированы данные водопритоков и объемов перетока шахтных вод через прямые и неявные гидравлические связи [6], [7].
Цель исследований - оценка влияния дополнительных дренажных мероприятий на интенсивность процессов подземной гидродинамики: отключение водоотлива на шахте «Лидиевка» и проведении дополнительной дренажной выработки из околоствольного двора шахты им. Е. Т. Абакумова через барьерный целик пласта кв до ее сбойки с горными работами шахты «Лиди-евка».
Результаты исследований. На рисунке 1 показано конечное (квазистационарное) распределение пьезометрических напоров для случая отключения водоотлива на ш. «Лидиевка», при проведении специальной дополнительной дренажной выработки и установке погружного насоса на минимально возможной глубине 80 м (р = 0.15 и И = 80), а на рисунке 2 - на отметке 200 м (р = 0.15 и И = 200). Оценка зон с повышенными градиентами фильтрационной неоднородности была выполнена в соответствии с методикой, изложенной в [8].
На рисунке 3 и 4 приведены сравнительные характеристики гидрогеологических процессов с и без проведения дополнительной дренажной выработки при разных условиях водоотлива, т.е. при одновременном изменении проводимости (Т) отдельных расчетных элементов математической модели и значения напора (р) в точках стока. Из полученных результатов следует: для всех вариантов расчета суммарный водопроток в стволы увеличивается с течением времени и для каждого уровня водоотлива стабилизируется на определенной величине. Эта величина существенно возрастает при повышении уровня водоотлива не зависимо от наличия дренажной выработки.
10 20 30 40 50 60 70 ВО 90 100
Рис. 1 - Распределение уровней затопления выработанного
пространства пл. кв ш. «Лидиевка» в новом равновесном (квазистационарном) состоянии при отключении подземного водоотлива на ш. им. Е. Т. Абакумова, установлении погружного насоса на отметке 80 м и строительстве дополнительной дренажной выработки
Граничные условия, учитывающие неравенство сопротивлений плоскопараллельного и радиалного потоков были учтены в соответствии с [3], [9].
При попарном сравнении кривых с одинаковым уровне водоотлива во всех случаях происходит снижение суммарного во-допритока в стволы при проведении дренажной выработки. Од-
нако эффективность дренажных мероприятий заметно снижается при повышении уровня водоотлива.
10 20 30 40 50 60 70 ВО 90 100
Рис. 2 - Распределение уровней затопления выработанного
пространства пл. кв ш. «Лидиевка» в новом равновесном (квазистационарном) состоянии при отключении подземного водоотлива на ш. им. Е. Т. Абакумова, при дополнительной сбойке околоствольных выработок ш. им. Е. Т. Абакумова и горных выработок ш. «Лидиевка» и установке погружного
насоса на отметке 200 м
Так, если уменьшение суммарного водопритока в стволы при проведении дренажной выработки при существовании подземного водоотлива составляет примерно 25 %, то при уровне во-
доотлива с помощью погружного насоса, расположенного на отметке 200 м, эта эффективность составляет около 5 %. Такая тенденция наблюдается для всех вариантов расчетов
Суммарный водоприток в стволы
— -Ряд1
—■— Ряд2
Ряд3
—к- Ряд4
— Ряд 5
—•— Рядб
ряд1 - для подземного водоотлива (И = 0); ряд2 - для погружного насоса при И = 80; ряд3 - для погружного насоса при И = 200;
ряд4 - для подземного водоотлива с дренажной выработкой (И = 0); ряд5 - для погружного насоса с дренажной выработкой при И = 80; рядб - для погружного насоса с дренажной выработкой при И = 200
Рис. 3 - Кривые суммарных водопритоков в стволы при
различных уровнях водоотлива с дренажной выработкой
и без нее
Для всех вариантов расчетов суммарный водоприток на ш. им. Е. Т. Абакумова увеличивается с течением времени и стабилизируется на определенной величине. Эта величина существенно уменьшается при повышении уровня водоотлива как для случая без дренажной выработки, так и для случая с дренажной выработкой.
Кривые, отвечающие равным значениям уровня водоотлива, независимо от наличия дренажной выработки, имеют одинаковое значение величин И. Попарное сравнение кривых с одинаковым уровнем водоотлива для ш. им. Е. Т. Абакумова позволяет сде-
лать такие же выводы, как и для зависимостей суммарных водо-притоков объекта исследований.
Приток на ш. им.Е.Т.Абакумова
Р
s о. с о ч о m
.0 I
I
«
m о о.
S
г с о
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
—♦— —•— —•— —♦— —«— —♦— —♦
-эк- —*— —ж— —ж— —ж
1 2 3 4 Шаг 5 и по вр 6 емени, 7 у.е. 8 9 10
— -Ряд1
■ Ряд2
Ряд3
—X- Ряд4
—ж- Ряд5
—•— Ряд6
ряд1 - для подземного водоотлива (к = 0); ряд2 - для погружного насоса при к = 80; ряд3 - для погружного насоса при к = 200;
ряд4 - для подземного водоотлива с дренажной выработкой (к = 0); ряд5 - для погружного насоса с дренажной выработкой при к = 80; рядб - для погружного насоса с дренажной выработкой при к = 200
Рис. 4 - Кривые водопритоков на ш. им. Е. Т. Абакумова при различных уровнях водоотлива с дренажной выработкой и без нее
На рисунке 5 приведены зависимости суммарного водопри-тока в стволы для различных уровней водоотлива. Для всех вариантов расчетов суммарный водопроток в стволы увеличивается по мере увеличения уровня водоотлива. Такая форма зависимости отвечает эмпирическим данным, наблюдаемым на практике, т. к. при повышении уровня водоотлива происходит и повышение уровня затопления горных выработок и соответственно увеличиваются градиенты давлений в депрессионных воронках, образующихся вокруг шахтных стволов. При этом характеристики изменения водопритоков при разных уровнях водоотлива в зависи-
мости от наличия дополнительной дренажной выработки имеют различную динамику.
ряд1 - для случая без дополнительной дренажной выработки; ряд2 - для случая с дополнительной дренажной выработки
Рис. 5 - Кривые, характеризующие изменение суммарного
водопритока в стволы, при разных уровнях водоотлива
Из приведенных на рисунке 6 зависимостей уровня затопления горных выработок ш. «Лидиевка» от производительности водоотлива следует, что уровень затопления заметно уменьшается по мере увеличения производительности водоотлива. Характер полученных зависимостей несколько неожиданный, т.к. все расчетные точки как для случая с дополнительной выработкой, так и без нее определяются строго в пределах одной линейной зависимости. Этот факт нуждается в дальнейшей проработке и соответствующей интерпретации. Такая нетривиальная форма зависимости для случаев без дополнительной дренажной выработки и с ней позволяет предположить, что полученная закономерность имеет некий фундаментальный характер с точки зрения интегральных энергетических оценок [10]. Учитывая это, можно сказать, что при полностью отключенном водоотливе уровень затоп-
ления горных выработок ш. «Лидиевка» будет одинаковым вне зависимости от проведения дополнительной дренажной выработки. Кроме того, при дальнейшем увеличении производительности водоотлива и сколь угодно большим увеличением количества дренажных выработок нам не удастся добиться понижения уровня затопления горных выработок ш. «Лидиевка» ниже определенной величины.
Изменение уровня затопления в зависимости от производительности водоотлива
Производительность водоотлива
-♦— Ряд 1 Ряд 2
ряд1 - для случая без дополнительной дренажной выработки; ряд2 - для случая с дополнительной дренажной выработки
Рис. 6 - Зависимость уровня затопления горных выработок ш. «Лидиевка» от производительности водоотлива
На рисунках 7 и 8 приведены графики, характеризующие изменение эффективности дренажных мероприятий в зависимости от изменения уровня водоотлива. Эффективность определяется по изменению расхода в процентах для каждого уровня водоотлива для случая с дополнительной дренажной выработкой.
Изменение эффективности дренажных мероприятий
Уровень водоотлива,м
Рис. 7 - Эффективность влияния дренажных мероприятий при разных уровнях водоотлива
Изменение эффективности дренажных мероприятий
Уровень водоотлива ,м
Рис. 8 - Эффективность влияния дренажных мероприятий на суммарные притоки в стволы при разных уровнях водоотлива
Заключение. Из полученных результатов можно сделать основной вывод, что все полученные закономерности не противоречат фундаментальным представлениям о процессах подземной гидросферы [11]. При этом изменения параметров процессов подземной гидродинамики при выполнении дополнительных
дренажных мероприятий и при изменении уровня водоотлива в интервале от нижней границы ведения горных работ (к = 0) до отметки 200 м, отсчитываемых от нижней границы ведения горных работ (к = 200) характеризуются следующим:
- эффективность влияния дренажных мероприятий на снижение уровня затопления горных выработок при увеличении уровнях водоотлива от 0 м до 200 м снижается с 25 % до 5 %;
- эффективность влияния дренажных мероприятий на снижение общих притоков в горные выработки при увеличении уровня водоотлива от 0 м до 200 м снижается с 15 % до 4 %;
- эффективность влияния дренажных мероприятий на производительность водоотлива при разных его уровнях практически не меняется и составляет примерно 15 %;
- эффективность влияния дренажных мероприятий на суммарные притоки в стволы при увеличении уровня водоотлива от 0 м до 200 м снижается с 25 % до 5 %.
Полученные закономерности могут быть использованы для оценки совместного влияния дополнительных дренажных мероприятий и изменения уровня водоотлива на интенсивность процессов подземной гидродинамики на шахтах выделенного гидрогеологического объекта. Математическая модель и программное обеспечение на его основе является мощным инструментом для решения подобных задач на других объектах исследований.
Исследования выполнены в рамках научной темы БЯ8Я-2024-0001 «Изучение геомеханических и геофильтрационных процессов в подработанных обводненных массивах».
ЛИТЕРАТУРА
1. Норватов, Ю. А. Изучение и прогноз техногенного режима подземных вод. - Л.: «Недра», 1988. - 260 с.
2. Петухова, И. М. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов / И. М. Петухов, А. М. Линьков, В. С. Сидороов. - М.: Недра, 1992. - 256 с.
3. Лукнер, Л. Моделирование геофильтрации / Л. Лукнер, В. М. Шестаков. - М.: Недра,1976. - 404 с.
4. Петухов, И. М. Защитные пласты / И. М. Петухов,
A. М. Линьков, И. А. Фельдман. - М.: Недра, 1972. - 424 с.
5. Петухов, И. М. Теория защитных пластов / И. М. Петухов, А. М. Линьков, В. С. Сидороов. - М.: Недра, 1974.
- 214 с.
6. Ходырев, Е. Д. Оценка интенсивности процессов массо-переноса в зонах существенных фильтрационных неоднородно-стей / Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов // ТРУДЫ РАНИМИ. - Донецк, 2023. - № 22-23. - С. 22 - 32.
7. Дрибан, В. А. Трансформация геологической среды в угледобывающих регионах / В. А. Дрибан, Н. А. Дуброва // Материалы научной конференции «Экологические аспекты горного и перерабатывающего производства: материалы VII науч.-техн. конф». - Москва: ВНИПИпромтехнологии, 2022. - С. 102 - 112.
8. Ходырев, Е. Д. Моделирование изменения условий водоотлива группы гидравлически связанных шахт / Е. Д. Ходырев,
B. В. Трофимов // ТРУДЫ РАНИМИ. - Донецк, 2023. - № 22-23.
- С. 55 - 67.
9. Ходырев, Е. Д. Исследование процессов подземной гидродинамики при осуществлении дополнительных дренажных ме-роприиятий / Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов, Н. С. Федосова // ТРУДЫ РАНИМИ. - Донецк, 2023. - № 22-23. - С. 90 - 97.
10. Ревва В. Н. Эффективная поверхностная энергия - интегральная характеристика трещиностойкости горных пород / В. Н. Ревва, В. В. Васютина // ТРУДЫ РАНИМИ. - Донецк, 2022.
- № 18-19 (33-34). - С. 30 - 37.
11. Веригин, Н. Н. Справочное руководство гидрогеолога / Н. Н. Веригин, В. М. Максимов, В. Д. Бабушкин - Л.: «Недра», 1967. - Т. 1. - 590 с.
Ходырев Евгений Дмитриевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела проблем геомеханики обводненных горных массивов, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Трофимов Виктор Валериевич, кандидат технических наук, заведующий отделом компьютерных технологий, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
MODELING OF ACTIVE METHODS OF INFLUENCING CHANGES IN MINE FLOODING CONDITIONS
The results of modeling changes in the technogenic regime of groundwater in connection with the shutdown of drainage and additional drainage work through the barrier are presented at the selected research object.
Keywords: drainage, mathematical modeling, drainage measures, barrier, underground hydrodynamics.
Khodyrev Evgeny Dmitrievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Leading Researcher of the Department of Geomechanics of Watered Mountain Massifs, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Trofimov Viktor Valerievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Head of the Computer Technology Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
