Гидрогеологическое обеспечение мероприятий по предотвращению негативных последствий затопления угольных шахт тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.16, кандидат наук Савельев, Денис Игоревич

• Савельев, Денис Игоревич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Савельев, Денис Игоревич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

ГЛАВА 2 ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР И ТЕХНОГЕННОГО РЕЖИМА ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ШАХТНЫХ ПОЛЯХ

2.1 Гидрогеологическая структура каменноугольных месторождений

2.2 Условия формирования природно-техногенных гидрогеологических структур при ведении подземных горных работ

2.3 Общие закономерности техногенного режима подземных вод на шахтных полях

2.4 Оценка емкостных характеристик техногенных комплексов

2.5 Гидрогеомеханические и геохимические процессы, развивающиеся в техногенных комплексах при затоплении шахт

2.6 Аналитическая оценка продолжительности и скорости затопления горных выработок

ГЛАВА 3 ВЫБОР ИСХОДНОЙ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЧИСЛЕННЫХ ГЕОФИЛЬТРАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ

3.1 Общие положения о проведении опытно фильтрационных опробований для создания численных геофильтрационных моделей

3.2 Результаты проведения опытных откачек при опробовании безнапорного песчано-глинистого водоносного комплекса

3.3 Разработка рекомендаций по проведению и интерпретации опытно-фильтрационных опробований на угольных месторождениях с целью обеспечения достоверной информации для численного моделирования процессов затопления шахт

ГЛАВА 4 МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ФОРМИРУЕМЫХ ПРИ ЗАТОПЛЕНИИ ГРУППЫ ШАХТ, РАСПОЛОЖЕННЫХ ВБЛИЗИ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ ШАХТЫ

4.1 Особенности методики численного моделирования условий затопления шахтных полей

4.2 Численные эксперименты по отработке методики моделирования процесса затопления горных выработок

ГЛАВА 5 ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ШАХТ НА ИНТИНСКОМ КАМЕННОУГОЛЬНОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ

5.1 Геологическое строение месторождения

5.2 Гидрогеологическое строение Интинского месторождения

5.3 Анализ условий формирования природно-техногенных гидрогеологических структур

5.4 Формирование водопритоков в шахты при ведении очистных работ

5.5 Анализ условий формирования водопритоков в шахты и разработка численной геофильтрационной модели месторождения

5.6 Применение численного моделирования для прогноза условий затопления шахт

ГЛАВА 6 АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЛИКВИДАЦИИ ШАХТ И РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ПРОЦЕССАМИ ИХ ЗАТОПЛЕНИЯ

6.1 Оценка условий затопления шахты «Глубокая»

6.2 Анализ условий затопления шахты «Западная»

6.3 Анализ условий затопления шахты «Капитальная»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

213

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидрогеологическое обеспечение мероприятий по предотвращению негативных последствий затопления угольных шахт»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность.

В соответствии с Государственной программой реорганизации угольной промышленности в 1995 - 2010 годах в Российской Федерации было ликвидировано более 200 нерентабельных шахт. Ликвидация шахт выполнялась способом их затопления, при реализации которого изменялся сформированный в период эксплуатации шахты гидродинамический и гидрохимический режим подземных вод и зачастую создавалась угроза нарушения безопасности эксплуатации соседних шахт, пограничных с затапливаемой. Для управления техногенным режимом подземных вод с целью предотвращения негативных последствий ликвидации угольных шахт выполнялись инженерные мероприятия, которые были направлены либо на ограничение затопления горных выработок до определенных отметок с использованием погружных насосов, либо на управление уровенным режимом приповерхностных водоносных горизонтов с применением водопонижающих скважин или систем горизонтального дренажа.

В настоящее время на многих ликвидированных шахтах в Кузбассе, в Партизанском бассейне, в Восточном Донбассе продолжается эксплуатация погружных насосов, размещенных в шахтных стволах и в водопонижающих скважинах. Существенные экономические затраты при эксплуатации этих систем можно считать негативными последствиями ликвидации шахт. Сокращение затрат за счет оптимизации эксплуатируемых систем водоотлива или водопонижения на полях ликвидированных шахт является актуальной технико-экономической проблемой. Однако решение этой проблемы неизбежно связано с совершенствованием научно-методических основ гидрогеологического обоснования выполняемых инженерных мероприятий, включающего обоснование возможности их оптимизации.

Гидрогеологическое обоснование инженерных мероприятий, обеспечивающих производственную и экологическую безопасность ликвидации шахт, базируется на научно-методических принципах, принятых при изучении и

прогнозе техногенного режима подземных вод, формируемого при эксплуатации и затоплении шахт.

Разработке этих принципов и технических решений посвящены исследования и опубликованные работы Норватова Ю.А., Петровой И.Б., Грязнова О.Н., Людвига В.М., Новицкой (Норватовой) О.И., Ягунова A.C., Елохиной С.Н., Ефимова A.M., Иофиса М.А., Кутяйкиной М.Н., Черниковой С.А., Ягуновой O.A., других ученых и инженеров.

В результате выполненных ранее исследований изучены общие закономерности изменений гидродинамического режима подземных вод при затоплении ликвидированных шахт, предложены аналитические решения и методики численного моделирования для анализа и прогноза процессов затопления горных выработок, разработаны принципы гидрогеологического мониторинга.

Вместе с тем, ряд научно-технических задач требует дополнительного рассмотрения и решения с учетом результатов ранее выполненных исследований. В частности, опасная гидравлическая связь ликвидируемой и действующей шахт нередко проявляется на участках совместной выемки свит угольных пластов и при этом предопределяет необходимость организации водоотлива из затапливаемой шахты для ограничения уровней шахтных вод. В настоящее время условия формирования техногенной трещиноватости породных массивов при выемке свит угольных пластов изучены недостаточно несмотря на то, что эта характеристика определяет закономерности геофильтрационных процессов, развивающихся в пределах природно-техногенных гидрогеологических структур при затоплении шахт. Сложность процесса трещинообразования предопределяет целесообразность дополнительного изучения емкостных характеристик техногенных комплексов по результатам натурных наблюдений.

Цель диссертационной работы.

Повышение эффективности инженерных мероприятий по обеспечению безопасности горных работ на шахтах, пограничных с затопленными ликвидированными шахтами, на основе совершенствования методики анализа и

прогноза геофильтрационных процессов в природно-техногенных структурах, сформированных при выемке свит угольных пластов.

Основная идея работы.

Вследствие особой сложности и недостаточной изученности условий формирования природно-техногенных гидрогеологических структур при выемке свит угольных пластов оптимизацию мероприятий по предотвращению негативных последствий ликвидации шахт следует выполнять с учетом результатов интерпретации наблюдений за гидродинамическими процессами на начальных этапах затопления горных выработок.

Задачи исследований:

1. Анализ основных закономерностей гидродинамических процессов, развивающихся при затоплении шахт.

2. Оценка условий формирования природно-техногенных гидрогеологических структур при выемке свиты угольных пластов.

3. Разработка методики установления фильтрационных параметров и условий питания приповерхностного водоносного горизонта (как основного элемента природно-техногенной гидрогеологической структуры) на стадии разведки и эксплуатации каменноугольных месторождений.

4. Совершенствование методики численного моделирования геофильтрационных процессов для оценки последствий затоплении группы шахт.

5. Анализ условий затопления шахт на Интинском каменноугольном месторождении, оценка емкостных характеристик техногенного комплекса, сформированного при выемке свит пластов.

6. Разработка рекомендаций по оптимизации системы водоотлива из затопленных шахт на Интинском месторождении.

Методы исследований.

В работе использованы комплексные методы исследований, включающие: анализ ранее выполненных работ по теме диссертации, анализ результатов ранее проведенных опытно-фильтрационных работ с применением компьютерных технологий, анализ и обобщение результатов натурных наблюдений за

гидродинамическими и геомеханическими процессами, экспериментальные с использованием численных геофильтрационных моделей.

Научная новизна работы.

Разработаны научно-методические принципы идентификации природно-техногенных гидрогеологических структур, формируемых при выемке угольных пластов. Выявлены закономерности формирования трещиноватости породных массивов при выемке свиты угольных пластов. Установлены емкостные характеристики техногенных комплексов, сформированных при выемке свит угольных пластов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Определение направленности и обоснование эффективности мероприятий по предотвращению негативных последствий затопления шахт при подготовке проектов их ликвидации следует базировать на результатах прогноза изменений гидродинамического режима подземных вод, сформированного в период эксплуатации шахты; надежность прогнозных оценок должна быть обеспечена за счет совместного анализа геомеханических и геофильтрационных процессов, развивающихся при ведении очистных горных работ.

2. При групповом расположении действующих и ликвидированных шахт закономерности формирования притоков подземных вод в шахты определяются фильтрационными параметрами, условиями питания приповерхностного водоносного горизонта и характером его гидравлической связи с техногенным комплексом.

3. Суммарный объем пустотности техногенных комплексов, образованных при выемке свиты угольных пластов, пропорционален отношению объема всех вынутых пластов к объему техногенных комплексов, что подтверждается результатами интерпретации наблюдений за фактическими процессами затопления шахт.

Личный вклад автора:

- участие в полевых гидрогеологических работах на шахтах Кузбасса;

создание численных геофильтрационных моделей полей шахт «Котинская», «Талдинская», района Интинского месторождения;

- разработка рекомендаций по методике оценки фильтрационных параметров неоднородных в разрезе угленосных толщ;

выполнение численных экспериментов при моделировании геофильтрационных процессов, развивающихся при затоплении группы шахт;

- анализ и обобщение результатов наблюдений за процессами затопления шахт на Интинском месторождении;

- обоснование рекомендаций по оптимизации системы водоотлива на шахтах Интинского месторождения.

Обоснованность и достоверность результатов исследований определяется представительным объемом натурных наблюдений за процессами затопления шахт, применением современных методов численного моделирования геофильтрационных процессов, согласованностью теоретических исследований с результатами натурных наблюдений за развитием гидродинамических и геомеханических процессов при эксплуатации и ликвидации шахт.

Практическое значение работы.

1. Создана численная геофильтрационная модель для прогноза условий эксплуатации действующих шахт вблизи затапливаемых.

1. Создана численная геофильтрационная модель района Интинского месторождения.

2. Установлены емкостные характеристики техногенных комплексов, сформированных при разработке свит угольных пластов на шахтах Интинского месторождения.

3. Разработаны практические рекомендации по оптимизации системы водоотлива из шахт на Интинском месторождении.

Реализация работы. Основные результаты исследований использовались ЗАО «Шахтпроект» при корректировке проектов ликвидации шахт на Интинском месторождении и для прогнозных оценок притоков подземных вод при отработке свиты угольных пластов на шахте «Котинская».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно технических советах Научного центра геомеханики и проблем горного производства Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (Санкт-Петербург, 2011-2013 г.), на 9-ой Общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации», на технических совещаниях компании ОАО СУЭК-Кузбасс (2010-2012 г).

Публикации. Основные результаты исследований представлены в 5 опубликованных работах, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства науки и образования России.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения общим объемом 223 страницы машинописного текста, содержит 72 рисунка и 43 таблицы, а также списка литературы из 77 источников.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

В Советском Союзе и во многих капиталистических странах добыча угля подземным способом обычно датировалась государством. После распада Советского Союза с развитием капиталистических отношений предприятия различных сфер деятельности перешли в частную собственность, чего не смогли избежать и предприятия горнодобывающей промышленности. В результате повсеместной приватизации и неудачных попыток вывести на самоокупаемость горные предприятия была разработана государственная программа, согласно которой проводилось массовое закрытие и ликвидация угольных шахт по причине экономической нецелесообразности их дальнейшей эксплуатации. В большей степени проводимые мероприятия затронули сферу угольной промышленности, всего по стране было закрыто более 200 шахт [1]. Координация и финансирование работ по ликвидации шахт осуществлялась Государственным учреждением по вопросам реорганизации и ликвидации нерентабельных шахт и разрезов (ГУРШ). В историческом разрезе ликвидация шахт не является новым мероприятием, поскольку происходила многократно во многих странах. По данным Горной энциклопедии, в Европе, Азии, Африке и Америке имеются десятки примеров ликвидации остановленных и затопленных шахт и рудников. Глубина горных работ на этих предприятиях достигает 1-3 км, а суммарная площадь нарушенных горнотехнической деятельностью земель составляет более 15-20 млн га[2].

В Кузбассе, к 2000 году было затоплено около 50 шахт. Основная причина ликвидации шахт - это отработка всех кондиционных запасов или убыточность предприятия. В Донбассе ликвидировано около 70 шахт [3], в Печорском угольном бассейне затоплено одиннадцать угольных шахт, в Партизанском бассейне 6 шахт [4]. Технические требования к организации мероприятий по ликвидации шахт, рудников и карьеров были сформулированы в «Инструкции по порядку ликвидации и консервации предприятий по добыче полезных

ископаемых» (Москва, 1998), [5] и в Инструкции о порядке ведения работ по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с пользованием недрами» (Москва, 1999) [6]. В Кизелевском угольном бассейне к 1993 году было ликвидировано около 30 шахт, а в последующие годы 14 шахт. В Украине и Казахстане прошла массовая ликвидация угольных шахт.

В практике закрытия шахт используются три основных способа физической ликвидации:

- «сухая» ликвидация (консервация) с сохранением шахтного водоотлива;

- комбинированный, с поддержанием постоянного уровня воды в ликвидируемой шахте;

- полное их затопление («мокрая» ликвидация, консервация).

При последнем способе, как правило, производится засыпка вертикальных и наклонных стволов, других выработок, имеющих выход на дневную поверхность, с устройством на поверхности железобетонных перекрытий. Прекращение эксплуатации шахтного водоотлива приводит к затоплению выработок.

При «сухой» ликвидации шахт предусматривается сохранение водоотлива либо на период работы соседних шахт, имеющих гидравлическую связь с выработками ликвидируемой шахты, либо для предотвращения возможного подтопления территорий на поверхности шахтных полей. На практике «сухой» способ ликвидации практически не используется.

Комбинированный способ ликвидации обусловлен тем, что поднятие уровня воды до определенной отметки может привести к перетоку или прорыву воды в выработки соседних шахт.

При комбинированном способе ликвидации определяется проектный безопасный уровень затопления шахты и скорость затопления выработок до расчетного уровня. Процесс затопления необходимо контролировать наблюдениями за положением уровня подземных вод. При достижении расчетного уровня необходимо ввести в действие систему водоотлива погружными насосами для поддержания его на принятой постоянной отметке.

Опыт проектирования и эксплуатации водоотливных комплексов с погружными насосами на шахтах Кузбасса, Восточного Донбасса, Партизанского и Печерского бассейна подтверждает их эффективность.

Полное (неконтролируемое) затопление выработок с поднятием уровней подземных вод до максимальных отметок является наиболее экономичным, однако, ликвидация шахт путем полного затопления может приводить к негативным последствиям и возникновению комплекса проблем экологического и социального характера.

Для контроля условий затопления шахт в 1990 - 2000 годах были созданы службы геоэкологического мониторинга (в Кузбассе, в Восточном Донбассе, на Интинском месторождении, Ленинградском месторождении горючих сланцев). Согласно выполненным наблюдениям, затопление шахт сопровождается всевозможными негативными процессами. Самым распространенным последствием ликвидации шахт является подтопление зданий и сооружений на земной поверхности в результате подъема уровней подземных вод. Данная проблема возникла во всех без исключения угледобывающих районах. Однако, наиболее ярко эта проблема проявилось в украинской части Восточного Донбасса. При закрытии 34 шахт в Луганской области методом полного затопления от 20 до 40 % территорий горных отводов в границах горнопромышленных районов оказались подтопленными и заболоченными. В первую очередь - это участки подработанных горными выработками речных пойм и невысоких пойменных террас, зоны выходов песчаников и тектонических нарушений на склонах балок, пониженные участки рельефа, где ранее наблюдались выходы подземных вод на поверхность в виде родников (радиус выхода подземных вод может превышать 1 -1,5 км) [7]. Загрязнение приповерхностного водоносного горизонта шахтными водами является наиболее опасным с экологической точки зрения явлением при ликвидации шахт. При ликвидации шахты «Комиссаровская» общая минерализация увеличилась с 8 до 18 г/л с концентрацией сульфатов до 8,8 г/л, железа - 170 мг/л. Изливающие воды содержат целый ряд токсичных веществ (медь, кобальт, кадмий, стронций, хром) [2].

При затоплении шахт в Ростовской области содержание соединений железа в шахтных водах повышалось до 350 мг/л за счет гидролиза пирита в угольных пластах. При затоплении шахты «Авангард» в Партизанском бассейне на обширном участке долины реки Белой произошло подтопление поселка токсичными шахтными водами, что привело к отселению жителей более 100 домов [2].

В Кузнецком угольном бассейне в подземных водах возрастает минерализация в 3-4 раза (до 2-3 г/л), появляется сероводород (до 0,4—0,8 мг/л), надфоновые концентрации соединений азота, железа, марганца, нефтепродуктов, ХПК и БПК, что связано с большим количеством органического материала в затопленных шахтах, растворением солей карбонатов и сульфатов, накопленных в виде пыли в горных выработках. Восстановительный режим в подземных выработках характеризуется низким ЕЬ (до 30 мв) [8].

В ряде случаев создается угроза для питьевых водозаборов, если в область питания подземных вод попадают затопленные шахты (шахты им. Димитрова, Бунгурская, им. Волкова). В целом, уровень техногенного воздействия на геологическую среду при затоплении шахт даже превышает наблюдавшийся при добыче угля [9].

Затопление шахт в определенных условиях может сопровождаться повышением водопритоков или прорывами шахтных вод в шахты, соседние с затапливаемой. Одной из наиболее значительных по масштабам является авария на шахте «Западная - Капитальная» [1]. В пределах Новошахтинского района Шахтинско-Несветаевской синклинали (площадь порядка 100 км ) в течение нескольких десятилетий отрабатывались несветаевская и степановская свиты угольных пластов. Междупластие свит мощностью 350 - 400 м представлено слабопроницаемыми угленосными отложениями. Выработанное пространство

"У

пластов Несветаевской свиты с 1999 года затапливалось на площади около 50 км . Пласты степановской свиты отрабатывались также группой шахт, часть из которых эксплуатировалась до последнего времени под затопленным выработанным пространством по несветаевским пластам. Свиты угольных

пластов соединены шахтными стволами. Для герметизации горных выработок, сопряженных со стволами на горизонте отработанных пластов верхней несветаевской свиты, в 1999 -2000 годах выполнено заполнение этих выработок глинисто-цементным раствором (созданы герметизирующие перемычки).

К концу 2001 года уровень затопления выработанного пространства по несветаевским пластам стабилизировался на отметке +67 м, соответствующей отметкам устьев самоизливающих скважин, вскрывающих затапливаемые выработки в долине реки Аюты. Гидростатические давления на глинисто-цементные перемычки составило 12-18 атмосфер.

В феврале 2003 года произошел первый крупный прорыв шахтных вод из затопленных выработок в вентствол шахты «Западная - Капитальная». Расход прорыва достигал 20 - 30 тыс. м /ч, однако затопление шахты удалось предотвратить за счет создания в стволе породной «пробки». Остаточный приток в ствол составил 20 - 30 м /ч.

23 октября 2003 года на шахте «Западная - Капитальная» произошел второй катастрофический прорыв шахтных вод в главный (скиповой) ствол. Гидростатическое давление в выработках по несветаевским пластам составило около 12 атмосфер. В момент прорыва в шахте находились 60 шахтеров. Расход прорыва достигал 20 - 25 тысяч м /ч, фиксируемая скорость повышения уровня затопления горных выработок по степановским пластам составляла 0,6 - 0,9 м/ч. Прорыв удалось ликвидировать в течение 2-3 суток при отсыпке в ствол крупногабаритных блоков, металлических конструкций, грунтов породных отвалов. В результате вибрационных нагрузок копер над стволом полностью провалился в образованную полость.

При затоплении шахт опасными являются и геодинамические процессы, представленные оседанием поверхности земли на 1-2 м, образованием провалов и провальных зон на поверхности земли глубиной до нескольких метров и диаметром в десятки метров. В результате выемки угля и вмещающих пород в горных массивах месторождений развиваются процессы сдвижения породных пластов и блоков. Их последствия проявляются на земной поверхности над

выработанным пространством в виде провалов и мульд оседаний. При затоплении шахт наблюдается активизация процессов сдвижения и деформаций земной поверхности. В г. Донецке объем выработанного пространства, заполненный водой, составляет около 300 млн м , что провоцирует техногенную сейсмичность. Зарегистрировано более 29 техногенных землетрясений. Активизировались процессы образования провалов на подработанных участках земной поверхности в Кузбассе и Приморском крае. Ликвидационными комиссиями в Кузбассе установлены 138 провалов от вскрывающих выработок, имеющих выход на поверхность, и от производства очистных работ. В Приморском крае на территории горных отводов восемнадцати шахт обнаружены 56 провалов, 37 из них ликвидировано с объемом засыпки 3,9 тыс. м (по состоянию на 2001 год) [10,11].

Загрязнение атмосферы - еще один процесс, сопровождающий затопление шахт. Как следует из литературных источников [12], валовый выброс в атмосферу вредных веществ возрос с 675,3 тыс. т в 2000 году до 833,3 тыс. т в 2001 году.

Затопление шахт сопровождалось вытеснением подземного воздуха (в том числе, и радона) из горных выработок, трещин в массиве горных пород к поверхности земли и в заглубленные инженерные сооружения, отслеженное на протяжении от 3 до 15 и более лет.

При проектировании инженерных мероприятий для обеспечения производственной и экологической безопасности ликвидации шахт необходимо выполнение следующих предварительных оценок:

- анализ состояния междушахтных целиков и междупластий отработанных угольных пластов для оценки характера гидравлической связи ликвидируемой шахты с соседней действующей;

- определение максимальной отметки уровня шахтных вод, при котором обеспечивается производственная безопасность горных работ на действующей шахте;

- прогноз возможного повышения уровней приповерхностного водоносного горизонта и подтопления территорий при произвольном (неуправляемом)

затоплении шахты, с оценкой максимальной отметки уровня шахтных вод, при которой обеспечивается экологическая безопасность ликвидации шахты;

- прогноз скорости затопления ликвидируемой шахты до максимальных (допустимых) отметок;

- определение прогнозного водопритока в шахту при затоплении ее до максимальных отметок для оценки необходимой производительности водоотлива, обеспечивающего производственную или экологическую безопасность ликвидации шахты.

Разработка научно-методического обоснования инженерных мероприятий по ликвидации шахт путем их затопления проводилась с 1995 года параллельно с проектированием и реализаций этих мероприятий. На первом этапе изучения условий затопления шахт использовались результаты ранее выполненных исследований процессов сдвижения горных пород при разработке угольных месторождений. В частности, при первоочередной оценке условий гидравлической связи затапливаемой шахты с соседней эксплуатируемой использовался критерий «безопасной ширины междушахтных целиков» [13]:

й = 0,05Н + 5т + М, (1.1)

где Н - глубина горных работ, м;

т - мощность угольного пласта, м;

А1 - погрешность определения границ целика, м.

При оценке гидравлической связи шахт, разрабатывающих совместно свиты пластов, использовались значения высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством [14]. Однако эти характеристики позволяли оценить лишь дефекты междушахтных целиков, наличие активной или затрудненной гидравлической связи затапливаемой и соседней действующей шахт через междупластие угольных пластов. Методика прогнозной оценки скорости затопления шахт впервые была сформулирована при подготовке выпущенных в 1997 году «Методических указаний по оценке гидрогеологических

условий ликвидации шахт, обоснованию мероприятий по управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической безопасности» [15].

Основой для составления этого документа послужили результаты исследований специалистов лаборатории гидрогеологии ВНИМИ, выполненных на ряде объектов в Кузбассе, Восточном Донбассе, в Партизанском бассейне, на Ленинградском месторождении горючих сланцев. При выполнении этих исследований и обобщении их результатов, опубликованных в ряде работ [16, 17, 18, 19, 20, 21, 22], разработана типизация условий формирования водопритоков в затапливаемые выработки угольных шахт [23], предложена определенная терминология, отражающая специфику гидрогеологического строения угольных месторождений и технологию ведения очистных работ («природно-техногенная гидрогеологическая структура», «приповерхностный водоносный комплекс», «техногенный комплекс»). Предлагаемая терминология была необходима при формулировании принципов идентификации условий затопления шахт на основе анализа результатов наблюдений за изменением водопритоков в шахты в период их эксплуатации, а также для обоснования расчетных гидрогеологических схем для прогноза водопритоков в затапливаемые выработки. Итогом этих исследований явились предлагаемые аналитические зависимости для расчета скорости затопления шахт при различных схемах формирования притока подземных вод в затапливаемые выработки [15, 16]. Одновременно с разработкой аналитического аппарата для оценки гидрогеологических условий затопления шахт выполнялись исследования по использованию численных геофильтрационных моделей (на базе компьютерной программы MODFLOW) для прогноза изменений гидродинамического режима водоносных горизонтов, условий подтопления земной поверхности, обоснования инженерных мероприятий, обеспечивающих техническую и экологическую безопасность ликвидации шахт при их затоплении [16, 17, 18]. В 2005 году по этой тематике О.И. Норватовой была защищена диссертационная работа [24, 25], в которой выполнен анализ закономерностей техногенного режима подземных вод на основе численного моделирования геофильтрационных процессов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Савельев, Денис Игоревич, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. О ходе ликвидации особо убыточных шахт и разрезов угольной промышленности. - Уголь, №3, 2003. С. 34-38.

2. Гидрогеоэкологические последствия горного техногенеза на Урале. // Елохина С.Н. // Екатеринбург: ООО «УИПЦ», 2013. 187 с.

3. Экологический мониторинг ликвидации неперспективных шахт Восточного Донбасса. Под ред. В.М. Еремеева // Шахты: Издательство ЮРО АГН. 2001. 182 с.

4. Ефимов A.M., Молев М.Д., Солмин В.А. Мониторинг гидрогеологических процессов в углепородном массиве ликвидируемых шахт. // Научно-технический и производственный журнал: Маркшейдерия и недропользование. №1, июль-сентябрь 2001. С. 11-15.

5. Инструкции по порядку ликвидации и консервации предприятий по добыче полезных ископаемых, М: Недра 1998. 235 с.

6. Инструкции о порядке ведения работ по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с пользованием недрами. РД 07291-99.

7. Диколенко Е.Я. Экологические проблемы угольной отрасли и пути их решения. // Уголь. №1, 2003. С. 25-27.

8. Людвиг В.М. Гидрогеологические проблемы ликвидации шахт Кузбасса методом затопления. // Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири. - Томск: ТПУ, 2003. С. 244-247.

9. Людвиг В.М. Геоэкологические последствия затопления шахт в Кузбассе (на примере шахты им. Орджоникидзе). // Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири. - Томск: ТПУ, 2003. С. 242-243.

10. Азимов Б.В. Проблемы ликвидации экологических последствий при закрытии угольных шахт и разрезов. // Уголь, №7 2001. С. 25-28.

11. Смирнов A.M. Организация мониторинга отрицательных техногенных воздействий предприятий угольной промышленности. // Уголь, №7, 2001. С 3842.

12. Зайденварг В.Е., Навитний A.M., Твердохлебов В.Ф. Гидрогеологические аспекты ликвидации шахт в России. // Ежемесячный научно-производственный журнал: Уголь. №12, 1999. С 43-47.

13. Инструкция по безопасному ведению горных работ у затопленных выработок, М: ВНИМИ 1996. 254 с.

14. Безопасная выемка угля под водными объектами. Под ред. Б.Я. Гвирцмана // М: Недра 1977. 175 с.

15. Норватов Ю.А., Иофис М.А., Скворцов А.Г. Методические указания по оценке гидрогеологических условий ликвидации шахт, обоснованию мероприятий по управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической безопасности - М: изд. ИПКОН, 1997. 232 с.

16. Норватов Ю.А., Петрова И.Б. Численное моделирование и аналитическая оценка условий затопления ликвидируемых шахт. // Горная механика и маркшейдерское дело СПб: 2000. С. 51 - 59.

17. Норватов Ю.А., Петрова И.Б., Степанова А.С., Назима В.В. Применение численных геофильтрационных моделей для обоснования дренажных мероприятий на полях затапливаемых шахт. // Горная механика и маркшейдерское дело СПб: 2000. С. 60 - 67.

18. Норватов Ю.А., Петрова И.Б., Русанов И.В., Норватова О.И. Создание постоянно действующих гидрогеологических моделей полей шахт СевероУральского бокситового рудника. // Горная механика и маркшейдерское дело СПб: 2000. С.36 - 42.

19. Норватов Ю.А., Петрова И.Б. Гидрогеологические исследования на угольных месторождениях. // Уголь. №10, 1999. С. 25-26.

20. Норватов Ю.А., Петрова И.Б. Гидрогеологическая оценка условий затопления угольных шахт. // Журнал по сырью, горной промышленности, энергетике ЭССЕН.ФРГ: ГЛЮКАУФ, №2(4), ноябрь 1999. С. 16-18.

21. Норватов Ю.А., Петрова И.Б, Норватова О.И. Оптимизация гидрогеологических исследований при разведке и эксплуатации угольных месторождений на базе компьютерных технологий. Сб. «Ресурсный потенциал

твердых полезных ископаемых на рубеже XXI века», ВНИГРИуголь, Ростов-на-Дону: 2001. С. 54-60.

22. Норватов Ю.А., Петрова И.Б, Миронов A.C., Норватова О.И. Гидрогеологические проблемы ликвидации шахт в Восточном Донбассе. // Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики. СПб, 2002. С 45 -50.

23. Норватов Ю.А., Петрова И.Б, Степанова A.C. Типизация условий формирования водопритоков в горные выработки при оценке режима затопления угольных шахт. // Горная геомеханика и маркшейдерское дело 70 лет ВНИМИ, СПб: 1999. С. 117-121.

24. Норватова О.И. Методика прогноза гидрогеологических условий затопления угольных шахт на базе численного моделирования геофильтрационных процессов (на примере Восточного Донбасса): автореф. дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. — СПб: МНЦ ВНИМИ, 2005. 22 с.

25. Норватов Ю.А. Гидрогеомеханические процессы при затоплении угольных шахт. // Записки горного института, т. 165, СПб: 2008. С. 173 - 180.

26. Норватова О.И. Методика прогноза гидрогеологических условий затопления угольных шахт на базе численного моделирования геофильтрационных процессов (на примере Восточного Донбасса): дисс на соиск. уч. ст. к.т.н. — СПб: МНЦ ВНИМИ, 2005. 202 с.

27. Норватов Ю.А., Петрова И.Б. Методическое руководство по прогнозу гидрогеологических условий ликвидации угольных шахт и обоснованию мероприятий, обеспечивающих предотвращение негативных экологических последствий. // СПб: ВНИМИ, 2008. 65 с.

28. Ягунов A.C. Закономерности сдвижения горных пород в Кузбассе. // СПб: ВНИМИ 2000. 304 с.

29. Мироненко В.А., Мольский Е.В., Румынии В.Г. Горнопромышленная гидрогеология. // М: Недра, 1989. 287 с.

30. Ягунов A.C. Динамика деформаций в подрабатываемом горном массиве. // Кемерово: Кузбассвузиздат, 2010. 239 с.

31. Ягунов A.C., Ларичкин П.М., Ягунова O.A., Лермонтов Д.Ю. Руководство по проведению мониторинга подземных вод и прогнозу изменений гидрогеологических условий при затоплении ликвидированных шахт Кузбасса. // Кемерово: Кузбассвузиздат, 2008. 75 с.

32. Черникова С.А. Геогидродинамическое обоснование мониторинга процесса затопления угольных шахт Донбасса (на примере Стахановско-Брянковского региона) автореф. дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. — Харьков: 2004. 20 с.

33. Потапов С.С., Блинов С.М. Геоэкологическая ситуация в Кизеловском угольном бассейне на основе изучения техногенной минерализации. // Уральский минералогический сборник № 12. Миасс: Имин УрО РАН, 2002. С. 204-219.

34. Имайкин А.К. Оценка и прогноз гидрогеологических условий территории Кизеловского угольного бассейна после закрытия шахт. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. к.г.-м.н. - Пермь: Пермский гос. нац. исс. ун-т. М., 2005. 20 с.

35. Имайкин К.К., Баньковская В.М., Бурковская A.B. Изменение гидрогеологической обстановки при ликвидации шахт Кизиловского угольного бассейна. // Гидрогеология и карстоведение. Вып. 14. - Пермь: Перм. ун-т, 2002. С. 145-150.

36. Кутяйкина М.Н. Организация гидрогеоэкологического мониторинга при ликвидации шахт на месторождениях горючих сланцев. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. к.г.-м.н. - СПб: СПбГГУ. 2005. 20 с.

37. Норватов Ю.А., Петров Н.С., Петрова И.Б., Кутяйкина М.Н. Обоснование необходимости гидрогеоэкологического мониторинга на Ленинградском месторождении горючих сланцев // Записки Горного института. - СПГГИ (ТУ), том. 153, 2002. С. 196—198.

38. Петров Н.С., Потапов A.A., Кутяйкина М.Н. Полевые и лабораторные исследования по оценке фенольного загрязнения шахтных вод на Ленинградском месторождении горючих сланцев. // В сб. докл. конф. «Современные проблемы гидрогеологии и геомеханики». - СПб: 2002. С. 177-182.

39. Елохина С.Н. Исследование геоэкологических последствий самозатопления шахтных полей. // «Геоэкология», 2004, №5. С. 405 - 414.

40. Елохина С.Н. Горнорудный техногенез постэксплуатационной стадии на территории Урала // «Литосфера», № 5, 2013. С. 170-183.

41. Елохина С.Н., Силина O.A. Основные закономерности трансформации химического состава шахтных вод при затоплении медных рудников Урала // Мат-лы конф. «Развитие научных идей A.M. Овчинникова в гидрогеологии». М: МГГРУ- ГИДЭК, 2005. С. 133-141.

42. Ефимов A.M. Обоснование мониторинга процессов, связанных с ликвидацией стволов угольных шахт в сложных гидрогеологических условиях. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. - М.: МГГУ. 2005. 20 с.

43. Ягунова O.A. Исследование гидро-, газо-, геомеханических процессов в техногенном массиве и выработанном пространстве ликвидируемых шахт Кузбасса. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. - Кемерово, 2010. 20 с.

44. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. СПб: ВНИМИ 1998. 291 с.

45. Тагильцев С.Н. Гидрогеомеханика как теоретическая основа фильтрационных моделей скальных массивов. // Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики. СПб: Изд. СПБГУ, 2002. С. 304 - 314.

46. Проведение исследований по изучению геодинамических и гидрогеологических условий отработки Элегестского месторождения Улугхемского угольного бассейна: Отчет о НИР // Норватов Ю.А. и др., -НЦГиПГП, СПб, 2009. 320 с.

47. Гусев В.Н. Геомеханика техногенных водопроводящих трещин. // СПб, 1999. 157 с.

48. Иофис М.А., Шмелев А.И. Инженерная геомеханика при подземных разработках. // М: Недра, 1985. 248 с.

49. Парцевский А.К., Катков Г.А., Основы физики горных пород, геомеханики и управления состоянием массива: Уч. Пособие для вузов. // М, 2004. 95 с.

50. Saveliev D.I., Norvatov Y.A., Petrova I.B., Kotlov S.N. Scientific and methodological principles of the analysis and prediction of hydrogeological conditions of mine abandonment. // International mining conference, 201 Or. C. 597 - 600.

51. Норватов Ю.А., Савельев Д.И., Яшина A.B. Гидрогеологическое обеспечение горных работ при разработке угольных месторождений подземным способом. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - М: МГГУ, 2014г. - №8 - С. 23-28.

52. Геологическое и гидрогеологическое обеспечение высокоинтенсивной выемки угля в тектонически ослабленных зонах на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» отчет о НИР // Норватов Ю.А. и др. - НЦГиПГП, СПб, 2011. 168 с.

53. Chiang H., Kinzelbach W. Processing MODFLOW. Version 3.0. // HamburgHeidelberg. 1992-1993.

54. Chiang H., Kinzelbach W. 1993 Processing MODFLOW (PM), Pre- and postprocessors for the simulation of flow and contaminais transport in groundwater system with MODFLOW, MODPATH and MT3D.

55. Hill, M.C., 1992 MODFLOW/P - A computer program for estimating parameters of a transient, three-dimensional, groundwater flow model using nonlinear regression. // U.S. Geological Survey, Open-file report 91-484.

56. Hill, M.C., 1998. Methods and guidelines for effective model calibration. // U.S. Geological Survey, Water-Resources Investigations report 98-4005.

57. Шестаков B.M. Динамика подземных вод. // M: изд. МГУ, 1973. 252 с.

58. Бабушкин В. Д., Плотников И.И., Чуйко В.М. Методы изучения фильтрационных свойств неоднородных пород // М: Недра, 1974. 208 с.

59. Инструкция по проведению опытно-фильтрационных работ при разведке угольных месторождений // Ленинград: ВНИМИ 1977. 38 с.

60. Шестаков В.М., Невечеря И.К. Теория и методы интерпретации опытных откачек. // М: МГУ 1998. 160 с.

61. Боревский Б.В., Самсонов Б.Г., Язвин Л.С. Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек. // М: Недра, 1973. 304 с.

62. Савельев Д.И., Норватов Ю.А., Шамшев А.А. Опытно-фильтрационные работы и наблюдения как сопутствующие элементы инженерно-геологических изысканий. // Инженерные Изыскания, 2014. - №8 - С. 64-70.

63. Синдаловский JI.H. Справочник аналитических решений для интерпретации опытно-фильтрационных опробований. // СПб: Изд. СПБГУ, 2006г. 245 с.

64. Шестаков В.М. Гидрогеодинамика. // М: Изд. МГУ, 1995г. 187 с.

65. Синдаловский JI.H. ANSDIMAT - программный комплекс для определения параметров водоносных пластов. // СПб: Наука, 2011г. 335 с.

66. Hantush M.S. Modification ot the theory of leaky aquifers. // Journal of Geophysical Research. 1960. Vol.65, N11. P.3713-3725.

67. Moench A.F. Transient flow to a large-diameter well in an aquifer with storative semiconfinding layers. // Water Resources Research. 1985. Vol. 21, N 8. P. 1121-1131.

68. Neuman S.P. Theory of flow in unconfined aquifers considering delayed gravity response. // Water Resourses Research. 1972. Vol. 8, N 4. P. 1031-1045.

69. Theis C.V. The relation between the lowering of the piezometric surface and the rate and duration of discharge or a well using ground-water storage. // Thansactions, American Geophysical Union. 1935. Vol. 35, pt.2. p. 519-524.

70. Савельев Д.И., Казанин О.И., Норватов Ю.А., Черкашин А.А. Анализ опыта интенсивной отработки выемочных участков на шахте «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс» в условиях повышенных водопритоков. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - М.: МГГУ, 2014. - №5 -С.21-25.

71. Barnett В, Townley LR, Post V, Evans RE, Hunt RJ, Peeters L, Richardson S, Werner AD, Knapton A and Boronkay A., Australian groundwater modelling guidelines, June 2012 the National Water Commission95 Northbourne AvenueCanberra ACT 2600.

72. Коносавский П.К., Соловейчик K.A. Математическое моделирование геофильтрационных процессов // СПбГТУ, СПб: 2001. 96 с.

73. Ломакин Е.А., Миролненко В.А., Шестаков В.М. Численное моделирование геофильтрации // Недра, М: 1988. 230 с.

74. Лункер Л., Шестаков В.М. Моделирование геофильтрации. // Недра, М: 1976. 130 с.

75. Самарский A.A., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. // Наука, М: 1978. 256 с.

76. Оценка гидродинамического баланса подземных вод на численной геофильтрационной модели Интинского месторождения (с учетом поэтапной ликвидации шахт «Западная-бис» и «Капитальная») отчет о НИР // Норватов Ю.А. и др. - ВНИМИ, СПб, 2005. 64 с.

77. Норватов Ю.А. Изучение и прогноз техногенного режима подземных вод. // Л: Недра, 1988. 260 с.