CC BY
34
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97»
МОСКВА, МГГУ, 3.02.97 - 7.02.97 СЕМИНАР 7 «РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ ПЛАСТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ»
В.И. Бондаренко, А.Г. Разводов,
И.А. Садовенко, В.Г. Пасечный
Государственная горная академия Украины
СИНХРОНИЗАЦИЯ ГОРНЫХ РАБОТ И ПРИРотоОХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИИ
Резюме: разработана и применяется на практике система водорегулирования на основе синхронизации горных работ и природоохранных технологий. Она позволяет найти соотношение между динамикой фронта горных работ, частотой и объемами сброса накопленной в отстойниках шахтной воды, необходимой емкостью прудов-накопителей, пространственными и временными параметрами поверхностного дренажа. Разработанная система позволяет стабилизировать уровенный режим и сгладить пиковые нагрузки на гидросферу, уменьшив их значения в 1.5-2 раза.
1. ПОСТАНОВОЧНЫЕ АСПЕКТЫ
Горная промышленность Украины является наиболее мощным фактором негативного влияния на поверхностную и подземную гидросферы. В горнодобывающих регионах подземный сток на80-90% вовлечен в шахтный водоотлив. Активизация зон замедленного водообмена привела к увеличению минерализации поверхностных вод в 2-4 раза. На подработанных площадях деградирует растительность из-за уменьшения зоны аэрации.
Так, например, в Западном Донбассе, интенсивно развивающемся угледобывающем регионе Украины, эксплуатируется 11 угольных шахт с суммарным водопритоком около 5000 куб.м/чв котором 85% составляют водопритоки в шахты им.Н.И.Сташкова (1750 куб.м/ч), "Степная"(Ю00 куб.м/ч) и "Юбилейная"(900 куб.м/ч). Шахтный водо-
отлив, главным образом из этих шахт, предопределяет развитие региональных депрес-сионных воронок, истощение подземных вод, в том числе и в горизонтах, эксплуатируемых для целей водоснабжения.
Состав откачиваемых шахтных вод определяется объемом и соотношением смешивающихся вод, поступающих из мезо-кайнозойских и нижнекаменноугольных отложений продуктивной толщи. Максимальное количество откачиваемых и подлежащих сбросу в речную сеть шахтных вод, имеет минерализацию 3-10 г/л ( до 50%суммарного водоотлива), а 3% приходится на воды с минерализацией, превышающей 30 г/л.
Эксплуатация угольных шахт при принятой системе разработки с полным обрушением кровли вызывает интенсивные деформации верхней толщи земной коры, которые выражаются в сдвиже-нии горных пород над выработанным пространством и оседании земной поверхности. В связи с тем, что в Западном Донбассе на отдельных шахтах отрабатывается несколько угольных пластов одновременно, то земная поверхность проседает на 5-7 м, вызывая подтопление и затопление. В настоящее время в Западном Донбассе в зоне затопления и подтопления ведутся горные работы шахт "Благодатная", "Павлоградская", "Тернов-ская", "Самарская", "Днепровская". Этими шахтами подработано(подтоплено и затоплено) более 1500 гектаров земельных угодий.
Защита окружающей среды от негативного влияния техногенеза может быть эффективно решена на базе детально разработанной научно-технической основы по прогнозу техногенных процессов и их управлению инженерными мероприятиями. Необходимо отметить значительное отставание теории от запросов практики в разработке научно-методических подходов к оценке различных техногенных процессов, и еще в большей степени, отставание в разработке простых и эффективных средств защиты окружающей среды от негативного воздействия.
В связи с этим, уделим основное внимание обоснованию технологических параметров охраны водных и земельных ресурсов при разработке угольных месторождений приуроченных, главным образом, к речным долинам и характеризующихся высокими водопритоками в шахты, значительными объемами сброса загрязненных шахтных вод в речную сеть, широким развитием процессов подтопления и затопления подрабатываемых территорий.
2. ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИЕЙ
Нами, впервые по истечении тридцатилетнего срока отработки угольных пластов в Западном Донбассе, установлена доминантная роль погребенных русловых песчаников в формировании притоков в горные выработки. До сих пор им отводилось подчиненное значение в этом процессе. Однако, тщательный параметрический анализ параметрический анализ гидродинамических параметров в изученных реальных полях напоров и скоростей фильтрации, указал именно на это.
Формирование техногенного режима водных ресурсов и повышенные водоприто-ки при ведении горных работ обусловлены наличием аллювиальных (русловых) песчаников нижнего карбона, залегающих в кров-
ле угольных пластов и гидравлически связанных с водоносной толщей мезо-кайнозоя. Эти песчаники, ввиду их значительной мощности и особенностей распространения^ виде линейно вытянутых зон) обладают повышенными водопроводящими свойствами. Через них в горные выработки поступают значительные объемы подземных и поверхностных вод, формируя техногенный гидродинамический режим гидросферы. С гидродинамической точки зрения эти водопроводящие зоны можно интерпретировать как граничное условие первого рода. Экологические (водоохранные) целики, примыкающие к зонам развития аллювиальных песчаников, могут существенно уменьшить водопритоки в горные выработки и, как следствие, снизить техногенную нагрузку на гидросферу. Гидродинамический расчет для схемы однослойного полуограниченного пласта с граничным условием первого рода на его контуре показывает, что с удалением выемочного столба от зоны распространения аллювиальных песчаников, величина водо-притока в столб резко уменьшается и уже на расстоянии 500-700 м от нее снижается в 2.5-3 раза.
Приведенные расчетные показывают возможность управления отработкой угольного пласта как средством уменьшения во-допритоков. Однако они не могут быть использованы для обоснования оптимальных размеров экологических целиков, т.к. не учитывает морфометрические особенности русловых песчаников. Кроме того, аналитические расчеты дают завышенные результаты, т.к. расчетная водопроводимость на границе исследуемого пласта стремится к бесконечности. В реальных же условиях величина водопроводимости зоны распространения песчаников в весьма редких случаях превышает 30 кв.м/сут.
В этих условиях актуальность задачи состоит в оптимизации размеров оставляемых экологических целиков. Критерий для
их выбора базируется на двух очевидных условиях: с одной стороны -на необходимости максимально возможной полноты извлечения запасов угля, а с другой - максимально возможного снижения пластовых притоков.
В этом случае расчет оптимальных размеров экологических целиков должен формулироваться следующим образом: параметры целика при отработке угольного пласта, характеризующегося развитием русловых песчаников, должны быть такими, чтобы величина пластового притока не превышала его величины, характерной для гидрогеологически открытого пласта, в пределах распространения которого русловые песчаники отсутствуют.
Для условий Западного Донбасса при максимальной водопроводимости угольных пластов 2 кв.м/сут, величина перетока в шахту по ним находится в пределах 250-300 куб.м/ч. Отсюда следует, что целик угля должен иметь размеры, при которых пласто-вый водоприток по угольному пласту не превышает вышеупомянутой величины.
Комплекс численных гидродинамических расчетов позволил установить, что размеры экологических целиков изменяются от 650 до 0 м при мощности русловых песчаников от 50-60 до 10 м. При этом гидродинамический эффект выражается в том, что максимальное понижение уровней подземных вод в водоносных горизонтах покровных отложений не превышает 2-4м, а величина пластового притока снижается в 2.5-3 раза.
Уменьшить потери извлекаемых запасов угля при оставлении экологических целиков можно за счет уменьшения зоны безопасного ведения горных работ на участках размыва песчаников и выхода угольных пластов под водосодержащие покровные отложения. Авторами было теоретически установлено и экспериментально подтверждено (при отработке пласта Се на шахте
"Терновская"), что в условиях Западного Донбасса кратность подработки можно уменьшить с 25т до (9-10)т, где т - вынимаемая мощность угольного пласта. При мощности угольного пласта 1 м и угле его падения 3-5 градусов, ширина зоны безопасного ведения горных работ может быть уменьшена за счет этого в 2.5 раза. Отработку угля в этом случае целесообразно осуществлять с применением укороченных лав (65-75 м), что существенно повышает водозащитные функции горного массива.
Анализ эффективности различных технических решений (дифференцированный водоотлив, организация противо-фильтрационных завес, захоронение части высокоминерализованных стоков в глубокие водоносные горизонты и др.) по снижению негативного влияния сброса шахтных вод на солесодержание поверхностных водотоков показал, что реализация рассмотренных решений при значительных капитальных затратах не позволяет адекватно снизить минерализацию речных вод в пределах промышленной зоны. Единственным радикальным способом является деминерализация шахтных вод, однако в настоящее время и на ближайшую перспективу ее реализация в требуемых объемах нереальна. В этих условиях сброс шахтных вод из прудов-накопителей неизбежен.
3. РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА СБРОСА ШАХТНЫХ ВОД
Рассмотрим решение задачи по максимально возможному снижению отрицательного влияния сброса шахтных вод на качество речных вод. Это достигается путем регулирования выпуска шахтных вод в поверхностные водотоки в зависимости от их гидролого-гидрохимического режима. Для обеспечения регулирования необходимо найти такую аналитическую зависимость между величинами выпуска шахтных вод из каждого эксплуатируемого отстойника и
расходом реки, при которой повышение минерализации речных вод на выходе из промышленной зоны было бы минимальным.
Решение задачи об оптимизации выпусков шахтных вод позволяет решить важную проблему в горнодобывающих районах, связанную с определением необходимых емкостей отстойников и отводом сельскохозяйственных земель под их строительство. Для этой цели авторами была разработана вероятностно-стохастическая модель речного стока, в основу которой была положена теория нестационарных временных рядов.
Минерализация речных вод на выходе из промышленной зоны является, в общем случае, функцией N выпусков шахтных вод и определяется по известной зависимости:
K<Q. > = <Qp Mr +1 ö м, (QP + S Q, я1)
i а
где M’ - минерализация речных вод после
сброса шахтных вод из всех прудов; Ор и О, -расходы реки на входе в промышленную зону и каждого выпуска шахтных вод; М и
М -фоновая минерализация реки и шахтных вод в каждом из прудов.
Минимальное влияние сброса шахтных вод на минерализацию поверхностных водотоков будет отмечаться в том случае, когда М* - М’ - М_ -» min. Задача состоит в том, чтобы найти такие значения 0„ при которых величина М * была бы минимальной. Для этого необходимо решить следующую систему уравнений: дМ*
—— = 0, /=1, N (2)
при ограничениях О, > 0 . Л/, > Мр , вытекающих из физического смысла решаемой задачи. Решение системы (2) позволяет организовать регулирование сброса шахтных вод в пределах речных.бассейнов и добиться минимизации негативного влияния сбросов промышленных стоков на качество вод по-
верхностных водотоков в региональном масштабе. Многовариангные расчеты системы (2) позволили установить, что при регулируемых выпусках минерализация речных вод на выходе из углепромышленной зоны в течение всего периода времени поддерживается постоянной и не превышает меженных фоновых ее значений.
Осуществление регулируемых выпусков позволяет снизить негативное влияние шахтного водоотлива на качество поверхностных водотоков более чем на 40% при незначительных капитальных затратах.
4. ДРЕНАЖНАЯ ОХРАНА ЗЕМЕЛЬ
Завершающим элементом синхронизации горных работ и природоохранной технологии является модельное прогнозирование и осуществление систем поверхностного дренажа как эффективного средства сохранения земельных угодий, подрабатываемых при отработке углей в пойменных частях рек. Математические компьютерные модели учитывают изменения мощности водоносных горизонтов при подработке, дренирующей роли гидродинамических границ при оседании области фильтрации, изменение испарения при изменении соотношения между опускающейся земной поверхностью и уровнем грунтовых вод. На базе разработанных моделей было установлено. что эксплуатация горизонтальных дрен на проседающих территориях может не только обеспечить удовлетворительные мелиоративные условия на проседающих территориях на все периоды ведения горных работ, но и снизить на 5-15 % водопритоки в шахту при отработке углей в бресберговом поле. Реализация описанного комплекса природоохранных мероприятий в увязке в ведением горных работ позволяет существенно уменьшить негативное влияние угледобычи на водные и земельные ресурсы горнодобывающих регионов.
©Авторов
