CC BY
0УДК 622.847
Е. Н. Шевченко, Н. А. Дуброва
ВЕРИФИКАЦИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОГНОЗОВ ПО ДАННЫМ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
Выявление основних факторов, влияющих на точность и достоверность гидрогеологичских прогнозов по результатам натурных наблюдений.
Ключевые слова: гидрогеологический прогноз, уровень затопления, водоприток, коэффициент пустотности.
Введение. В настоящее время в Донецкой Народной Республике активно реализуется программа реструктуризации угольной промышленности, основным исполнителем которой, в части составления гидрогеологических прогнозов, является Республиканский академический научно-исследовательский и про-ектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела.
РАНИМИ обладает многолетним опытом составления гидрогеологических и гидрогеомеханических прогнозов, проектов ликвидации горнодобывающих предприятий, определения безопасного уровня затопления, прогнозов стабилизации уровней затопления, прогнозов и мониторинга за активизацией деформаций земной поверхности, вследствие затопления и целым рядом других актуальных проблем, возникающих при ликвидации как отдельных шахт, так и кустов угледобывающих предприятий в масштабах региона.
За последние пять лет отделом гидрогеомеханических исследований и охраны недр РАНИМИ выполнено 26 гидрогеологических прогнозов, 58 проектов затопления, более 140 рекомендаций и заключений, 13 комплексных работ по гидрогеомехани-ческому мониторингу по шахтам Донецкой Народной Республики. За всю историю РАНИМИ (УкрНИМИ) подобных работ было выполнено более тысячи. Примеры решения практических задач
гидропрогноза с учетом особенностей развития гидрогеологической ситуации и оценкой негативных последствий затопления приведены в [1], [2].
Массовая ликвидация угольных предприятий привела к кардинальному изменению гидрогеологического режима породного массива и его физико-механических свойств, что проявилось в виде угрозы смежным действующим угольным предприятиям и земной поверхности, а также обнажило проблему недостаточной изученности поведения подработанных массивов в процессе затопления [3-7]. В данных условиях, наиболее актуальной является задача составления точных и достоверных гидрогеомеханиче-ских прогнозов, определяющих основные временные и технико-экономические показатели необходимых мероприятий.
Результаты исследований. В основе достоверного гидро-геомеханического прогноза лежит определение времени и скорости затопления подработанного массива, расчет которых основывается на следующих данных:
- уровни затопления;
- даты выполнения замеров уровней затопления;
- площади или объемы выработанного пространства, затопленные за известные временные периоды;
- площади или объемы выработанного пространства, подлежащие затоплению;
- водопритоки по шахте;
- коэффициент остаточной пустотности массива.
Алгоритм и теоретические основы составления гидрогеологического прогноза согласно требованиям нормативных документов [8-12] подробно изложены в [13]. Отметим, что указанная методика определения сроков и скорости затопления хорошо зарекомендовала себя при составлении гидропрогнозов на условно «простых» объектах. Как правило, это гидравлически обособленные горнодобывающие предприятия или группы шахт с прямыми единичными гидросвязями, отрабатывающие несколько пластов в не сложных геологических условиях. В таких случаях достоверность и надежность описанной методики расчета сроков и скоростей затопления подтверждается высокой степенью сходимости расчетных и, полученных постфактум, фактических значений. Так, прогнозная скорость затопления по шахте «Бутовская» опре-
делена на уровне 0,26 м/сут, а наблюдаемая по факту в период с
23.03.2019 г. по 02.05.2020 г. в среднем составила 0,23 м/сут, при этом за май 2020 г. - 0,26 м/сут. По шахте «Моспинская» прогнозная скорость затопления 0,07 м/сут, а фактическая (на
22.05.2020 г.) 0,09 м/сут. Однако на практике, когда решаются задачи ликвидации кустов шахт в сложных горно-геологических условиях при острой нехватке экспериментальных данных, методика нередко работает некорректно, демонстрируя значительные неточности. Особой сложностью отличаются гидропрогнозы для Центрального района Донбасса, где ликвидируются целые группы шахт, отрабатывающие десятки пластов крутого падения в чрезвычайно сложных геологических условиях, при этом затопление, как правило, происходит единым контуром на разные проектные уровни, что неизбежно приводит к необходимости учета и анализа множественных гидравлических связей, кардинального изменения структуры и свойств вмещающего многократно подработанного массива [14], а также усовершенствованию методов определения основных влияющих на достоверность гидропрогноза параметров.
В основе достоверного гидрогеологического прогноза лежит ряд факторов, одним из которых является корректное определение значений водопритоков Q.
Прогнозирование водопритоков в горнодобывающие предприятия должно осуществляться методами, позволяющими в наибольшей мере учесть природные условия участка разработки, степень их изученности и опыт эксплуатации месторождений в аналогичных условиях. В зависимости от гидрогеологических условий и соответствующих исходных данных, определение притока воды в горные выработки производится следующими методами:
1) гидрогеологической аналогии;
2) гидравлическим методом;
3) методом водного баланса;
4) гидродинамическим методом с использованием аналитических расчетов или моделирования [15].
На данный момент при составлении гидрогеологических прогнозов определение величины притока воды в горные выпол-
няется согласно требований нормативного документа [11], предписывающего использовать формулу (1).
Q = Q
ф
Н
пр
Н
(1)
ф
где Qф - фактический приток воды на нижнем горизонте, м3/сут;
Нф - глубина горных работ на нижнем горизонте, м;
Нпр - глубина горизонта, до которого рассчитывается затопление выработанного пространства, м.
Таким образом, использование формулы (1) для расчета изменения водопритока в горные выработки при затоплении дает равномерное изменение значений водопритока от самых глубоких горизонтов вплоть до безопасного уровня затопления.
Согласно [15], для ряда крупных угольных бассейнов предложены эмпирические формулы расчета водопритоков, относящиеся к методу аналогии. Эти зависимости основаны на анализе массового материала наблюдений за водопритоками в горные выработки. Для условий Донбасса предложен ряд эмпирических зависимостей следующего вида:
Qn = Qz
п i
S
n
S
Э
Qn = Q
Э
S n Fn
S Э S Э
Qn = Qz
\
S n Fn
S Э i Fэ
(2)
(3)
(4)
где Qп - ожидаемый общий приток воды в проектируемую шахту, м3/сек (м3/час);
Qэ - фактический приток в действующую шахту, являющуюся аналогом, м3/сек (м3/час);
Sп и Sэ - понижения уровня на проектируемой и эксплуатируемой шахтах соответственно, м;
Fп и Fэ - отработанные площади на участках проектируемой
" 2 и эксплуатируемой шахт, м2.
В формуле (2) увеличение показателя n зависит от уменьшения с глубиной трещиноватости и проницаемости пород продуктивной толщи. Это в определенной мере связано с повышением метаморфизма и прочности пород с глубиной, что ведет к уменьшению высоты зоны обрушения в лавах. Если n=2, то наблюдается определенное закономерное затухание с глубиной трещиноватости пород, в данных условиях не связанное с турбулентным движением подземных вод в потоках к выработкам.
Наблюдения за водопритоками в шахтные стволы и горные выработки позволили выделить три зоны водообмена, обусловленные интенсивностью трещиноватости пород [15]:
а) зона активного водообмена, в которой притоки существенно возрастают до глубины 200-400 м и значение n часто близко к 2;
б) зона замедленного водообмена, в которой притоки в пределах глубин около 400-800 м растут медленно и значения n составляют от 2 до 3, а в некоторых случаях превышают 3;
в) зона практически застойного режима с глубины 1000 м и ниже, где n>3.
Из формулы (2) следует, что изменение величины водопри-тока в массиве происходит неравномерно и зависит от интервала глубин, в котором расположены затапливаемые выработки.
Таким образом, использование формулы (1) может приводить к значительному занижению значений ожидаемых водопри-токов и спровоцировать ошибки первого рода при определении сроков и скорости затопления массивов в широком диапазоне глубин. Также следует учитывать возможность поступления кратковременных, но существенно повышенных притоков на участках развития достаточно крупных тектонических нарушений и сезонное колебание водопритоков.
Еще одним фактором, влияющим на точность и достоверность гидрогеологического прогноза, является оценка пустотно-сти массива. В настоящее время существует несколько методических документов, регламентирующих порядок определения теоретических значений коэффициента пустотности кп [8]-[10]. Однако, в случае наличия экспериментальных данных, предпочтение отдается использованию значений, полученных на их основе.
Экспериментальные значения коэффициента пустотности получают на основании фактических данных о площади выработанного пространства, затопленного за известные промежутки времени, вынимаемой мощности пласта, и данных о среднем во-допритоке для диапазона глубин, в пределах которого подсчитаны площади затопленного выработанного пространства. На основании графиков изменения уровня затопления выбирается временной интервал, в течение которого уровень затопления демонстрировал стабильный рост, при этом важнейшим условием является отсутствие гидравлических связей со смежными шахтами в затопленном диапазоне массива. Неверный выбор расчетного диапазона глубин влечет за собой получение некорректных экспериментальных значений остаточной мощности тост, иногда превышающих вынимаемую мощность в несколько раз. Подобные ситуации возникают в случае срабатывания гидросвязей, вследствие чего происходит стабилизация уровня затопления при неизменном стабильном водопритоке в течение длительного временного периода. Еще одним важным обстоятельством является достаточный размер выбранного расчетного диапазона. На практике, в случаях, когда разница отметок верхней и нижней границ подсчета площадей выработанного пространства не превышала 100 м, полученные расчетные значения кп были непоказательны.
При этом следует отметить, что даже в случае применения экспериментального метода определения кп в ряде выполненных гидропрогнозов были обнаружены значительные неточности в определении сроков затопления в сторону их увеличения, что может быть связано как с параллельными погрешностями в вычислении величин водопритоков по формуле (1), так и с особенностями геологического строения затапливаемого массива. Так в работе [16] выявлено существенное отличие расчетных и фактических значений коэффициента заполнения, что по мнению авторов во многом объясняется горно-геологическими условиями ведения горных работ, а именно наличием в кровле пластов песчаников, песчаных сланцев и известняков, а также высоким метаморфизмом горных пород.
В случае отсутствия экспериментальных данных коэффициент остаточной пустотности определяется на основе действующих нормативных документов. В настоящее время существует
несколько методических указаний и руководств, регламентирующих порядок определения теоретических значений коэффициента пустотности кп [8]-[10]. Анализ указанных нормативных документов выявил ряд неточностей и неопределенностей в рекомендациях по определению кп, что не только затрудняет их полноценное применение на практике, но и в целом ряде геомеханических ситуаций приводит к невозможности или крайней ограниченности их использования. В этом случае уместно использовать универсальный интегральный подход к оценке пустотности выработанного пространства, разработанный и предложенный в РАНИМИ [17]-[9].
Выводы. Составление достоверного гидрогеологического прогноза является сложной комплексной научно-технической задачей с широким спектром влияющих факторов.
Действующая методика определения сроков и скорости затопления хорошо зарекомендовала себя при составлении гидропрогнозов на условно «простых» объектах и демонстрирует высокую степень достоверности полученных результатов хорошей корреляцией с фактическими наблюдениями.
Верификация выполненных прогнозов по натурным наблюдениям при ликвидации кустов шахт в сложных горногеологических условиях выявила случаи значительных неточностей в определении сроков и скорости затопления некоторых шахт, что требует усовершенствования методов определения основных влияющих на достоверность гидропрогноза параметров: в первую очередь значений водопритоков и коэффициента пустотности массива. Помимо этого, в особо сложных случаях необходимо предусмотреть научно-техническое сопровождение процесса затопления с корректировкой расчетов по мере затопления на основе натурных наблюдений.
В РАНИМИ предложен новый подход к оценке пустотности подработанного массива, который, возможно, будет усовершенствован с учетом степени метаморфизма и литологических особенностей строения слагающего массива.
При расчете изменения водопритоков в горные выработки требуется не только корректировка действующей методики, но и калибровка с учетом опыта эксплуатации месторождений в аналогичных условиях.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700021-4-2.7.1;2.7.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Дрибан В. А. Особенности развития гидрогеологической ситуации на примере шахты им. В. М. Бажанова / В. А. Дрибан, Е. Н. Шевченко, Н. А. Дуброва // Труды РАНИМИ: сб. научн. трудов. - Донецк, 2021. - № 12-13 (27-28). - С. 185-197.
2. Дрибан В. А. Оценка негативных последствий затопления горных выработок при ликвидации группы шахт Торезско-Снежнянского района ДНР / В. А. Дрибан, Е. Н. Шевченко, Н. А. Дуброва, С. Ю. Селяков // Труды РАНИМИ: сб. научн. трудов. - Донецк, 2021. - № 14-15 (29-30). - С. 22-31.
3. Дрибан В. А. Трансформация геологической среды в угледобывающих регионах / В. А. Дрибан, Н. А. Дуброва // «Экологические аспекты горного и перерабатывающего производства»: материалы VII науч.-техн. конф. - Москва: ВНИПИпромтехноло-гии, 2022. - С.102-112.
4. Дрибан В. А. Некоторые аспекты экологической безопасности подработанных территорий и пути их решения/ В. А. Дрибан // «Экологические аспекты горного и перерабатывающего производства: материалы VII науч.-техн. конф. -Москва: ВНИПИпромтехнологии, 2022. - С.43-54.
5. Дрибан В. А. Об одном подходе к оценке устойчивости массива горных пород вокруг выработок / В. А. Дрибан // Науковi пращ УкрНДМ1 НАН Украши: зб. наук. пр. - Донецьк, 2010. -№ 7. - С. 211-224.
6. Дрибан В. А. Об одном пути потери устойчивости горной выработки / В. А. Дрибан // Науковi пращ УкрНДМ1 НАН Украь ни: зб. наук. пр. - Донецьк, 2011. - № 9. - Ч. I. - С. 309 - 335.
7. Driban V. A. On the control of strata stability using frame-anchor systems / V. A. Driban, A. O. Novikov, I. N. Shestopalov // Mining of Mineral Deposits 2013 Taylor & Francis Group, London, ISBN: 978-1-138-00108-4. - P. 59 - 70.
8. Методические положения по решению гидрогеологических задач при разработке проекта ликвидации шахты (пособие проектировщику) РТМ 6.04.95. - Донецк: Донгипрошахт, 1995. -17 с.
9. Методические указания по оценке гидрогеологических условий ликвидации угольных шахт, обоснованию мероприятий по управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической безопасности [Текст]. - М.: ИПКОН РАН, 1997. - 24 с.
10. Методическое руководство по прогнозу гидрогеологических условий ликвидации угольных шахт и обоснованию мероприятий, обеспечивающих предотвращение негативных экологических последствий. - СПб.: ВНИМИ, 2007. - 79 с.
11. КД 12.12.004-98 Ликвидация угольных шахт. Защита земной поверхности от затопления горных выработок. Рекомендации: МУП Украины - Донецк, 1998. - 46 с.
12. Инструкция по безопасному ведению горных работ у затопленных выработок. Л.: ВНИМИ, 1984. - 66 с.
13. Шевченко Е. Н. Практика определения сроков и скорости затопления подработанного массива горных пород / Е. Н. Шевченко, Н. А. Дуброва // Труды РАНИМИ: сб. научн. трудов. -Донецк, 2020. - №9 (24). - С. 69-77.
14. Дрибан В. А. Трансформация геологической среды в угледобывающих регионах / В. А. Дрибан, Н. А. Дуброва // Материалы научной конференции Экологические аспекты горного и перерабатывающего производства: материалы VII науч.-техн. конф. - Москва: ВНИПИпромтехнологии, 2022. - С.102-112.
15. Справочное руководство гидрогеолога / под. ред. В.М. Максимова. - Л.: Недра, 1979. - 512 с.
16. Питаленко Е. И. Время затопления шахт: прогноз и факт / Е. И. Питаленко, П. Г. Артеменко, С. В. Педченко, А. Б. Ягмур // Науковi пращ УкрНДМ1 НАН Украши: зб. наук. пр. - Донецьк, 2007. - № 1. - С. 165-172.
17. Дрибан В. А. Новый подход к оценке пустотности подработанного массива при решении задач гидрогеомеханического прогноза / В. А. Дрибан, Е. Н. Шевченко, Н. А. Дуброва, А. 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.
18. Дрибан В. А. Оценка пустотности подработанного массива горных пород / В. А. Дрибан, Н. А. Дуброва // Труды РАНИМИ: сб. научн. трудов. - Донецк, 2019. - № 7 (22). -С. 170-177.
19. Дрибан В. А. Особенности формирования пустотности подработанного массива горных пород в различных горногеологических условиях / В. А. Дрибан, Н. А. Дуброва // Труды РАНИМИ: сб. научн. трудов. - Донецк, 2019. - № 8 (23). - Ч. 1. -С. 339-351.
Шевченко Евгений Николаевич, кандидат технических наук, заведующий отделом гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, shen_don@mail.ru.
Дуброва Наталья Александровна, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, dubrovan@mail.ru.
VERIFICATION OF HYDROGEOLOGICAL FORECASTS VIA RESULTS OF FIELD OBSERVATIONS
The main factors of affecting of hydrogeological forecasts accuracy and reliability are defined via results of field observations.
Keywords: hydrogeological forecast, flooding level, water inflow, coefficient of voidness.
Shevchenko Evgeniy Nikolaevich, Candidate of Technical Sciences, Head of the Department of Hydrogeomechanical Research and Subsoil Protection, Federal State Budgetary Institution «RANIMI», Russia, DPR, Donetsk, shen_don@mail.ru.
Dubrova Natalya Aleksandrovna, Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher of the Department of Hydrogeomechanical Research and Subsoil Protection, Federal State Budgetary Institution «RANIMI», Russia, DPR, Donetsk, dubrovan@mail.ru.
