CC BY
0УДК 622.512
П. Г. Артеменко, О. И. Краскова, А. Б. Ягмур, Н. А. Дроздова
О ПРОГНОЗИРОВАНИИ ВОДОПРИТОКОВ В ШАХТЫ ДОНБАССА
В статье проанализирована погрешность прогнозов при расчетах притоков воды в проектируемые горные выработки шахт с использованием известных эмпирических формул.
Ключевые слова: приток воды, эмпирическая формула, расчет, погрешность прогнозов.
Введение
Внедрение высокопроизводительной техники и прогрессивных технологий добычи угля предусматривает тщательное изучение и надежное прогнозирование горно-геологических условий отработки угольных месторождений.
Актуальными и значимыми в настоящее время являются вопросы прогнозирования гидрогеологической ситуации, которые решают следующие основные задачи: выбор рациональной технологии и выемки угольных пластов по фактору обводненности, определение объемов и времени затопления выработанного пространства подземными водами, выбор мер по предотвращению прорывов воды в горные выработки смежных шахт, восстановлению уровня подземных вод, а также по предотвращению последствий подтопления земной поверхности.
Точность прогнозирования ожидаемых водопритоков в проектируемые горные выработки всегда была важным и необходимым этапом планирования развития горных работ, так как значительное превышение фактических объемов поступающей воды над расчетными величинами могут, а иногда и приводят к аварийным ситуациям, и даже затоплению горных выработок шахт [1].
Целью статьи является обоснование применения эмпирических формул расчета при прогнозировании притоков воды при развитии горных работ на шахтах Донбасса.
Материалы и методы исследований
В процессе длительной, многолетней производственной деятельности на шахтах Донбасса применялись различные способы и методы для решения практических задач прогнозирования притоков воды при развитии горных работ.
Установленных требований к методам прогнозирования не существует до сих пор, статистических исследований по сравнению известных эмпирических зависимостей также не проводилось, поэтому выбор способа прогнозирования был произвольным.
Прогнозирование водопритоков может производиться методами: аналитическим, балансовым, гидравлическим, вероятностным, моделирования, гидрогеологических аналогий [2], [3]. Однако, наибольшее распространение получили известные эмпирические формулы, основанные на статистическом анализе водо-притоков за многолетний период наблюдений.
Одной из наиболее распространенных схем развития горных работ на шахтах Донбасса является извлечение запасов с увеличением глубины и общей площади отработки угольных пластов. При этом важное место отводится оценке ожидаемых притоков воды по разрабатываемым пластам. Зная заранее величину водо-притока по пласту и в целом по шахте, можно более обоснованно выбрать схему подготовки и систему разработки шахтного поля, определить нагрузку на очистной забой, мощности и схемы водоотлива.
Для расчетов общих прогнозных водопритоков в проектируемые выработки шахты каждого гидрогеологического района Донбасса, преимущественно применялись эмпирические формулы, основанные на статистическом анализе водопритоков за многолетний период наблюдений при увеличении площади и глубины ведения горных работ [4] - [7].
Обычно, подобные расчеты приводились в отчетах по до-разведке шахтных полей и заключениях геологоразведочными
экспедициями, а также другими специализированными организациями.
В данной статье использованы данные о фактических и прогнозных притоках воды по разрабатываемым пластам на шахтах Донецко-Макеевского и Торезско-Снежнянского районов, которые применялись для составления гидрогеологических прогнозов при развитии горных работ, а также при затоплении горных выработок [8] - [10].
Аналитический метод с применением известных формул гидрогеологических расчетов основан на использовании численных значений фильтрационных параметров породного массива в пределах рассматриваемого шахтного поля и может успешно применяться в случае достоверности исходных данных. Однако, как показал опыт, достоверность имеющихся данных фильтрационных параметров (коэффициент фильтрации, пористость) сомнительна, представлена в широком диапазоне значений. К тому же опытные исследовательские работы по изучению фильтрационных параметров на шахтах Донбасса проводились редко, преимущественно на стадии доразведки шахтных полей. Кроме того, в процессе подработки массива горных пород, фильтрационные параметры резко изменяются, и их применение может приводить к недопустимым погрешностям при прогнозировании.
Существенно завышенные прогнозные значения водоприто-ков предусматривают значительное увеличение финансовых затрат на обеспечение безопасности ведения горных работ. Наоборот, заниженный прогноз возможных притоков воды может с высокой вероятностью привести к авариям в системах водоотливных установок, затоплению нижних горизонтов горных выработок, проектируемых к отработке.
Это предопределяет необходимость использования при аналитических расчетах ожидаемых притоков воды метода аналогии, который дает вполне удовлетворительные результаты при сходстве гидрогеологических условий по действующим шахтам.
Рассматриваемые в данной статье наиболее применяемые в Донбассе эмпирические формулы отражают близкую к параболической зависимость между водопритоком и основными, влияю-
щими на него, факторами - глубиной и площадью выработанного пространства:
Q2 = Qi
H
н 1 и F
(1)
/ \0,56 / \ 0.61
Q2 = Q1 Н fHi) . Fl) (2)
DH1
V H 2 0
V F 0
= (3)
где 02 и 01 - прогнозируемый и фактический притоки воды на уровне соответственно проектируемой и фактической глубины отработки, м3/ч;
Н2 и Н - проектная и фактическая глубина отработки, м; и ¥\ - проектная и фактическая площади отработки,
тыс. м2;
ЛН\ и АН - проектируемый и фактический интервал глубин отработки угольных пластов, м.
Результаты исследований
В статье проанализирована погрешность прогнозов при расчетах притоков воды в проектируемые горные выработки шахт с использованием известных эмпирических формул.
Для этого был изучен материал, содержащий гидрогеологические исследования по шахтам Донецко-Макеевского и Торез-ско-Снежнянского районов:
- обводненность выработок по пластам, горизонтам и крыльям;
- изменение водопритоков во времени, по мере роста площади и глубины разработки;
- изменение коэффициента водообильности с развитием горных работ;
- случаи прорывов подземных вод в горные выработки (их дебиты, продолжительность, частота и причины возникновения);
- влияние горно-эксплуатационных работ;
- характеристики действующих водоотливов.
В статистическую обработку включены исходные данные по 15-ти шахтам.
Сравнение прогнозных и фактических притоков воды с использованием эмпирических формул, а также относительная погрешность расчетов приведены в таблицах 1 - 3.
Согласно данным, представленным в таблице 4, расчеты по рассматриваемым эмпирическим формулам, основанным на статистическом анализе водопритоков за многолетний период наблюдений при увеличении площади и глубины ведения горных работ, дают относительную погрешность, не превышающую 30 %, что для условий Донбасса считается удовлетворительным результатом.
Средние значения погрешностей прогнозных расчетов, в целом, близки, что позволяет использовать любую из формул. На практике обычно применяют формулу 3.
На рисунках 1-3 приведены средние значения погрешностей прогнозных расчетов.
Номер определения
Рис. 1 - Средние значения погрешностей прогнозных расчетов по формуле (1)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Номер определения
Рис. 2 - Средние значения погрешностей прогнозных расчетов по формуле (2)
to
№ п/п Пласт Шахта Исходный средний фактический приток, м3/ч Ожида приток Q2 = Qi л змый м3/ч Фактический приток, м3/ч Относительная погрешность
Fi
1 h8 Имени Л. И. Лутугина 298 335 300 11,7
2 к/ Волынская» 33 46 55 16,3
3 У 40 54 64 15,6
4 к2 21 25 29 13,8
5 к2 № 3-бис 403 456 492 7,3
6 т3 «Чайкино» 34 50 64 21,9
7 т5 «Трудовская» 29 29 34 14,7
8 кн 285 305 342 12.1
9 т5 Имени Челюскинцев 18 22 23 4,3
10 тз+Ш2 56 67 71 5,6
11 и 130 140 110 27,2
12 h 16 18 21 14,3
13 к8 180 198 274 27,7
14 h «Винницкая» 270 305 300 1,7
15 h №222 125 130 122 6,6
н н
"-! "в
а ^
о >
Р hH
о 5
g К
ЬЧ Iо"
ю1
^ ю
/-V О
LO ю
Ю О
ю
bJ
№ n/n Пласт Шахта Исходный средний фактический приток, м3/ч Ожидаемый приток, м3/ч Фактический приток, м3/ч Относительная погрешность
1 h8 Имени Л. И. Лутугина 298 345 300 15,0
2 к/ 33 44 55 20,0
3 k22 Волынская» 40 51 64 20,3
4 k2 21 24 29 17,2
5 k2 № 3-бис 403 643 492 30,7
6 m3 «Чайкино» 34 50 64 21,9
7 m5 «Трудовская» 29 40 34 17,6
8 fa 285 330 342 3.5
9 m5 18 28 23 21,7
10 тз+Ш2 Имени 56 78 71 9,9
11 U 130 142 110 29,0
12 h Челюскинцев 16 16 21 23,8
13 k8 180 216 274 21,2
14 h «Винницкая» 270 325 300 8,3
15 h №222 125 130 122 6,6
чо чо
ю ю о о ю ю
to oo
Ожидаемый
№ п/п Пласт Шахта Исходный средний фактический приток, м3/ч приток, м3/ч = Фактический приток, м3/ч Относительная погрешность
1 h8 Имени Л. И. Лутугина 298 319 300 6,3
2 к/ 33 39 55 29,0
3 У Волынская» 40 47 64 26,6
4 к2 21 25 29 13,8
5 к2 № 3-бис 403 492 492 0
6 т3 «Чайкино» 34 52 64 18,9
7 т5 «Трудовская» 29 35 34 2,9
8 кн 285 293 342 14.3
9 т5 18 23 23 0
10 тз+т2 Имени 56 62 71 12,7
11 и 130 139 110 26,4
12 h Челюскинцев 16 18 21 14,2
13 к8 180 198 274 27,7
14 h «Винницкая» 270 286 300 4,7
15 h №222 125 130 122 6,6
н н
"-! "в
р Е
а ^
о >
Р hH
о 5
g К
ЬЧ Iо"
ю1
^ ю
/-V О
LO ю
Ю О
ю
<D Й
ч
4
<и
л
С
О
с
и о и
5 л
с
*
я
со о Я и о л
с
*
я н <и ст о й л
я н о о
я 0
<D
л 1—
о
я
й я
л
ч
<D
н я
о о я н
о
* I
* I
Ю Л й О
н Ф
site
тН О N 29,0 26,6 13,8 О 18,9 о\г (N 14,3 0 12,7 26,4 14,2 27,7 г--t мэ МЭ
CN О
тносительная погрешность, % тН VO О г ™ 1 г 7-1 ^ 1 ^ VO 1Л О тН I CN CN тН < < тН О N CN О 15,0 ,0 О 2 со СЭ 2 ,2 О О 3 ,9 21 ,6 in со" о, 21 ,0 2 ,8 со' 2 ,2 21 СП 00 МЭ МЭ
О hd
г ic ЧаТ ГО ,6 ,8 ,9 ,3 4, мэ in ,2 ,3 ,7 МЭ МЭ
тН О VJD in со' 21 (N 7, 2 К 2
N CN О
Шахта Имени Л. И. Лутугина Волынская» № 3-бис «Чайкино» «Трудовская» Имени Челюскинцев «Винницкая» № 222
Пласт 00 <N S £ £ <N £ + £
£ с в 1 (N со in 6 о оо 9 0 (N со in
Номер определения
Рис. 3 - Средние значения погрешностей прогнозных расчетов по формуле (3)
Выводы
Авторами впервые выполнен анализ, который подтвердил, что для расчетов прогнозных водопритоков на шахтах приоритет должны иметь эмпирические формулы, основанные на учете проектируемого увеличения площади и глубины ведении горных работ.
Согласно выполненному статистическому анализу, относительная погрешность прогнозных расчетов ожидаемых притоков воды при применении эмпирических формул не превышает 30 %, что является удовлетворительным результатом для данного вида работ.
Результаты исследований рекомендуются для специалистов при составлении гидрогеологических прогнозов развития горных работ на действующих шахтах.
Работа выполнена в рамках выполнения фундаментальной научно-исследовательской работы РЯ8Я - 20230006 «Исследование устойчивости и трансформации напряженно-деформированного состояния обводненных массивов горных пород».
ЛИТЕРАТУРА
1. Шевченко, Е. Н. Практика определения сроков и скорости затопления подработанного массива горных пород / Е. Н. Шевченко, Н. А. Дуброва // ТРУДЫ РАНИМИ: сб. науч. трудов. - Донецк, 2020. - № 9 (24). - С. 69 - 77.
2. Гидрогеология СССР [Текст]. Т. VI. Донбасс. - М.: Недра, 1971. - 480 с.
3. Инструкция по изучению и прогнозированию гидрогеологических условий угольных месторождений при геологоразведочных работах [Текст] / Утв. Министерством угольной промышленности СССР 03.12.84. - Ростов-на-Дону: ВНИГРИуголь, 1985. - 137 с.
4. Методическое руководство по прогнозированию притоков воды в выемочные столбы шахт района крупных линейных складок Донбасса [Текст] / ПО «Укруглегеология». - Донецк, 1981. - 25 с.
5. К вопросу прогнозирования притоков воды в выемочные столбы шахт Донбасса (на примере Торезско-Снежнянского, Бо-ково-Хрустальского и Должанско-Ровенецкого районов) [Текст]: тез. доклад Всесоюзного Угольного совещания. - Ростов-на-Дону, 1981. - 3 с.
6. Временные методические рекомендации по прогнозированию притоков воды в выемочные столбы шахт Донбасса, разрабатывающих антрацитовые угли [Текст]: ЦБНТИ Минуглепро-ма УССР. - Донецк, 1983. - 38 с.
7. Инструкция по изучению и прогнозной оценке гидрогеологических условий при разведке угольных месторождений Донецкого бассейна [Текст]: - Утв. Министерством геологии УССР 17.12.81. - Киев, 1983. - 57 с.
8. Заключение о гидрогеологической ситуации шахты «Трудовская» для обеспечения гидробезопасности ОП «Шахта имени Челюскинцев. - РАНИМИ, Донецк, 2019. - 31 с.
9. Гидрогеологический прогноз и возможные экологические последствия затопления горных выработок шахты им. Л.И. Лутугина и смежных гидравлически связанных шахт с оценкой влияния на инфраструктуру предприятий ГУП ДНР «Торезантрацит». - РАНИМИ, Донецк, 2021. - 470 с.
10. Заключение о возможности, сроках и объемах поступления воды в горные выработки шахты «Яблоневская» ш/у «Во-лынское» из горных выработок шахты «Рассыпнянская» № 2. -РАНИМИ, Донецк, 2022. - 46 с.
Артеменко Петр Григорьевич, старший научный сотрудник отдела гидро-геомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, e-mail: arpetr@yandex.ru.
Краскова Ольга Игоревна, ведущий инженер отдела гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, e-mail: o.i.kraskova@mail.ru.
Ягмур Анна Борисовна, научный сотрудник отдела гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, e-mail: iagmuranna@mail.ru.
Дроздова Наталья Александровна, младший научный сотрудник отдела гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк.
ON METHODS OF FORECASTING WATER FLOWS INTO THE MINES OF DONBASS
The article analyzes the error of forecasts when calculating water inflows into projected mine workings using well-known empirical formulas.
Key words: water inflow, empirical formula, calculation, error offorecasts.
Artyomenko Peter Grigoryevich, Senior Researcher of Hydrogeomechanical Survey and Protection of Subsurface Resources Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, e-mail: arpetr@yandex.ru.
Kraskova Olga Igorevna, Lead Engineer of Hydrogeomechanical Survey and Protection of Subsurface Resources Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, e-mail: o.i.kraskova@mail.ru.
Yagmur Алт Borisovna, Researcher of Hydrogeomechanical Survey and Protection of Subsurface Resources Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, e-mail: iagmuranna@mail.ru.
Drozdova Natalya Аlexandrovna, Junior Researcher of Hydrogeomechanical Survey and Protection of Subsurface Resources Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk.
