CC BY
28
УДК 622.33.502
А.С.Ягунов, И.А.Спирева, О.А.Ягунова О ТИПИЗАЦИИ СХЕМ И ВРЕМЕНИ ЗАТОПЛЕНИЯ ШАХТ В КУЗБАССЕ
Комплексная оценка гидрогеологических условий затопления шахт при их ликвидации должна включать решение ряда основных задач по прогнозу скорости и времени затопления шахты, прогнозу уровня грунтовых вод, возможности подтопления поверхности, оценке водопритоков в действующие шахты, граничащие с ликвидируемой через барьерные целики и др. [1] От достоверности исходных гидрогеологических параметров и обоснованности прогнозных гидрогеологических оценок зависит выбор способа ликвидации шахты, проектные решения по которому базируются на технико-экономических оценках затрат по вариантам, с учетом обеспечения промышленной и экологической безопасности.
Расчет необходимых объемов воды и времени затопления шахты в [1] рекомендуется производить поинтервально, исходя из существующих водопритоков, зафиксированных к моменту ликвидации шахты, объема добычи угля по шахте за весь период ее существования и широкого спектра коэффициентов пустотности, предлагаемых для различных горно-геологических условий и различных видов выработок (очистных и подготовительных). Объем воды, необходимой для заполнения пустот в очистных и подготовительных выработках в пределах расчетного интервала, рассчитывается как произведение добычи угля (горной массы) за этот период на соответствующие коэффициенты пустотности, а время необходимое для заполнения водой этого интервала как отношение вычисленного объема пустот к среднему водопритоку по шахте.
Методика расчета достаточно проста, однако при применении ее получаемые резуль-
таты по срокам затопления шахт имеют порой значительные отклонения от фактических случаев, что связано с трудностью разграничения по пустотности всей подработанной толщи пород на соответствующие зоны (интервалы). Поэтому в СФ ВНИМИ с 1998 г. разработана и используется достаточно простая модель расчета параметров затопления (время, объем и остаточный водоприток), основанная на типизации фактических уровней затопления более 20 шахт в Кузбассе.
Схема 1 (рис.1) имеет наибольшее распространение и приурочена к моноклинальному залеганию свиты пластов в Кузбассе.
Подработанный массив представлен слабопроницаемыми отложениями. Горные работы в свите пластов велись на глубинах от сравнительно малых до глубин Н=600-700 м и более.
В общем случае, водопри-токи в выработанное пространство шахт формируются за счет инфильтрации атмосферных осадков в пределах области активного питания - водосбора, определяемой площадью выходов пластов под наносы, площадью выхода зоны водопрово-дящих трещин под наносы и площадью занятой депрессион-ными кривыми фильтрационных потоков в наносах (1) и приповерхностном водоносном комплексе, приуроченном к зоне выветривания (2).
Для этой схемы характерна линейная, практически постоянная, скорость затопления шахты до проектного уровня Нп, т.е. до глубины 80-130 м от поверхности. При затоплении шахты водопритоки 0 в нее до достижения Нп остаются практически стабильными
(рис.1,в), далее водопритоки и их скорости снижаются за счет
увеличения площади затопления в пределах депрессионной воронки и снижения градиента напоров в ней по мере ее затопления. При полном затоплении шахт происходит либо самоизлив воды в понижениях рельефа через самоизливные скважины, либо подтопление поверхности в бессточных мульдах, или то и другое вместе.
Расчет параметров затопления по этой схеме производится в следующей последовательности:
- исходя из добычи угля по шахте за весь период ее существования и объема подготовительных и капитальных выработок, рассчитывается общий объем пустотности шахты и средняя остаточная пустотность, приходящаяся на 1п.м. затопления шахты при средних значениях коэффициентов пустотности ^/7=0.15-0.17;
- рассчитывается объем остаточной пустотности для нижнего интервала затопления (до границы приповерхностной трещиноватой зоны) и время затопления этого интервала по фактическому водопритоку в шахту, зафиксированному в момент отключения водоотлива; расчетные интервалы задаются произвольно и далее уточняются;
- рассчитывается водоприток в интервалах приповерхностной трещиноватой зоны (приповерхностного водоносного комплекса) по методике ВНИМИ [2]
е=^Жмз/сУт (о ЫЯ/г0
где Т - проводимость пород подработанной толщи в пределах приповерхностного водоносного комплекса, м2/сут -определяется по геологоразведочным данным, либо ее приближенно можно определить обратным расчетом по выше-
8 -область активного питания- водосбора
<--активная инфильтрация; <---пасивная инфильтрация; 1,2- депрессионные кривые соответственно в наносах и приповерхностной зоне выветривания ; 3- подошва приповерхностного водоносного комплекса; \\\\ -слабопроницаемая угленосная толща, сложенная глинистыми разностями; осг| р - приповерхностный водоносный комплекс, приуроченный к зоне выветривания
Рис. 1. Типовая схема I
а)схема формирования водопритоков на период отключения водоотлива при ликвидации шахты; б)характерный график зависимости уровня затопления шахты от времени Т; в) график изменения водопритоков во времени
приведенной формуле исходя из водопритока зафиксированного в момент отключения водоотлива при 50=80-150 м ;
напор воды в интервале, м - рассчитывается как разница между отметками поверхности и интервала затопления;
Я - радиус влияния системы при работающем водоотливе шахты, м - определяется опытными откачками, а при их отсутствии можно принимать в диапазоне Я=3000-5000м;
Го=(Р/л)1/2 - радиус "большого колодца", м;
Т7 - площадь шахтного поля,
м2;
время затопления любого интервала (/) определяется по рекомендациям [1].
Схема 2 (рис.2.). Угленосная толща представлена свитой сближенных пластов наклонного и пологого залегания. Вме-
щающие породы со стороны кровли верхнего пласта в свите представлены трещиноватыми песчаниками и алевролитами, значительно обводненными. Зона водопроводяших трещин, от выемки свиты пластов в мульдовой части, пересекает водоносные песчаники, а верхняя граница ЗВТ находится на глубинах 150-200м и более от поверхности.
Водопритоки в шахту формируются за счет инфильтрации атмосферных осадков, причем из- за рельефа местности подземные воды имеют напор-но-безнапорный характер, наносы на слабохолмистых склонах представлены слабопроницаемыми суглинками мощностью 25 м и более, способными удерживать поверхностные грунтовые воды в зоне подработки без их дренажа в шахту.
Для этой схемы характерна также приуроченность шахтного поля к речной сети и практически постоянная скорость затопления шахты (рис.2б). Водопритоки в шахту стабильны и уменьшаются незначительно, даже при полном затоплении шахты (рис.2в) до проектной величины. При полном затоплении шахты по этой схеме подтапливается поверхность в понижениях рельефа и пойменных частях (шахты "Пионерка", им. Орджоникидзе и "Смычка" в Кузбассе), если не использовать вертикальный дренаж.
Расчет параметров затопления по этой схеме ведется сначала по схеме 1, а затем в трещиноватой зоне по параметру повышения уровней АН! в любой точке приповерхностного водоносного комплекса с учетом разгрузки шахтных вод в
Н„р и Л\, - проектные глубина н время затопления шахты
Т ,мес
S -область акшвногопнтання-водосбора
б)
Н.м В) Q,m /час
и*
Т Т,мес Т Т,мес
Т,
пр
1пр
речную сеть по зависимости, рекомендуемой проф.
Ю.А.Норватовым [3]
АН{=АН0
[4L2 - 4Ly + г2
rig
Ik
ro
М ,
Рис.2. Типовая схема 2 а) схема формирования водопритоков на период отключения водоотлива; б)характерный график зависимости уровня затопления шахты от времени Т; в) график изменения водопритоков во времени бины 80-150 м перекрыта приповерхностным водоносным комплексом (трещиноватыми породами), приуроченным к зоне выветривания. Шарниры складок имеют повышенную трещиноватость, зоны трещино-ватости в них изменяются от 30 м в антиклиналях до 140 м в синклиналях.
Водопроводящие трещины, от выемки свит мощных пластов, пересекают приповерхностный водоносный комплекс со стороны висячего и лежачего боков свиты пластов.
Область активного питания - водосбора, практически полностью охватывает площадь горного отвода шахты, включая депрессионную воронку
(рис.За).
Скорость затопления шахты практически постоянна на участке от горизонта затопления до Нп (рис.36), далее падает, за счет водонасыщения приповерхностной трещиноватой зоны. С этого периода (Т), водо-притоки в шахту уменьшаются
(2)
где АН о - превышение уровня шахтных вод в затопленной шахте над уровнем аллювиального горизонта (на участке разгрузки радиусом го);
г, у - координаты расчетной точки относительно участка разгрузки, м;
Ь - расстояние от участка разгрузки до реки, м.
Коэффициент пустотности КП принимается равным 0.16-0.18.
Схема 3 (рис.3). Угленосные отложения представлены смятыми в шарнирные складки породами и угольными пластами крутого и нарушенного залегания. Сближенные угольные пласты залегают в слабопроницаемой толще, которая до глу-
до минимума при полном ее затоплении (рис.Зв). Депресси-онные кривые со стороны висячего бока свиты пластов имеют трехступенчатый характер (рис.За). Эта схема характерна для шахт Прокопьевско-Киселевского района и частично Кемеровского и Новокузнецкого районов Кузбасса. При полном затоплении шахты по этой схеме возможность само-излива воды в понижениях рельефа полностью не исследована.
Расчет параметров затопления по этой схеме производится по аналогии со схемой 1, коэффициент пустотности принимается равным в диапазоне 0,20-0,25.
В Кузбассе за период 1995-2003 гг. ликвидировано 43 шахты из них с частичным или полным затоплением - 36, сухим способом в т.ч. с перетоком воды в действующие шахты - 7. В таблице приведены результаты сравнения прогнозного расчетного времени затопления
Пгор
S - область активного питания -водосбора
IV гор
-■-пр
-зоны тектонического влияния с повышенной трещинноватостъю; С^ГаУ -приповерхностная трещиноватая зона
Рис. 3. Типовая схема 3 а)схема формирования водопритоков на период отключения водоотлива; б)характерный график зависимости уровня затопления шахты от времени; в) график изменения водопритоков во времени
шахт, выполненного СФ ВНИ-МИ при выдаче заключений, проектным организациям с фактическими данными, полученными позже региональными группами мониторинга.
Сравнение расчетных и ф;
Как следует из таблицы, отклонение расчетного от фактического времени затопления шахт вполне удовлетворительное, что указывает на достаточно полный учет исходных дан-
1ческих случаев частичного или г
ных и корректность применяемой методики расчета.
По данным расчета и сравнения фактического времени затопления шахт по 6-ти случаям удалось оценить проводи-
Таблица ^го времени затопления шахт
Нижняя Отметка Время затопления,
№ Шахта отметка поверхно- сут. Отклоне- Примечание
пп ведения горных работ, м сти или са-моизлива, м расчетное фактическое ние, %
1. "Северная" -181,0 + 154,1 1095 1268 13,6 излив
2. "Ягуновская" -100,0 +133,4 700 1320 47,0 II
3. "Бутовская" -90,0 + 143,4 700 960 27,0 («
4. "Волкова" -100,0 +173,3 1000 1050 4,8 _и_
5. "Бунгурская" +150,0 +259,7 240 395 39,2 к
6. "Шушталепская" +60,0 +221,7 540 600 10,0 II
7. "Кольчугинское ш/у" -95,0 +264,0 1280 1300 1,5 частичн. затопл.
8. "Пионерка" -60,0 +187,7 540 690 21,7 погр. насос
9. "Западная" -125,0 +335,0 200 300 33,3 и
10. "Красный Кузбасс" +175,0 +408,3 500 510 2,0 _н
11. "Тайбинская" +50,0 +354,9 180 200 10,0 н
12. ГШУ, шх. №3 ±0,0 +220,0 720 600 20,0 переток
13. ГШУ, шх. №2 +50,0 +220,0 660 450 24,4 и
14. им. Калинина +40,0 +310,5 50 70 28,6 погр. насос
15. "Ноградская" -75,0 +302,0 100 120 16,7 н
16. "Бирюлинская" -10,0 +220,0 900 1080 16,7 переток
17. "Сигнал" ±0,0 +230,0 1260 1095 15,0
18. "Ярославского" -100,0 +220,0 25 30 16,7 II
19. "Суртаиха" +60,0 +318,0 180 240 25,0 погр. насос
20. им. Вахрушева +70,0 +335,0 180 180 0,0 н
21. "Нагорная" ±0,0 +300,0 960 1290 25,6 переток
Сред. 19,3%
мость подработанной толщи в пределах мощности зоны приповерхностного водоносного комплекса которая может изменяться от 10 до 40м2/сут. (в среднем 20-30м2/сут).
Анализ имеющихся случаев расчета времени затопления шахт и водопритоков для стадии включения погружного насоса или самоизлива воды через специально пробуренные скважины показал, что для первого этапа затопления шахты (до Нп) сходимость расчетных параметров гораздо выше, несмотря на то, что коэффициент пустотности берется средний для всего подработанного массива. С переходом уровня зато-
пления шахты в приповерхностный водоносный комплекс точность расчета скорости ее затопления снижается и будет зависеть от правильности выбора фильтрационных характеристик этой толщи и учета наличия в покровных отложениях галечников. Такие характеристики как проводимость, радиус влияния шахты, радиус депрессии, понижение напора на контуре дренажа могут в значительной мере влиять на результаты расчета численного значения времени затопления шахты и водопритоков при самоизливе. Величина пустотности для этой зоны не существенна.
Так на шахте "Ягуновская" затопление первых 230м по глу-
бине произошло за 14 мес., а последующих 4,5м лишь за 30 мес. за счет перетока воды по галечникам. Заметную роль при расчетах играет мощность зоны трещиноватости приповерхностного водоносного комплекса и размытость ее нижней границы.
Оценивая в целом методику расчета параметров затопления, следует отметить, что ее применение для предварительной оценки сроков затопления шахты вполне оправдано с практической точки зрения, что значительно сокращает время оценок по сравнению с использованием геофильтрационной модели.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методические указания по оценке гидрогеологических условий ликвидации угольных шахт, обоснованию мероприятий по управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической безопасности. М., ИПКОН РАН, 1997.
2. Методические указания по изучению и прогнозу техногенного режима подземных вод при освоении угольных месторождений, ч. II изд. ВНИМИ, С-Пб, 1992.
3. Норватов Ю.А. "Исследования ВНИМИ в области геокологии". В сб. Горная геомеханика и маркшейдерия в III тысячелетии: 75 лет ВНИМИ. С-Пб, 2004 (М-во промышленности и энергетики РФ, РАН).
и Авторы статьи
Ягунов
Анатолий Степанович - канд.техн.наук, директор Сибирского филиала ОАО ВНИМИ
Спирева Ирина Алексеевна ■ н.с., лаборатории сдвижения горных пород Сибирского филиала ОАО ВНИМИ
Ягунова Ольга Анатольевна - ст. инженер, КЦМПЭБ (Кузбасский центр мониторинга производственной и экологической безопасности
УДК 622.272.6
О.С. Климакина
АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К ОЦЕНКЕ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ЗАПАСОВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
В общем количестве запасов угля для подземной добычи велика доля нетехнологичных запасов, затраты на извлечение которых превышают ценность получаемого товарного угля. Под технологичностью запасов угля будем понимать пригодность их к эффективной отработке с применением высокопроизводительной добычной техники [1].
Оценкой запасов занимаются различные специалисты горного профиля: геологи, технологи, маркшейдеры [1-5]. Поэтому и в отношении технологичности можно выделить различные подхо-
ды: геологический и технологический.
Для условий Кузбасса практически все разведанные запасы угля подсчитаны методом геологических блоков. При этом блоки выделены с учётом геологической и тектонической однородности, т.е. включают только ту площадь пласта, в которой мощность, условия залегания и качественные свойства угля удовлетворяют требованиям, предъявляемым к соответствующей группе запасов, в том числе к балансовым и забалансовым.
Кондиции для подсчёта запасов остаются не-
