CC BY
0УДК 550.8.013
Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ УСЛОВИЙ ВОДООТЛИВА ГРУППЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИ СВЯЗАННЫХ ШАХТ
На основе математического моделирования выполнен прогноз изменения гидрогеологической ситуации гидравлически связанных шахт при изменении условий водоотлива.
Ключевые слова: математическое моделирование, барьерный целик, водоотлив, гидравлически связанные шахты.
Введение. Как правило, один гидрогеологический объект включает в себя целую группу гидравлически связанных закрывающихся и действующих шахт. Изменение гидрогеологической ситуации на одной из шахт имеет большое значение для всего объекта в целом, поэтому прогноз изменений техногенного режима подземных вод имеет региональный характер и является весьма актуальной задачей.
Поддержание подземного водоотлива на отработанных шахтах является весьма дорогостоящим мероприятием. Но в некоторых случаях оно необходимо из соображений экологии и безопасности. Отключение такого водоотлива может привести к неконтролируемому затоплению отработанной шахты и к необратимым и катастрофическим последствиям на соседних действующих угольных предприятиях. Причем даже пробное временное отключении водоотлива чревато неконтролируемым развитием событий и возобновление работы подземного водоотлива после затопления даже части выработанного пространства становится весьма проблематичной задачей. Поэтому частичное или полное отключение подземного водоотлива на одном или другом предприятии возможно проводить только в режиме моделирования. В результате такого подхода появляется возможность изучения всех особенностей процессов подземной гидросферы, возникаю-
щих при отключении общешахтного подземного водоотлива. Эти выявленные особенности позволят в свою очередь принимать обоснованные решения по прогнозу и минимизации негативных последствий затопления. Как уже говорилось, такой прогноз может быть выполнен только путем моделирования развития гидрогеологической ситуации на всех гидравлически связанных объектах. При этом моделирование возможно лишь при условии тщательной схематизации всех гидрогеологических процессов и построении математической региональной расчетной схемы, позволяющей приступить к обоснованному прогнозу рассматриваемых явлений. При этом на первое место встает задача о первоначальной калибровке построенной математической модели, которая соответствует текущему состоянию объекта.
Объект исследований. В качестве объекта для изучения и прогноза изменений техногенного режима подземных вод при его инверсии выбрана группа шахт ПО «ДУЭК»: «Куйбышевская», «Лидиевка», им. Е. Т. Абакумова и им. А. А. Скочинского. Все эти шахты гидравлически связаны между собой и могут считаться единым гидрогеологическим объектом. На момент исследования выделенный объект находится в равновесном (стабильном) состоянии и характеризуется известными параметрами водного баланса. Эти базовые параметры являются определяющими величинами для калибровки создаваемой математической модели.
Стационарное (эталонное) состояние обеспечивается за счет работы водоотливов на шахтах «Лидиевка», им. Е. Т. Абакумова и им. А. А. Скочинского, т.е. суммарно эти водоотливы откачивают ровно столько воды, сколько ее поступает из внешних источников.
Результаты исследований. При построении модели выполнена количественная оценка фильтрационной неоднородности шахтного поля в соответствии с разработанной методикой [1-3]. Далее формализованы гидравлические связи ш. «Лидиевка», заключающиеся в наличии пересекающихся горных работ с ш. «Куйбышевская» на гор.
-360 м по пласту к8, наличии водоспускной выработки на ш. им. Е. Т. Абакумова и стволов ш. им. А. А. Скочинского,
пройденных без гидроизоляции через выработанное пространство пласта к8 ш. «Лидиевка».
В итоге рассчитано конечное (рис. 1) поле распределения пьезометрических напоров, соответствующего состоянию объекта в настоящее время и отвечающего поведению модели в асимптотическом режиме. 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.
Результаты моделирования, показанные на рисунке 1, должны отвечать текущему стабильному состоянию выбранного гидрогеологического комплекса шахт. В качестве калибровочных установок обычно используются известные данные о водоприто-ках, зафиксированные на данный момент времени. При этом, как правило, важны не сами абсолютные значения водопритоков, а их пропорциональные соотношения.
На рисунке 2 показаны изменения динамики водопритоков, полученные при моделировании. Из рисунков следует, что модель является сбалансированной и с течением времени она стабилизируется, а ее параметры, полученные в асимптотическом режиме, соответствуют основным калибровочным установкам.
Полученные установившиеся значения водопритоков использованы в качестве основных критериев подобия модели.
Детальная калибровка модели обеспечивается выбором параметров источников и стоков пропорционально существующим известным значениям. Масштаб соответствия этих параметров является признаком подобия математической модели, а эталонным критерием ее адекватности в данном случае является полученное (см. рис. 1) квазистационарное распределение пьезометрических напоров поля ш. «Лидиевка», которое отвечает реальным значениям величин.
Согласно рисункам 1 - 2 при моделировании получены результаты, с точностью отвечающие параметрам существующего стационарного состояния гидрогеологического комплекса шахт «Куйбышевская», «Лидиевка», им. Е. Т. Абакумова и им. А. А. Скочинского - уровни затопления не превышают критических отметок Нтах < 0,24 и выдержан 15 % баланс стоков на ш. «Лидиевка». Эти параметры были приняты в качестве калибровочных установок.
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Рис. 1 - Квазистационарное распределение пьезометрических напоров поля ш. «Лидиевка» при наличии водоотлива и специальной водоспускной выработки на ш. им. Е. Т. Абакумова
Баланс водопритоков
1,2
123456789 10
Шаг повремени, у.е.
ряд 1 - общешахтный водопроток; ряд 2 - суммарный объем воды, перекачиваемый водоотливом и специальной выработкой
Рис. 2 - Изменение динамики водопритоков
Исходя из этого, следует, что откалиброванная таким образом математическая модель может быть использована для качественного прогноза изменения гидрогеологического состояния комплекса шахт «Куйбышевская», «Лидиевка», им. Е. Т. Абакумова и им. А. А. Скочинского при любых нарушениях его стационарного состояния, в том числе и при отключении водоотлива на ш. «Лидиевка».
Процедура отключения водоотлива заключается в изменении граничных условий в основной модели. Она заключается в замене нерасчетной точки (точки расположения водоотлива) с координатами х = 60; у = 10 и заданным уровнем Н = const, на обычную расчетную точку. Очевидно, что при отключении водоотлива начнется рост уровня затопления (относительно стабильного уровня, достигнутого на данный момент) горных выработок по всем пластам ш. «Лидиевка». При этом нижняя группа стволов - восточный воздухоподающий ствол и сдвоенные западные стволы ш. им. А. А. Скочинского, попадают в зону затопления.
Следует отметить, что течение при затоплении горных выработок имеет плоско-параллельный характер, а при затоплении стволов - радиальный. Вследствие этого, за счет искривлений линий тока возникает неравенство фильтрационных сопротивлений двух типов потоков. Для компенсации возникающего неравенства в центральных точках радиального потока (стволах) требуется изменение граничных условий в сторону увеличения фильтрационных сопротивлений для радиального потока на величину [4]:
/ » Т/ \
, (1)
R = ln
2namKf
AXS
rs У
где Я - дополнительное сопротивление, подключаемое к узлам расчетной сетки, соответствующим местоположениям скважин (стволов), которое компенсирует неравенство фильтрационных сопротивлений радиального и плоско-параллельного потоков в пределах расчетного блока; } - вязкость воды; т - мощность пласта, м;
- радиус скважины м; ЛХ8 - средний размер блока, прилегающего к скважине, м; а- масштабирующий множитель.
Стволы ш. им. А. А. Скочинского в расчетной схеме имеют следующие координаты: восточный воздухоподающий ствол - х = 40; у =20; сдвоенные западные стволы - х = 70; у = 20, для сдвоенного ствола - г2 = 2т8.
Таким образом, скорректированная в соответствии с указанными положениями и с учетом начальных условий (см. рис. 1) инкрементальная математическая модель является теоретически обоснованной отправной точкой для прогноза состояния гидрогеологического комплекса шахт «Куйбышевская», «Лидиевка», им. Е. Т. Абакумова и им. А. А. Скочинского при отключении водоотлива на ш. «Лидиевка».
При моделировании было учтено, что вся группа стволов ш. им. А. А Скочинского была пройдена без специальных мер гидрозащиты или мер по укреплению выработанного простран-
ства пласта к8. Кроме того, наиболее неблагополучный вариант прогноза определит степень риска всего комплекса мероприятий по отключению водоотлива на ш. «Лидиевка» и вероятность возникновения аварийной ситуации на ш. им. А. А. Скочинского.
При отключении водоотлива, как уже упоминалось, расчетная точка модели, отвечающая местоположению водоотлива, переводится из разряда граничных точек с условиями первого рода в разряд обычных расчетных точек пространственно-временного континуума. Изменение параметров процесса затопления выработанного пространства пласта к8 ш. «Лидиевка» предопределяет режим перетекания воды по гидросвязям ш. «Куйбышевская» и ш. «Лидиевка», а также перетекания в специальную водоспускную выработку, пройденную на ш. им. Е. Т. Абакумова и в стволы ш. им. А. А. Скочинского.
На рисунке 3 представлены результаты моделирования изменения параметров процессов подземной гидродинамики, при отключении водоотлива на ш. «Лидиевка» при неизменном уровне водоотлива на ш. им. Е. Т. Абакумова. При повышении уровня затопления ш. «Лидиевка» существенно активизируются все виды выявленных гидравлических связей этой шахты с соседними шахтами выделенного объекта. На поле шахты по мере ее затопления формируются три зоны депрессии. В левом нижнем углу рисунка депрессия обусловлена сбойкой с горными работами ш. им. Е. Т. Абакумов. В центре видны отчетливые де-прессионные воронки, образующиеся вокруг пересекающих выработанное пространство ш. «Лидиевка» стволов ш. им. А. А. Скочинского, которые пройдены без гидроизоляции.
На рисунках 4 - 5 показано изменение основных характеристик гидрогеологического комплекса шахт «Куйбышевская», «Лидиевка», им. Е. Т. Абакумова и им. А. А. Скочинского при отключении водоотлива на ш. «Лидиевка».
Величины водопритока измеряются в долях от существующего водопритока в шахту в момент времени отключения водоотлива. Важно отметить, что первоначальное значение водопри-тока после отключения водоотлива согласуется с последним установившимся его значением перед отключением водоотлива
(см. рис. 1), что подтверждает соблюдение принципа инкремен-тальности модели.
Рис. 3 - Квазистационарное распределение пьзометрических напоров в выработанном пространстве пл. к8 ш. «Лидиевка» в новом равновесном состоянии
Величина общешахтного водопритока является одной из важнейших калибровочных установок модели и, как видно из рисунка 4, эта величина после отключения водоотлива в силу поднятия общего уровня затопления уменьшается примерно на 10 %. На рисунке 5 показано изменение водопритока в стволы ш. им. А. А. Скочинского при затоплении выработанного пространства пласта к8 ш. «Лидиевка» после отключения водоотлива. При этом следует учитывать, что рассматривается самый неблагоприятный вариант, когда крепь стволов оказывает минимальное дополнительное сопротивление фильтрационному потоку.
Рис. 4 - Изменение общешахтного водопритока на ш. «Лидиевка» при отключении водоотлива
Водоприток в стволы
о 0,025 п
1 23456789 10
Шаг по времени, у.е.
ряд 1 - водопроток в восточный воздухоподающий ствол; ряд 2 - водопроток в сдвоенные западные стволы
Рис. 5 - Изменение водопритока в стволы ш. им. А. А. Скочинского
Как видно из рисунков 4-5 водопритоки в стволы, как и общешахтный поток, достаточно быстро стабилизируются.
На рисунке 6 показано изменение во времени расхода воды в специальной водопонижающей выработке, пройденной на ш. им. Е. Т. Абакумова для дренирования затопленных горных выработок пласта к8 на ш. «Лидиевка».
Переток воды по специальной выработке
Шаг по времени. у.е.
-»-Ряд1
Рис. 6 - Изменение количества перетекающей воды из ш. «Лидиевка» на ш. им. Е. Т. Абакумова
Согласно рисунку 6 водоприток по специальной выработке увеличивается примерно на 20 %. Это происходит за счет повышения общего уровня затопления горных выработок ш. «Лидиевка» при отключении водоотлива и увеличения градиента давлений.
На рисунке 7 показан общий баланс водопритоков на ш. «Лидиевка». Общий баланс водопритоков с течением времени, как и все остальные параметры потока, стабилизируется в новом равновесном состоянии. Количество поступающей воды становится равным суммарному количеству воды, перетекающей по специальной водоспускной выработке на ш. им. Е. Т. Абакумова и перетекающей в стволы ш. им. А. А. Скочинского.
Выводы. В ходе математического моделирования процессов подземной гидродинамики были получены результаты, которые могут рассматриваться как научно обоснованный прогноз изменений основных характеристик гидрогеологического комплекса шахт «Куйбышевская», «Лидиевка», им. Е. Т. Абакумова и им. А. А. Скочинского» при отключении водоотлива на ш. «Лидиевка». Суммарный водопроток к группе стволов в самом неблагоприятном случае не будет превышать 25 % от вновь установившегося общешахтного водопритока, что с учетом исходных калибровочных установок составит не более 70 м3/ч. Этот наименее благоприятный вариант прогноза не учитывает тот факт, что крепь стволов скорее всего может оказывать какое-либо допол-
нительное фильтрационное сопротивление потоку. На практике такой вариант прогноза отвечает случаю полностью разрушенной крепи, что маловероятно, т.к. крепь имеет определенный запас прочности.
ряд 1 - общешахтный водопроток; ряд 2 - суммарный переток воды из
ш. «Лидиевка»
Рис. 7 - Баланс водопритоков на ш. «Лидиевка»
Полученные в результате моделирования изменения гидрогеологической ситуации не являются катастрофическими для действующей ш. им. А. А. Скочинского и могут быть использованы для заблаговременного приведения мощности действующего на этой шахте водоотлива в соответствие с расчетными значениями прогноза.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700021-4-2.7.1;2.7.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Ходырев, Е. Д. Особенности изучения процессов подземной гидродинамики при закрытии угольных предприятий / Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов, М. В. Гордиенко // ТРУДЫ
РАНИМИ: сб. научн. трудов. - Донецк, 2020. - № 10-11 (25-26). -С. 55 - 63.
2. Ходырев, Е. Д. Особенности формирования техногенных коллекторов в зонах влияния барьерных целиков / Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов // ТРУДЫ РАНИМИ. - Донецк, 2023. - № 20-21 (35-36). - С. 147 - 155.
3. Ходырев, Е. Д. Кусочно-линейная аппроксимация зон с повышенной фильтрационной неоднородностью / Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов, М. В. Гордиенко // ТРУДЫ РАНИМИ. - Донецк, 2023. - № 20-21 (35-36). - С. 156 - 161.
4. Лукнер, Л. Моделирование геофильтрации / Л. Лукнер, В. М. Шестаков. - М.: Недра,1976. - 404 с.
Ходырев Евгений Дмитриевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, hodyrev_ed@mail.ru.
Трофимов Виктор Валериевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела компьютерных технологий, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, victor.trofymov@ranimi.org.
SIMULATION OF CHANGES IN THE CONDITIONS OF DEWATERING OF A GROUP OF HYDRAULICALLY CONNECTED MINES
The forecast of changes in the hydrogeological situation of hydraulically connected mines was made on the basis of mathematical modeling when drainage conditions change.
Keywords: mathematical modeling, barrier pillar, drainage, hydraulically connected shafts.
Khodyrev Evgeny Dmitrievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Leading Researcher of Hydrogeomechanical Survey and Protection of Subsurface Resources Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, hodyrev_ed@mail.ru.
Trofimov Viktor Valerievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Leading Researcher of the Department of Computer Technologies, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, victor.trofymov@ranimi.org.
