Опыт геофизического мониторинга подземной гидросферы на шахтах Восточного Донбасса Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 3

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”

МОСКВА, Московский Государственный Горный Уни-

верситет, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© М.Д. Молев, 2001

УДК 622.831:53.087 ' ' \

М.Д. Молев

ОПЫТ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

ПОДЗЕМНОЙ ГИДРОСФЕРЫ НА ШАХТАХ

С

1993 года в угольной отрасли России проводится реструктуризация, направленная на достижение рентабельной работы. В настоящее время на различных стадиях ликвидации находится 161 особо убыточная шахта [I]. Из указанного количества в Восточном Донбассе закрывается почти 30 предприятий ОАО "Ростовуголь", "Гуковуголь" и "Шахтуголь".

Прекращение горных работ и связанных с ними вспомогательных процессов приводит к неоднозначным изменениям гидрогеологической и геоэкологической ситуации на значительной площади. Общим негативным последствием ликвидации шахт в России является угроза подтопления территорий, на которых расположены жилые здания и промышленные объекты, и излива загрязненных подземных вод в речную сеть [2].

Значимость прогнозирования динамики описанного явления для обеспечения нормальной жизнедеятельности шахтерских регионов потребовала глубокого и всестороннего изучения проблемы. Масштабными исследованиями гидрогеологических объектов ликвидации шахт в регионе занимаются совместно сотрудники СевероКавказского представительства ВНИМИ и ОАО "Ростовуголь" [З]. В процессе экспериментальноаналитических работ накоплен весомый положительный опыт решения организационных, теоретических и методических вопросов, который с учетом глобального характера явления и необходимости регулярного контроля за его динамикой, на взгляд автора, представляет интерес для ученых и специалистов из других угольных бассей-

нов.

Организация работ по гидрогеологическому мониторингу углепородного массива ликвидируемых шахт в Восточном Донбассе строится на основе системного подхода к решению проблемы [4]. Указанная организационно-

методическая постановка исследований обусловлена: во-первых, наличием общей подземной гидросферы закрываемых шахт, представляющей сочетание отдельных водонасыщенных шахтных полей, сообщающихся между собой по горным выработкам, тектоническим и техногенным трещинам; во-вторых, существованием единой геосистемы, включающей углепородный массив и поверхностную гидросферу и атмосферу; в-третьих, необходимостью комплексного изучения и прогнозирования процесса.

Описанный подход позволил определить методику выбора пунктов режимных наблюдений за уровнями затопления, разработать технологию и средства геофизических измерений, обосновать методику интерпретации полученных результатов и принципы прогнозирования дальнейшего развития гидрогеологической ситуации.

Определение необходимого количества и пространственного местоположения точек гидрогеофизических наблюдений производилось на основе детального анализа геологической и горнотехнической информации: наличия гидравлических каналов между шахтами (горных выработок, разведочных скважин, тектонических нарушений), физико-механических характеристик углепородной толщи, параметров технологии горных работ. В итоге была создана сеть режимных наблюдений за уровнями затопления, состоящая из двадцати трех стволов и скважин, пространственно-распределенных по площади горных отводов закрывающихся шахт на ключевых участках местности.

Измерения уровней затопления производится по оригинальной методике, оптимизированной с учетом накопленного практического опыта и предусматривающей выполнение наблюдений стационарными и мобильными приборами, а также контрольные замеры эталонной аппаратурой. В качестве переносного измерительного

комплекта используется электроуровнемер собственной конструкции, позволяющий оперативно определить уровень затопления в любой точке (стволе или скважине). Уровень затопления оценивается по отклонению стрелки микроамперметра, который фиксирует наличие электрического тока в образующейся замкнутой электрической цепи. Указанный контур создается из природных и искусственных проводящих элементов: столба минерализованной шахтной воды, углепородной толщи, измерительного прибора и соединительных проводов.

Основные положения методики гидрогеологических наблюдений сводятся к следующим:

1. Замерный цикл, то есть получение текущих значений уровня затопления в какой-либо точке наблюдений, состоит в многократных (порядка 15-20 значений) измерениях, что обеспечивает после статистической обработки необходимую точность наблюдений (погрешность не превышает 0,001).

2. Шаг квантования (периодичность измерений) выбирается на основании анализа массива фактических данных. Среднестатистические скорости подъема уровня шахтных вод для Российского Донбасса составляют 0,1—0,3 м/сут, поэтому временной интервал между двумя последовательными циклами измерений принят равным одному месяцу. Наблюдения с указанной периодичностью позволяют уверенно контролировать развитие затопления в углепородном массиве и своевременно принимать необходимые управленческие решения по предотвращению негативных последствий.

3. В гидронаблюдательных скважинах (стволах) расположенных на горных отводах смежных шахт, которые имеют гидравлическую связь, измерения уровней производится синхронно. Применение описанного методического приема дает возможность оценить направления перетока шахтных вод, что весьма важно для реконструкции общей картины затопления на контролируемой площади.

4. Интерпретация состоит в анализе обработанных методами математической статистики экспериментальных данных с привлечением материалов шахтной гидрогеологической и маркшейдерской документации.

В настоящее время проходит испытания методика дистанционной оценки динамики подъема шахтных вод, в основе которой лежат вертикаль-

ные электрические зондирования (ВЭ). По результатам полевых геофизических изысканий на геоэлектрическом разрезе устанавливаются участки, имеющие аномально низкое кажущееся электрическое сопротивление (в пределах первых единиц Ом). Анализ проводимости горных пород, слагающих углепородный массив, указывает, что высокие значения в горно-геологических условиях Донбасса имеют антрацит и минерализованные шахтные воды.

В результате интерпретации массива данных ВЭЗ, выполненных на поле закрываемой шахты "Комиссаровская" ОАО "Гуковуголь", был выделен участок разреза с низкими сопротивлениями среды (0,9-1,8 Ом). С учетом геологических данных, согласно которым в указанной части угленосной толщи имеется дизъ-юнктив, нарушающий сплошность угольного пласта и вмещающих пород, был дан прогноз о подъеме по нарушенной зоне шахтных минерализованных вод (рис.). Расчет минерализации предполагаемой воды был произведен по известной регрессии [5]

р = f (с)

где р — кажущееся удельное электрическое сопротивление, Ом; С — минерализация воды, г/л. По расчетам минерализация воды составила 4-7 г/л. Косвенным, но очень весомым доказательством правильности геофизического прогноза является тот факт, что по результатам химического анализа проб воды, взятой на шахте, получено то же значение.

Если дальнейшая апробация дистанционной оценки затопления пройдет успешно, то ее применение на практике позволит довольно надежно контролировать состояние подземной гидросферы без бурения дорогостоящих гидронаблюдательных скважин.

В итоге трехлетних регулярных наблюдений за гидродинамическими процессами, происходящими в углевмещающем массиве ликвидируемых шахт Восточного Донбасса, сформирован представительный банк данных, который содержит пространственновременные характеристики затопления подземной геосреды. Полученная информация является исходной базой для перспективного прогнозирования динамики гидрогеологиче-

ских процессов и оценки развития других функционально связанных с поведением гидросферы явлений, например, выхода "мертвого" шахтного воздуха на земную поверхность.

Анализ результатов экспериментальнотеоретических работ по изучению подземной гидросферы на ликвидируемых шахтах Восточного Донбасса позволяет сделать вывод, что разработанные и апробированные методические, аппаратурные и интерпретационные составляющие комплекса режимных наблюдений могут образовать научно-техничес-кую основу геолого-геофизической информационной системы регионального геоэкологического мониторинга.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Саламатин А.Г. Угольная промышленность России на пороге нового тысячелетия // Уголь. -2000. - № 1.

2. Зайденварг В.Е., Навитний А.М., Твердохлебов В.Ф. Гидрогеологические аспекты ликвидации шахт в России // Уголь. -1999. -№12.

3. Молев М.Д., Молев А.М. Технические и экономические вопросы геофизических исследований при реструктуризации шахт Восточного Донбасса // Проблемы геологии полезных ископаемых и экологии Юга России и Кавказа: Материалы II Междунар. науч. конф. (Новочеркасск, 21 - 23 окт.

1999 г.) / ЮРГТУ - Новочеркасск, 1999.

4. Шкуратник В.Л. Измерения в физическом эксперименте / МГГУ. -М., 1996.

5. Электроразведка: Справ, геофизика / Под ред. А.Г. Тархова. -Недра,1980.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Молев Михаил Дмитриевич - кандидат технических наук, руководитель бюро горной геофизики ОАО «Ростовуголь».