CC BY
2УДК 550.8.013
Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов
ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА В ЗОНАХ СУЩЕСТВЕННЫХ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ
Изучена зависимость интенсивности процессов массопереноса от размеров зон фильтрационных неоднородностей, образуемых защитными целиками, при затоплении угольных предприятий.
Ключевые слова: математическое моделирование, массоперенос, защитный целик, фильтрационная неоднородность.
Введение. При закрытии угольных предприятий происходит частичная или полная инверсия техногенного режима подземных вод. При изучении подобных явлений приходится иметь дело со средой, которая обладает выраженной фильтрационной неоднородностью. Одной из таких ярких неоднородностей являются зоны влияния различного рода целиков угля, оставленных в выработанном пространстве отработанных пластов затапливаемых шахт. Влияние таких целиков на фильтрационные процессы зачастую имеют решающее значение. Это влияние может выражаться как в полной изоляции отдельных участков массива от затопления, так и может проявляться в виде зон, не оказывающих никакого сопротивления процессам фильтрации. Поэтому весьма важно учитывать роль таких целиков, как при выполнении прогноза развития гидрогеологической ситуации, так и при разработке практических рекомендаций по переводу неконтролируемого процесса затопления горных выработок в некоторый более или мене управляемый режим.
Методы исследований. Для оценки защитных свойств различных целиков был разработан специальный математический аппарат, состоящий из трех достаточно независимых составных частей. На первом этапе выполняется оценка изменений напряженно - деформированного состояния (НДС) горного массива в
зонах влияния целиков. Оценка производится с учетом возможности деформирования горных пород за пределом прочности [1]. На следующем этапе полученные оценки НДС массива используются для построения полей проницаемости пород в зонах влияния целиков с помощью определяющих соотношений [2]. И, наконец, на последнем этапе выполняется математическое моделирование процессов массопереноса в зонах фильтрационной неоднородности и определяются основные закономерности этих процессов в зависимости от размеров барьерных целиков.
Результаты исследований. Так на рисунке 1 показаны результаты расчета установившегося (квазистационарного) распределения нормированного пьезометрического напора Н в зоне влияния целика размером 10 м в виде вертикального сечения обобщенной плоской задачи. 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. Координаты левой границы целика х = 50, правой -х = 60. Удаленный условный распределенный источник затопления расположен в правом верхнем углу рисунка. Справа от барьерного целика располагается действующие горные выработки с действующим водоотливом. Расчетная схема используется для фиксированной глубины, равной 500 м, с изменениями, касающимися только размеров целика.
В результате имеющегося водопритока (источника) и действующего водоотлива (стока) решение задачи неизбежно приводит к установлению некоторого равновесного (квазистационарного) состояния (рис. 1). Вокруг целика образуется заметная зона депрессии фильтрационного потока. Это связано с частичной экранирующей способностью целика. Однако депрессия не является полной, т.к. уровень затопления левой части массива (0 < X < 50) не равняется единице, а составляет в среднем примерно 50 - 60 % от возможного уровня затопления. Правая же часть подработанного массива (60 < X < 100) характеризуется значительно меньшими показателями уровня затопления. Это вызвано наличием действующего водоотлива и частичным экрани-
рующим действием целика. Такая форма «мягкой» депрессии фильтрационного потока связана с рассмотренными в [3] особенностями изменения проницаемости в зоне водопро водящих трещин (ЗВТ) [4], расположенной над целиком, и существенным перетоком воды через этот участок массива. Таким образом, хотя целик угля и создает определенный уровень депрессии, но такой размер целика не может обеспечить изоляцию действующих горных выработок от перетока воды из затопленных соседних выработок. В районе целика наблюдается незначительный скачек распределения уровней затопления, а перепад давлений, создаваемый целиком, составляет примерно 40 %.
Такой целик с большой долей вероятности будет разрушен в результате процессов суффозии горных пород из-за больших перетоков воды в рассматриваемой зоне.
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Рис. 1 - Распределение нормированного пьезометрического напора Н в горном массиве в зоне влияния целика размером 10 м в квазистационарном состоянии
На рисунке 2 показаны результаты расчета установившегося после окончания всех переходных процессов (квазистационарного) распределения нормированного пьезометрического напора Н
в зоне влияния целика размером 20 м в том же сечении, что и на рисунке 1.
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Рис. 2 - Распределение нормированного пьезометрического напора Н в горном массиве в зоне влияния целика размером 20 м в квазистационарном состоянии
Вокруг целика образуется уже гораздо более заметная зона депрессии фильтрационного потока. Это связано со значительно возросшей экранирующей способностью целика. Однако депрессия так же не является полной, т.к. уровень затопления левой части массива (0 < X < 50) не равняется единице, а составляет в среднем примерно 65 - 80 % от возможного уровня затопления. Правая же часть подработанного массива (70 < X < 100) характеризуется значительно меньшими, чем для 10-ти метрового целика показателями уровня затопления. Целик угля хотя и создает определенный уровень депрессии, но также не может обеспечить полную изоляцию действующих горных выработок от перетока воды из прилегающих затопленных выработок. Вероятность разрушения целика в результате процессов суффозии при этом также сохраняется, но она гораздо ниже, чем в предыдущем случае.
В районе целика также наблюдается более заметный скачек распределения уровней затопления. При этом перепад давлений, создаваемый целиком, достигает 80 %, но по-прежнему остается существенным влияние ЗВТ над целиком.
На рисунке 3 показаны результаты расчета (квазистационарного) распределения нормированного пьезометрического напора Н в горном массиве в зоне влияния целика размером 32 м, установившегося после окончания всех переходных процессов. Напомним, что целик такого размера является нормативным для глубины 500 м [5]. В отличие от предыдущих случаев вокруг целика образуется практически полная депрессия фильтрационного потока. Это связано со значительно большей экранирующей способностью целика. Уровень затопления левой части массива (0 < X < 50) соответствует 95 - 100 % от возможного уровня затопления. Правая же часть подработанного массива (82 < X < 100) характеризуется значительно меньшими, чем в предыдущих случаях, уровнями затопления. Целик угля создает необходимый уровень депрессии и обеспечивает практически полную изоляцию действующих горных выработок от перетока воды из затопленного пространства.
В районе целика наблюдается резкий скачек распределения уровней затопления. При этом перепад давлений в ЗВТ, создаваемый целиком, достигает 100 %. На рисунке 3 отчетливо видно, что ЗВТ над целиком полностью перекрывается горным давлением. Это свидетельствует о невозможности возникновения процессов суффозии, способных привести к разрушению целика.
Аналогичные исследования были выполнены и для сверхнормативного целика размером 100 м, из которых следует, что дальнейшее увеличение размеров целика по отношению к нормативному, не приводит к существенному изменению результатов расчета.
Обобщением полученных результатов может служить кривая рисунок 4, где представлен график зависимости нормированных расходов через зону влияния целика при увеличении его размеров.
Результаты, представленные на рисунках 1-4 справедливы для глубины, равной 500 м, однако расчетная модель является
достаточно универсальной и подобные исследования могут быть выполнены для любых глубин.
10 20 30 ад 50 60 70 80 Э0 100
Рис. 3 - Распределение нормированного пьезометрического напора Н в горном массиве в зоне влияния целика размером 32 м в квазистационарном состоянии
Заключение. Изучение особенностей процессов массопере-носа в зонах выраженных фильтрационных неоднородностей является весьма важным составляющим элементом построения масштабных региональных расчетных схем для прогноза гидрогеологических процессов, сопутствующих массовому закрытию угольных предприятий.
Исходя из вышесказанного, следует: разработанный математический аппарат может считаться достаточно мощным инструментом изучения особенностей гидрогеологических процессов, связанных с инверсией техногенного режима подземных вод, а получаемые с его помощью результаты существенно повышают качество и надежность гидрогеологических прогнозов, снижаю-
щих риск возникновения негативных экологических последствий регионального масштаба.
\
0 2 0 4 ) 6 0 8 Э 1( Ю 12
Размеры барьерного целика.м
Рис. 4 - Изменение нормированного расхода через зону влияния целика при увеличении его размера
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700021-4-2.7.1;2.7.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Кулибаба, С. Б. Оценка свойств техногенных коллекторов метана с учетом главных составляющих деформаций горного массива в зоне полных сдвижений / С. Б. Кулибаба, Е. Д. Ходырев // Науковi пращ УкрНДМ1 НАН Украши: зб. наук. пр. - Донецк, 2013. - № 13 (1). - С. 218 - 229.
2. Справочное пособие «Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов». Под ред. Петухова И. М. - М.: Недра, 1992. - 256 с.
3. 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.
4. Норватов Ю. А. Изучение и прогноз техногенного режима подземных вод. - Л.: «Недра», 1988. - 260 с.
5. Инструкция по безопасному ведению горных работ у затопленных выработок: НАОП 1.1.30-5.08.84. - Утв. Минуглепро-мом СССР 02.10.1984. - Л.: ВНИМИ, 1984. - 66 с.
Ходырев Евгений Дмитриевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Трофимов Виктор Валериевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела компьютерных технологий, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
ESTIMATION OF THE INTENSITY OF MASS TRANSFER PROCESSES IN THE ZONES OF SIGNIFICANT FILTRATION INHOMOGENEITIES
The dependence of mass transfer processes intensity on the size of filtration heterogeneities zones formed by protective pillars has been studied.
Keywords: mathematical modeling, mass transfer, protective rear end, filtration heterogeneity.
Khodyrev Evgeny Dmitrievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Leading Researcher of Hydrogeomechanical Survey and Protection of Subsurface Resources Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Trofimov Viktor Valerievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Leading Researcher of the Department of Computer Technologies, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, victor.trofymov@ranimi .org.
