CC BY
75
УДК 622.51:622.817.4
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАТОПЛЕНИЯ ШАХТЫ № 2 «НОВОГРОДОВСКАЯ»
C УЧЕТОМ ДАЛЬНЕЙШЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЕЕ ТЕПЛОВОГО РЕСУРСА
Садовенко И. А., Инкин А. В., Рудаков Д. В., Хрипливец Ю. В.
На основе анализа горнотехнических условий разработки и геолого-гидрогеологических особенностей затопленной шахты № 2 «Новогродовская» в программном комплексе «MODLOW v. 4.5» создана численная модель, отражающая процессы геофильтрации на ее территории. По результатам решения обратной задачи доказана корректность разработанной модели, а также оценен емкостной ресурс шахты, заключенный в шахтных водах и остаточных запасах угля. Моделирование динамики подъема уровня воды в системе затапливаемых горных выработок позволило установить распределение уровня подземных вод в пределах шахтного поля до и после прекращения водоотлива. Ключевые слова: шахта; затопление; подземные воды; остаточные запасы угля; тепловой ресурс.
Шахта № 2 «Новогродовская», расположенная в южной части Красноармейского углепромышленного района Донбасса (рис. 1), была сдана в эксплуатацию в 1951 году и за период работы отрабатывала пласты к и L. Площадь шахтного поля составила 18 км2 при абсолютной отметке максимальной глубины введения очистных работ -370,3 м и устьев стволов + 205 м. Верхняя граница отработки угольных пластов имеет отметку + 120 м, выше которой до отметки местного базиса разгрузки подземных вод в долине р. Соленой (+ 155 м) горные породы в основном заполнены водой [1]. С юга к шахте № 2 «Новогродовская» примыкает закрытая шахта им. Коротченко, а с севера и востока - действующие шахты № 1-3 «Новогродовская» и «Россия».
Приказом Министерства угольной промышленности Украины № 237 от 24.05.2001 г. шахта № 2 «Новогродов-ская» была закрыта с поддержанием уровня затопления водоотливным режимом. В непосредственной близости от шахты расположен город Новогродовка (с населением 15 тыс. человек), который после закрытия шахты стал ощущать острую нехватку тепловой энергии, благодаря чему промышленные и гражданские здания в холодное время года остались без отопления и горячего водоснабжения. Мировой научно-практический опыт (Германия, Франция, Англия) показывает
возможность рентабельного использования низкопотенциального тепла воды затопленных шахт для обогрева одно-двух-этажных зданий [2]. При этом подогрев шахтных вод до состояния приемлемого для теплоснабжения сооружений (60-70 °С) осуществляется с помощью тепловых насосов, требующих больших капитальных затрат на установку и обслуживание. Вместе с тем повышение температуры воды до необходимых показателей может быть достигнуто непосредственно на ликвидированной шахте путем ввода в эксплуатацию теплоэнергетического модуля, основанного на подземном сжигании оставшихся запасов угля для повышения температурного режима теплоносителей. Работа такого модуля сопряжена с периодическим отбором и закачкой воды из затопленных горных выработок и требует прогноза изменения гидродинамического режима на территории шахтного поля. Целью данной работы является анализ горно-геологических условий и создание гидрогеологической модели затопленной шахты № 2 «Новогродовская» для оценки и обоснования возможности разработки ее теплового ресурса с помощью теплоэнергетического модуля.
Материал и результаты исследований. В геолого-структурном отношении поле шахты № 2 «Новогродовская» расположено в пределах юго-западного крыла Кальмиус-Торецкой котловины и
№ 1(33), 2014
29
приурочено к лежачему крылу крупного палеоген-неогеновыми песками и чет-регионального тектонического наруше- вертичными суглинками (рис. 2). Свита ния - Селидовского надвига. В строении С25 в нижней части содержит большое участка присутствуют отложения свит количество песчаников и незначительное среднего карбона С26 и С25, перекрытые количество углей [3]. В средней части
Участки и площади:
для создания новых шахт
для промышленного освоения
детально разведанные предварительно разведанные
с завершенными поисковыми работами
с прогнозными ресурсами
с непромышленной угленосностью
шахтные стволы
а
б;
а)
б)
а)
б)
ТЭС
надвиги
сбросы
пласты известняков и их индексы
Рис. 1. Геолого-промышленная карта района расположения шахты № 2 «Новогродовская»
(масштаб 1: 300000)
сосредоточены угольные пласты и прослои изменчивой мощности. Из пластов свиты, пригодных для промышленного освоения шахтой № 2 «Новогродовская», до отметки -370,3 м отрабатывался угольный пласт к при средних водопритоках в горные выработки 100-120 м3/час и частых прорывах воды из вышележащих песчаников и известняков Такой характер поступления подземных вод обусловлен наличием в кровле пласта к8 мощных водоносных горизонтов приуроченных к за-карстованному известняку Ь и песчаникам /j и /j sl3. Со стороны почвы, в об-
воднении пласта участвовали песчаники
к75 и к8н, удаленные от пласта на 5-10 м.
Пласт к8 (Аршинный) устойчивый, имеет простое строение и среднюю мощность 0,6-0,7 м. Угли пласта в основном гумусово-сапропелевые, являются клареновыми или близкими к ним. По характеру остудневания гелифицированных компонентов они относятся к третьему генетическому типу, отличающемуся высокой сернистостью. Балансовые запасы углей пласта к8 на территории шахты № 2 «Новогродовская» в 1995 г. были оценены в количестве 988 тыс. т, а промышленные - 841 тыс. т. Таким образом, в результате потерь, вызванных горнотехническими
30
Известия Уральского государственного горного университета
условиями разработки месторождения, в недрах оставлено более 140 тыс. т угля. Кроме того, по данным ОАО «Донбассге-ология» в пределах шахтного поля в свите С25 содержится около 120 тыс. т забалансовых запасов углей, сосредоточенных в некондиционных и маломощных пластах к75 и к8н
Свита С26 в границах поля шахты № 2 «Новогродовская» является наиболее угленасыщенной и содержит семь угольных пластов и пропластков, из которых промышленной разработке подвергался только пласт ll «Шестичетвертовый» (рис.
2). Необходимо отметить, что водонасыщенный песчаник ll sl3, залегающий непосредственно в пластеl обусловливает значительный водоприток (200-250 м3/ час) в горные выработки. Балансовые запасы угля оцениваются в 17355 тыс. т, а промышленные - в 12644 тыс. т, что соответствует потерям в размере 4711 тыс. т. Забалансовые запасы свиты С26, в основном сосредоточенные в пластах l и l оцениваются в 3215 тыс. т. Учет потерь и забалансовых запасов позволяет сделать вывод, что на сегодняшний день в пределах затопленной шахты № 2 «Новогродовская» сосредоточено более 8 млн т углей, свойства и состав которых приведены в табл. 1.
Анализ данных табл. 1 показывает, что влажность углей района шахты по пластовым пробам изменяется в широких пределах - от 1,1 до 10,2 %, составляя в среднем
3-5 %. Выход летучих соединений также весьма разнообразен, при среднем значении 39 % этот показатель варьирует от 33 до 46 %. Удельная теплота сгорания углей изменяется незначительно, и в среднем равняется 32 МДж/кг. Содержание серы колеблется от 2,5 до 3,5 % (3 группа по сернистости). Необходимо отметить, что по своим физико-химическим характеристикам все угли свит С26 и С25 пригодны для разработки способом подземного сжигания [4].
Рис. 2. Стратиграфическая колонка поля шахты № 2 «Новогродовская»
№ 1(33), 2014
31
Рассматриваемая территория имеет с Селидовским надвигом и его многочи-сложное тектоническое строение, что об- сленными апофизами. Надвиг характери-условлено наличием мощных зон текто- зуется вертикальной амплитудой смеще-нического дробления пород, связанных ния 260-460 м и углом падения плоскости
Таблица 1
Свойства и марочный состав углей на территории поля шахты № 2 «Новогродовская»
Индекс пласта W, % V, % 2бг, МДж/кг Генетический тип Марка угля
1,3-3,2 34-40 32,81-35,01 в Г
l, 5-10,2 40-44 31,12-32,51 б Д
К75 1,5-2,5 38-46 33,10-33,53 в Г
l4 1,1-2,4 33-39 33,70-33,86 б Г
сместителя 23-30°. Зона надвига отличается высокой анизотропией по проницаемости, а его зона дробления мощностью 9,6-81,9 м представлена перемятыми песчаными и глинистыми сланцами, образовавшимися в условиях сжимающих напряжений в направлении, перпендикулярном плоскости сместителя, может рассматриваться как слабопроницаемый раздельный слой. В лежачем крыле надвига в пределах шахты № 2 «Новогродовская» получили развитие Новогродов-ский сброс, являющийся северной границей шахтного поля, и Гродовский южный
А
сброс, вскрываемый выработками пласта l1 и южным коренным штреком по пласту к При приближении горных работ к отмеченным тектоническим нарушениям водоприток в очистные выработки в среднем увеличивался на 10-15 м3/час. При этом дебиты прорывов подземных вод, обусловленных влиянием сбросов, достигали 50-100 м3/час и носили кратковременный характер.
На рис. 3 во временном разрезе приведены выполненные и планируемые стадии использования ресурсов шахты № 2 «Новогродовская».
Этапы I 1 1 II 1 1 1 1 1 III 1 1 1 1 1 1 IV 1 1 1
О О 9.1951 1 01.06.2001 1 15.10.2006 1 01.06.2014
Даты
Рис. 3. Реализованные и планируемые этапы работы шахты
Первый этап соответствует периоду работы шахты и добычи угля, а второй - ее закрытию с действующим водоотливом и поддержанием уровня подземных вод на отметке -157 м в северном крыле шахты. Следующий этап отвечает завершению водоотливного режима и затоплению горных выработок до отметки +113,3 м (по состоянию на 15.04.2012 г.). На протяжении этого периода АО «Дне-прогипрошахт» проводились наблюдения за темпом затопления шахты, которые позволили получить данные для решения обратной геофильтрационной задачи в
пределах шахтного поля. Ввод в эксплуатацию гидрогеотермального модуля с целью разработки остаточных тепловых ресурсов затопленной шахты для теплоснабжения г. Новогродовка предполагается на четвертом этапе.
В орогидрографическом отношении поле шахты № 2 «Новогродовская» представляет собой слабоволнистое водораздельное плато, абсолютные отметки которого плавно уменьшаются от +213 м на юго-востоке до +190 м - на северо-западе. Его границами являются: на севере - Но-вогродовский сброс, на западе - выходы
32
Известия Уральского государственного горного университета
пласта к под палеоген-неогеновые отложения, на востоке - изогипса пласта к8 -350 м. В пределах шахтного поля промышленными являются два угольных пласта, залегающие под гидравлически связанными водоносными горизонтами на расстоянии 25-30 м друг от друга, представленными известняком L мощностью до 5 м и песчаниками Llsll и llsl3 со средней мощностью 15 и 20 м соответственно. Верхнее расположение пласта l1, отрабатываемого до пласта к8, обусловило первоначальное поступление водопритоков в вышерасположенные горные выработки. Такой характер залегания угольных пластов формировал водопритоки в каждую из рассматриваемых угольных пачек, что и определяет следующий подход к геофильтрационной схематизации шахтного поля.
Модель отображает два промышленных пласта, разделяющий слой между ними, а также кровлю пласта l1 и подошву пласта к В результате модель шахты № 2 «Новогродовская» площадью 20 км2 (4000 х 5000 м), созданная в лицензионном программном комплексе «MODLOW v. 4.5» (Schlumberger Water Services, Канада) содержит пять пластов с углами падения, соответствующими их горно-геологическим условиям. Мощности продуктивных толщ на модели принимались в соответствии с зависимостью проницаемости подработанного породного массива от кратности его подработки (в среднем 10-40 мощностей угольного пласта).
Для задания внешних границ моделируемой области использовались рекомендации, приведенные в работах [5, 6], согласно которым тектоническое нарушение (Новогродовский сброс на севере шахтного поля) является экраном на пути движения подземных вод. Это определяет необходимость задания на участке сброса непроницаемой в гидродинамическом отношении границы. На юго-западе и юго-востоке, где угольные пласты имеют непосредственную гидравлическую связь с обводненными палеоген-неогено-выми отложениями, необходимо задание граничного условия третьего рода, отражающего взаимосвязь величины расхода
потока подземных вод палеоген-неогено-вого горизонта в продуктивную толщу с разностью гидродинамических напоров в них. При этом сопротивление, обусловливающее взаимосвязь расходов и разности напоров на выходах угольных пластов, определяется по суммарной величине проводимости пластов и палеоген-неогеновых отложений, пересчитанной в соответствии с размерами расчетных блоков (рис. 4).
Внутренними границами в модели шахты № 2 «Новогродовская» являются очистные выработки, отображаемые граничными условиями первого рода с величиной гидродинамического напора, равной абсолютной отметке почвы угольных пластов. Положение этих границ на модели определялось путем построения плана горных выработок в программной среде AutoCAD и переноса контуров выемочных участков на моделируемые слои. При моделировании работы шахты после отключения водоотлива внутренние граничные условия не задавались.
Исходя из существующих теоретических представлений [7] о проницаемости отработанного породного массива, величина пористости и коэффициента фильтрации в пределах моделируемых горных выработок была задана увеличенной в среднем в 7-10 раз по сравнению с зонами вне ведения горных работ. Шаг дискретизации модели по пространству составил 100 х 100 м (всего 2000 блоков), что позволило достаточно точно учесть конфигурацию выработок в пределах отрабатываемых пластов в масштабе шахты, при этом шаг по времени не превышал 20 сут. Инфильтрация атмосферных осадков в верхнем слое модели задавалась величиной 25 % от их среднегодового количества в регионе (125 мм/год).
Для адекватного прогноза водопритоков в процессе затопления шахты на разрабатываемой модели было выполнено эпигнозное моделирование, цель которого состояла в корректировке гидродинамической роли внешних границ водоносных пластов и их фильтрационных свойств. При этом значения гидродинамических параметров водоносных пластов были характерны гидрогеологическим условиям
№ 1(33), 2014
33
шахты № 2 «Новогродовская». Основой работ и измерений шахтных водоприто-для вариации этих параметров послужи- ков, полученные ПГП «Артемовская гили результаты опытно-фильтрационных дрогеологическая партия» [1] во время
Абсолютная отметка, м
■ - 400
■ - 310
■ - 220
■ - 130 + 40
■ + 80 ■ + 200
а
б
Рис. 4. Трехмерное представление геометрии моделируемой области (а) и схематический разрез поля шахты № 2 «Новогродовская» (б)
первого этапа работы шахты.
Решение обратной (эпигнозной) задачи производилось в условиях нестационарного режима фильтрации, основным критерием правильности решения которой являлось сходство фактических и модельных величин затопления шахтного ствола (рис. 5). Результаты решения показывают, что на модели удалось практически полностью отразить динамику
подъема уровня воды в системе горных выработок на протяжении третьего этапа эксплуатации шахты. При этом абсолютная погрешность между фактическими и модельными данными уровней находится в пределах 3-11 м, а относительная погрешность не превышает 10 % (табл. 2). На рис. 6 показано модельное распределение уровня подземных вод на территории шахтного поля до и после прекращения
34
Известия Уральского государственного горного университета
водоотлива (по состоянию на 15.04.2012 точные положения на протяжении перио-
г., спустя 2000 сут), а также его промежу- да затопления.
Таблица 2
Погрешность определения динамики подъема уровня воды в системе горных выработок при затоплении шахты № 2 «Новогродовская» по результатам моделирования
Время с начала затопления, сут. Абсолютная отметка зеркала затопления, м
фактическая на модели погрешность, м погрешность, %
300 -120,5 -110,45 10,05 8,34
900 -1,15 -1,05 0,1 8,69
1200 25,4 22,9 2,5 9,84
1500 95,1 92,12 2,98 3,13
1800 110,8 99,85 10,95 9,88
2000 109,72 113,3 3,58 3,16
Анализ распределения уровня подземных вод показывает, что до отключения водоотлива воронка депрессии повторяет контуры зон отработки. Наибольшие понижения при-
урочены к зонам, где объем выработанного пространства больше. По мере затопления отмеченные закономерности сглаживаются, при этом подъем уровня подземных вод про-
Время, сут.
Объем, м3
Рис. 5. Динамика затопления выработанного пространства по пластам к8 и I шахты № 2 «Новогродовская»: 1, 2 - соответственно темп подъема уровня подземных вод по данным мониторинга и моделирования
исходит неравномерно, с замедлением в интервалах наибольшей концентрации горных выработок.
Разработанная геофильтрационная модель шахты № 2 «Новогродовская» адекватно отображает динамику затопления выработок с учетом специфики горно-геологических и гидрогеологических условий участка. С помощью предложенного подхода представляется возможным рассчитывать изменение уровенного режима и температуры подземных вод в различных горизонтах шахты при использовании ее для создания гидротермального модуля.
Итак, учет проектных потерь, обусловленных горно-техническими условиями разработки, и забалансовых запасов углей свит С26 и С25, позволил установить, что на сегодняшний день в пределах затопленной шахты № 2 «Новогродовская» находится более 8 млн т угля, сосредоточенного в некондиционных и маломощных пластах к75, к8н, I 15 и пригодного по своим физико-химическим характеристикам для разработки способом подземного сжигания.
Наличие в пределах шахтного поля двух промышленных пластов (к8 и I)
№ 1(33), 2014
35
000 00S Р
залегающих под гидравлически связанными водоносными горизонтами, определило подход к геофильтрационной схематизации шахтного поля. Разработанная конечно-разностная модель геофильтрации подработанной территории охватыва-
ет площадь 20 км2 и воспроизводит влияние отработанных горизонтов, а также разделяющего слоя между ними, кровли пласта lx и подошвы пласта к Результаты решения обратной задачи показали, что модель практически полностью ото-
Н, м
123
120
117
114
111
108
105
102
99
96
93
90
|87
Н, м
150
130
110
90
70
50
30
10
-10
-30
-50
-70
-90
-110
-130
а
б
Н, м
х, м
в
Рис. 6. Уровень подземных вод (Н, м) на шахтном поле до отключения водоотлива (а), спустя 2000 сут. после его прекращения (б) и в промежуточные моменты времени вдоль профиля А-А (в):
1-4 - соответственно спустя 100, 700, 1000 и 1500 сут. после остановки водоотлива
бражает динамику подъема уровня воды в системе затапливаемых горных выработок. Абсолютная погрешность между фактическими и модельными данными
положения уровней находится в пределах 3-11 м, а относительная погрешность не превышает 10 %. На основе разработанной модели геофильтрации было установ-
36
Известия Уральского государственного горного университета
лено распределение уровня подземных нения гидродинамического режима шах-вод на территории шахтного поля до и ты при использовании ее вод с помощью после прекращения водоотлива, а также теплоэнергетического модуля в качестве возможность выполнения прогноза изме- теплоносителя.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Заключение о результатах работы «Прогноз изменения эколого-гидрогеологических условий в границах горных отводов шахты № 2 «Новогродовская», которая ликвидируется, ликвидированной шахты «Селидовская» и шахты им. Д. С. Коротченко, которая подлежит ликвидации, а также смежных с ними действующих шахт: отчет Артемовской гидрогеологической партии / Н. А. Краснопольский. Артемовск. 2006. 130 с.
2. Wieber G. A Source of Geothermal Energy - Examples from the Rhenish Massif / G. Wieber, S. Pohl // Mine Water: In: Technical University of Ostrava Faculty of Mining and Geology, In: Proceedings of the 10th IMWA Congress - 2008. in Karlovy Vary, Check Republic, 113-116 p.
3. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР Т 1. Угольные бассейны и месторождения юга Европейской части СССР / Лагутина В. В. [и др.]. М.: Госгеолтехиздат, 1963. 1210 с.
4. Подземная газификация угольных пластов / Е. В. Крейнин [и др.]. М.: Недра, 1982. 151 с.
5. Садовенко И. А., Рудаков Д. В. Динамика фильтрационного массопереноса при ведении и свертывании горных работ. Днепропетровск: Национальный горный университет, 2010. 216 с.
6. Ермаков В. Н., Улицкий О. А., Спожакин А. И. Изменение гидродинамического режима шахт при затоплении // Уголь Украины. 1998. № 6. С. 11-13.
7. Садовенко И. А. Синтезирование численных моделей при решении задач управления геофильтрационным состоянием горного массива // Известия вузов. Геология и разведка. 1991. № 12. С. 19-22.
Поступила в редакцию 11 февраля 2014 г.
Садовенко Иван Александрович - доктор технических наук, профессор кафедры гидрогеологии и нженерной геологии. 49600, Украина, г. Днепропетровск, пр. Карла Маркса, 19, Национальный горный университет.
Инкин Александр Викторович - кандидат технических наук, доцент, докторант кафедры гидрогеологии и инженерной геологии. 49600, Украина, г. Днепропетровск, пр. Карла Маркса, 19, Национальный горный университет. E-mail: [email protected].
Рудаков Дмитрий Викторович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой гидрогеологии и инженерной геологии. 49600, Украина, г. Днепропетровск, пр. Карла Маркса, 19, Национальный горный университет.
Хрипливец Юлия Владимировна - аспирант кафедры гидрогеологии и инженерной геологии. 49600, Украина, г. Днепропетровск, пр. Карла Маркса, 19, Национальный горный университет.
№ 1(33), 2014
37
