CC BY
0УДК 622.847
В. А. Дрибан, Н. А. Дуброва, Е. Н. Шевченко
ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ НОВОГО ПОДХОДА К ОЦЕНКЕ ПУСТОТНОСТИ ПОДРАБОТАННОГО ГОРНОГО МАССИВА
В статье рассмотрены случаи практического применения нового подхода к оценке пустотности при составлении гидрогеологических прогнозов в условиях дефицита исходных данных, приведены примеры верификации полученных теоретических значений по фактическим данным.
Ключевые слова: гидрогеомеханический прогноз, уровень затопления, водоприток, коэффициент пустотности, интегральный подход.
Актуальность. В подавляющем большинстве случаев, точность составления гидрогеологических прогнозов зависит от полноты и достоверности используемых исходных данных. Проблемы возникают в случаях сложных гидрогеологической, горнотехнической и технических ситуаций. Например, в случаях наличия множественных неподтвержденных или несработавших гидросвязей, в условиях сложного геологического строения массива или влияния внешних внештатных горнотехнических ситуаций, таких как внеплановое включение или отключение водоотливных комплексов. При этом основной задачей любого гидропрогноза является определение времени и скорости затопления подработанного массива, а также прогнозирование мест и объема потенциального излива подземных вод на земную поверхность. Ключевыми параметрами, определяющими точность расчетов, являются значения водопритоков и коэффициента пустотности.
Одной из основных проблем, выявленных при решении практических задач составления гидрогеологических прогнозов, является критический недостаток исходных данных для определения значений коэффициента пустотности методом аналогий.
Как показывает практика, рекомендации действующих на данный момент нормативных документов в некоторых гидрогеомехани-ческих ситуациях применять не вполне корректно, а иногда их применение может приводить к серьезным ошибкам. В связи с этим в РАНИМИ был разработан и реализован новый интегральный поход к оценке пустотности подработанного массива горных пород, а также выявлены типовые закономерности в характере распределения значений коэффициента пустотности в различных горно-геологических условиях [1]-[4]. Данная статья посвящена примерам внедрения разработанного интегрального подхода при выполнении практических задач составления гидрогеологических прогнозов.
Основные результаты. На основе анализа многолетнего опыта составления гидрогеомеханических прогнозов и проектов ликвидации горнодобывающих предприятий, можно утверждать, что основной и наиболее распространенной проблемой, возникающей при их выполнении, является дефицит или полное отсутствие исходных данных, определяющих суть выполнения работы. Одной из таких работ стала работа по оценке последствий затопления ООО «Шахта «Рассвет-1» для ГУП ДНР «Шахта Комсомолец Донбасса», которая является крупнейшим действующим угледобывающим предприятием региона, на долю которого приходится порядка 70 % всей угледобычи. Летом 2023 г. в связи с аварийной остановкой подземного водоотливного комплекса на смежной шахте «Рассвет-1» возникла необходимость оценки последствий ее затопления для «Шахты Комсомолец Донбасса».
В связи с прекращением откачки шахтных вод, водоотлив 7 горизонта шахты ООО «Шахта «Рассвет-1», расположенный на абсолютной отметке минус 150 м, был затоплен, что привело к неконтролируемому повышению уровня затопления. Между шахтами ООО «Шахта «Рассвет-1»и ГУП ДНР «Шахта Комсомолец Донбасса» существует ненормативный целик по пласту 17 между 10-м западным откаточным штреком шахты ООО «Шахта «Рас-свет-1» и южным откаточным штреком горизонта 418 м шахты ГУП ДНР «Шахта Комсомолец Донбасса», который является потенциально опасным по поступлению большого количества воды при превышении допустимого уровня затопления.
Водопритоки в шахту «ШКД» формируются как за счет собственных водопритоков, так и за счет перетоков и фильтрации из
соседних ликвидированных шахт «Стожковская», «Донецкая», «№ 222». Наблюдается фильтрация шахтных вод по вмещающим породам в зонах трещиноватости со стороны шахт «Винницкая» и «Рассвет-1». Отметим, что по данным шахты «Шахта Комсомолец Донбасса» со стороны шахты «Рассвет-1» до остановки подземного водоотлива наблюдался стабильный водоприток в объеме порядка 10-15 м3/час, который впоследствии возрос до 7080 м3/час.
Параллельно с фиксацией увеличения величины водоприто-ков выполнялись замеры уровня затопления на шахте «Рассвет-1». Совмещенный график изменения величины водопритоков со стороны шахты «Рассвет-1» на шахту «Шахта Комсомолец Донбасса» и изменения уровня затопления по шахте «Рассвет-1» приведен на рисунке 1.
В связи с повышением уровня затопления возникает угроза разрушения ненормативного барьерного целика. Следовательно, необходимо определить безопасный уровень затопления с учетом наличия ненормативного барьерного целика, а также рассчитать скорость и сроки затопления выработанного пространства до указанной абсолютной отметки.
Основным фактором, усложняющим решение поставленных задач, является отсутствие достоверных данных о величине водо-притоков в горные выработки шахты «Рассвет-1». За период с 2009 по 2018 годы величина среднегодового водопритока в шахту колебалась от 226 до 530 м3/ч. Согласно данным 2020 года величина водопритока в шахту «Рассвет-1» составляла 180 - 200 м /ч. С учетом того, что порядка 100 м3/ч водопритока с шахты «Рассвет-1» принимает смежная шахта «Ждановская», значение в 180200 м3/ч укладывается в среднестатистический диапазон. Таким образом, расчет был выполнен для двух вариантов значений во-допритоков с учетом величины сезонных колебаний, изменение величины которых может достигать +/- 20 % от среднегодового значения. Более того, крайняя неопределенность значений водо-притоков не дает возможность оценки величины остаточной мощности отработанных угольных пластов по фактическим данным. Поэтому, для расчета значений кп был применен на практике разработанный в РАНИМИ подход к оценке пустотности выработанного пространства [1]-[4]. Предложенный подход основан на идее сравнения объемов выработанного пространства и муль-
ды сдвижения на земной поверхности и позволил установить типовые закономерности распределения кп для различных горнотехнических ситуаций (рис. 2). Рассчитанное по предложенной методике значение коэффициента пустотности для условий шахты «Рассвет-1» составило 0,24.
Рис. 1 - Совмещенный график изменения уровня затопления по
шахте ООО «Шахта «Рассвет-1» и водопритоков в ЗПВПШ пласта 17 гор. 628 м ГУП ДНР «Шахта Комсомолец Донбасса»
Применение предложенного подхода на практике позволило восполнить недостающие данные и выполнить расчет сроков и скорости затопления горных выработок шахты «Рассвет-1» до безопасной, с учетом наличия ненормативного целика, абсолютной отметки.
Еще одной работой, где применение нового подхода к оценке пустотности стало определяющим в гидрогеологической части, является разработка комплексного гидрогеологического прогноза последствий затопления горных выработок ООО «Шахта Ростовская» и гидравлически связанных с ней шахт «Антрацит» и «Замчаловская».
100
-155.00
Длина павы/Н
Рис. 2 - Совмещенная карта распределения значений коэффициента пустотности для различных горнотехнических
ситуаций
Нами был выполнен гидрогеологический прогноз возможных последствий затопления горных выработок шахт «Антрацит», «Ростовская» и «Замчаловская» в случае полной остановки подземного водоотливного комплекса на шахте «Ростовская», поддерживающего уровень затопления на абсолютной отметке минус 55,0 ^ минус 60,0 м. При выполнении работы возникли аналогичные проблемы, связанные с невозможностью определения значений остаточной мощности методом аналогий и отсутствием баланса водопритоков по шахтам. Анализ имеющихся данных о величинах водопритоков по шахтам и расчетных значений позволил свести суммарный баланс вод, подтвердить существующие между шахтами устойчивые гидравлические связи и определить прогнозные водопритоки на проектные отметки. Расчеты сроков и скорости затопления выработанного пространства выполнены по двум значениям водопритоков: по максимальному водопритоку и по значению среднегодовой величины откачки.
При выполнении данной работы оптимальным представлялся выбор коэффициента пустотности на основании нормативного документа [5], учитывающий степень метаморфизации вмещающих пород, выраженную марочным составом углей. Так коэффициент пустотности, для углей марки антрацит рекомендуется принимать равным 0,58. С целью контроля определения объемов подлежащего затоплению выработанного пространства выполнена верификации рекомендованного нормативным документом значения коэффициента пустотности на основании разработанной
в РАНИМИ методики. Полученное по авторской методике значение 0,56 хорошо коррелируется со значением, рекомендованным нормативным документом.
Выводы. Разработанный интегральный поход к оценке пустотности подработанного массива горных пород показал высокую эффективность решения задач гидрогеомеханических прогнозов в условиях существенного недостатка исходных данных. Предложенный подход применяется на практике и весьма востребован как с точки зрения получения оценочных значений kn массива в целом, так и определения текущей пустотности для интервала глубин. Отметим, что разработанный подход к оценке пустотности может быть скорректирован и усовершенствован с учетом влияния кольматации, степени метаморфизма и литологи-ческих особенностей строения вмещающего горного массива.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700021-4-2.7.1;2.7.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Дрибан, В. А. Новый подход к оценке пустотности подработанного массива при решении задач гидрогеомеханического прогноза / В. А. Дрибан, Е. Н. Шевченко, Н. А. Дуброва,
A. М. Василевицкий // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых. Материалы 14 Международной научной школы молодых ученых и специалистов. - М: ИПКОН РАН, 2019. -С. 10-13.
2. Дрибан, В.А. Оценка пустотности подработанного массива горных пород / В. А. Дрибан, Н. А. Дуброва // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2019. - № 7 (22). - С. 170-177.
3. Дрибан, В. А. Особенности формирования пустотности подработанного массива горных пород в различных горногеологических условиях / В. А. Дрибан, Н. А. Дуброва // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2019. - № 8 (23) (часть 1). -С. 339-351.
4. Дрибан, В. А. Формирование пустотности подработанного массива в условиях крутого падения горных пород /
B. А. Дрибан, Е. Н. Шевченко, Н. А. Дуброва // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых. Материалы 16 Междуна-
родной научной школы молодых ученых и специалистов. - М: ИПКОН РАН, 2023. - С. 125-129.
5. Методические положения по решению гидрогеологических задач при разработке проекта ликвидации шахты (пособие проектировщику) РТМ 6.04.95. - Донецк: Донгипрошахт, 1995. -17 с.
Дрибан Виктор Александрович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, и.о. директора иснтитута, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, viktor-driban@yandex.ru.
Дуброва Наталья Александровна, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, отдела гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк.
Шевченко Евгений Николаевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий отделом гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк.
PRACTICE OF APPLYING A NEW APPROACH TO ASSESSING THE VOIDNESS OF A MINED ROCK MASS
The article considers to cases of practical usage of a new approach to the assessment of voidness in hydrogeological forecasts with a disadvantage of initial data, examples of verification of theoretical and actual values are given.
Keywords: hydrogeomechanical forecast, flooding level, water inflow, coefficient of voidness, integral approach.
Driban Viktor Alexandrovich, Doctor of Engineering Sciences, Senior Researcher, Acting Director of the Institute, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, viktor-driban@yandex.ru.
Dubrova Nataliya Alexandrovna, Ph. D. in Engineering Sciences, Leading Researcher оf the Department of Hydrogeomechanical Research and Subsoil Protection, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk.
Shevchenko Evgeny Nikolaevich, Ph. D. in Engineering Sciences, Leading Researcher, Head of the Department of Hydrogeomechanical Research and Subsoil Protection, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk.
