CC BY
15
УДК 556.491:622
Г. П. Євграшкіна*, О. М. Грабовець**, М. А. Єрченко**
*Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара
**Придніпровська державна академія будівництва та архітектури
ПРОГНОЗ СОЛЬОВОГО РЕЖИМУ НЕОБВОДНЕНОГО РЕКУЛЬТИВОВАНОГО ШАХТНОГО ВІДВАЛУ В НЕУСТАЛЕНОМУ РЕЖИМІ НА ТЕРИТОРІЇ ЗАХІДНОГО ДОНБАСУ
На основі фізико-хімічної гідродинаміки пористих середовищ виконано прогноз сольового режиму необводненого шахтного відвалу при мінімальному значенні транспірації в умовах неусталеного режиму.
Ключові слова: шахтний відвал, сольовий режим, прогноз.
На основе физико-химической гидродинамики пористых сред выполнен прогноз солевого режима необводненного отвала, при минимальном значении транспирации в условиях неустановившегося режима.
Ключовые слова: шахтный отвал, солевой режим, прогноз.
On the based theory of physical-chemical hydrodynamic of porous media was executed prognosis salt rate no suppying with water mine dumps of minimum sense transhiration in conditions no established rate.
Key words: mine dumps, salt rate, prognosis.
Вступ. Західний Донбас - перспективний гірничодобувний регіон України. Видобуток вугілля супроводжується інтенсивним водовідливом шахтних вод підвищеної мінералізації, які акумулюються у ставках-накопичувачах, побудованих без екранізації днищ. Частина земель, придатних для сільськогосподарського використання, вже засипана шахтними відвалами, площа яких постійно збільшується. Для сільськогосподарських цілей породи без рекультивації не придатні і служать додатковим джерелом засолення ґрунту і підземних вод.
Масштаби забруднення ґрунтового шару, поверхневих і підземних вод породами, видобутими із гірських виробок у Західному Донбасі, залежать від об’єму, форми, розміщення відвалу відносно геоморфологічних елементів і форм рельєфу, глибини залягання першого від поверхні водоносного горизонту, фільтраційних властивостей порід в основі відвалу.
Породи усіх відвалів являються однотипними за хімічним складом і складаються переважно з глинистих мінералів та гідроокисів, з домішками воднорозчинних солей.
Об’єктом дослідження є шахтні відвали вільного заростання ділянки Дніпропетровського державного аграрного університету, що представляють собою вирівняну площину близько 5 га і розташовані на схилі ріки Самари та у заплаві на землях природоохоронної території. На шахтну породу здійснено насип завтовшки по 100 см (1 м) суміші червоно-бурої глини.
Метою роботи є вибір оптимального варіанта рекультивованого шахтного відвалу вільного заростання та створення природоохоронних заходів гідрогеологічного напрямку, які треба починати з поліпшення структури режимної спостережної сітки.
© Г. П., Євграшкіна, О. М. Грабовець, М. А. Єрченко, 2012
Методи дослідження. Задача розв’язана на моделі вертикального солепереносу аналітичними та чисельними методами.
Викладення основного матеріалу. Фізико-математичні моделі руху води і солей шахтних відвалів у неусталеному режимі побудовані на основі теорії фізико-хімічної гідродинаміки пористого середовища [1], згідно якої цей процес описується рівняннями руху і збереження маси речовини. Для вертикального солепереносу шахтних відвалів також застосовується рівняння (1)
^ д2С дС дС
D—т - V--= n--
дх2 дх dt
(1)
D=DM+^V,
(2)
де D - коефіцієнт гідродисперсії, м2/добу; С - мінералізація підземних вод у зоні повного водонасичення; мінералізація ґрунтового розчину в зоні аерації, г/дм3; V -швидкість фільтрації в зоні повного водонасичення; і швидкість вертикального вологопереносу в зоні аерації м/добу; V= V1-V2; Vi - швидкість висхідного потоку, м/добу; V2 - швидкість нисхідного потоку, м/добу; х - просторова координата м; t координата часу, доба; n - активна пористість у зоні повного водонасичення; обє’мна вологість у зоні аерації, частки одиниць; X - параметр розсіювання речовини, м.
Рівняння (1) аналітичного розв’язання для висхідного потоку не має, тому для характеристики розвитку вторинного засолення у часі використано його кінцево-різнецеве відображення за явною схемою
С ,2 - С 2
D —і-1-------і- - D
м (Ах)2 ‘
—і2 - с1+1% Vi —= п —і" - Сі2
(Ах)2
Ах
At
(3)
де і-1, і, і+1 - просторові індекси розрахункових точок; т, т+1 - часові індекси розрахункових точок; См, Сі, Сі+і - засолення у розрахункових точках, %.
Використання явних кінцево-різницевих схем накладає обмеження на вибір кроків по просторовій Ах, м, і часовій At, діб, координатам [2]
Ах <
2РМ
"V"
At <
(Ах)2
2D,,
(4)
Задача розв’язана при граничних умовах III роду на поверхні землі (х=0)
виду:
СгV = D
м
де
дх
(5)
де Сг - засолення відвалу (змінюється в межах від 0,3 % до 1,3 %);
Для розрахункових точок 0, 1, 2 (рис. 1), рівняння (3) і (5) матиме вигляд:
D,,
(Ах)2
D,
С 2 - С 2
------j2- + Vi
(Ах)2
С 2 - С С1 С2
Ах
С2+1 - С2 1 At
Со2- Сі
2
2
(6)
CV = D
м
Coх- C^
Ax
(7)
Після перетворення і узгодження (3) і (7), рівняння (6) матиме вигляд:
Сі
т+1
AtC Г V nAx
БмAt(CiX- С2х) , ViAt(CiX- С2х)
n(Ax)2
Axn
+ C
X
(8)
пов. Землі
Глини '~'1—' '~'1—' пов. Відвалів
Ь * -3 ^ ^ V ^ [7 Відвали ^ Р. [7 v Л [7 □ ^
Рис. 1. Схема необводненого рекультивованого шахтного відвалу вільного заростання
Приклад розрахунку вторинного засолення розглянемо за даними запропонованими Агроуніверситетом [3]: середнє засолення глинистої товщі, у тому числі на поверхні землі Со=0,03 %; засолення відвалу (змінюється в межах від 0,3 до 1,3 %) для розрахунку приймаємо Сг=0,6 %; об’ємна вологість n=0,2 частки одиниць; коефіцієнт молекулярної дифузії Бм=9 10"5 м2/добу; результуюча швидкість висхідного потоку Vi=0,3- 10-4 м/добу.
Проводимо розрахунок Ах і At за критерієм (4)
4 2 • 9 -10-5
Ax <--------------—
0,3 •іо-4
= 6м ’
At < (0,9)2 = 4500 діб~12,33 роки.
2 • 9 •Ш-5
Для детального дослідження приймаємо Ах=0,5 м, а At=365 діб (1 рік).
_х+і 365^0,6• 0,3•Ю-4 9•Ю-5 • 365-(0,03-0,6) 0,3-10-4 • 365-(0,03-0,6) %.
C, =----------------------------т------\---------------------h 0,03 = 0,408
1 0,2 • 0,5 0,2 • (0,5)2 0,5 • 0,2
У процесі розв’язання задачі на початку визначається засолення на момент
часу т+1 у точці 1 на відстані Ах від поверхні землі СГ+1. Засолення на поверхні
Сот+' розраховується наступним чином:
де
Cr V, = D,
р х+1 _р х C0 C1
1 Ax
Cn
х+1
Cr ViAx ^ х+1
---------h C-i ?
dm 1
(9)
Со - середнє засолення глинистої товщі, у тому числі на поверхні землі, %.
C
х+1
0
0,6 • 0,3•10-4 • 0,5 9 ‘10-5
+ 0,408 = 0,508 %.
Результати розрахунку вторинного засолення у неусталеному режимі представлені табл. i та графічно відображені на рис. 2 - i2.
Результати розрахунку вторинного засолення у неусталеному режимі
№ точ ки Коор- та точки х, м Вихідна засо- леність Сі, % Прогнозна засоленість С, %
На термін t, років
1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 0 0,03 0,508 0,679 0,756 0,791 0,807 0,814 0,817 0,819 0,819
1 0,5 0,03 0,408 0,579 0,656 0,691 0,707 0,714 0,717 0,719 0,719
2 1 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
C, %
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70
Рис. 2. Результати розрахунку вторинного прогнозного засолення терміном на 1 рік
Рис. 4. Результати розрахунку вторинного прогнозного засолення терміном на 3 роки
Рис. 6. Результати розрахунку вторинного прогнозного засолення терміном на 5 років
Рис. 8. Результати розрахунку вторинного прогнозного засолення терміном на 7 років
Рис. 3. Результати розрахунку вторинного прогнозного засолення терміном на 2 роки
Рис. 5. Результати розрахунку вторинного прогнозного засолення терміном на 4 роки
0, С, % 40 0,50 0,60 0,70 0, 30 0, 0
У
/
S 06. *
Рис. 7. Результати розрахунку вторинного прогнозного засолення терміном на 6 років
Рис. 9. Результати розрахунку вторинного прогнозного засолення терміном на 8 років
0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85
Рис.10. Результати розрахунку вторинного прогнозного засолення терміном на 9 років
Рис. 11. Результати розрахунку вторинного прогнозного засолення у часі на поверхні
Рис. 12. Результати розрахунку вторинного прогнозного засолення у часі на глибині 0,5 м
Висновки. З розрахунків добре видно, що стабілізація процесу вторинного засолення при коефіцієнті молекулярної дифузії Бм=9 10"5 м2/добу настає через 9 років. Отже, при розрахунку варіанта необводненого рекультивованого шахтного відвалу, без зрошення, засолення насипного шару є неминучим. Для його запобігання необхідно створювати промивний режим, нисхідний потік вологи. Зрошення можна здійснювати мінімальними нормами.
Бібліографічні посилання
1. Евграшкина Г.П. Матиматические модели вертикального солепереноса на шахтных отвалах Западного Донбасса / Г.П Евграшкина, Н.Н. Харитонов, Н.И. Жиленко // Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасопереносу. -2008. - С. 167-168.
2. Пасконов В.М. Численное моделирование процессов тепло и масообмена. / В. М. Пасконов - М., 1984. - 228 с.
3. Харитонов Н.Н. Оценка перспективных вариантов сельскохозяйственного использования на стационаре в Павлограде (около шахты Павлоградская) / Н.Н. Харитонов, Г.П. Евграшкина, Н.И. Жиленко. № договора 08-151591-4-427, 2008.
Надійшла до редколегії 29.02.12.
