Науково-прикладні основи регулювання геофільтрації в масивах шахтних полів з використанням чисельних моделей

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної проблеми управління геофільтрацією техногенного середовища шахтних полів шляхом адаптації методики чисельного моделювання гідродинамічних процесів у гірничих виробках різного призначення з врахуванням постійних змін фільтраційних та ємнісних параметрів порушеного гірського масиву для досягнення безпеки гірничих робіт і екобезпеки приповерхневих територій як на етапі експлуатації, так і ліквідації шахт. За обґрунтованою методикою побудови та ідентифікації геофільтраційних моделей шахтних полів встановлені параметри трансформації фільтраційних та ємнісних параметрів геомеханічно порушеного гірського масиву, зон тектонічних порушень та змін в режимі нагнітання. Встановлені закономірності з урахуванням напружено- деформованого стану породного масиву використані при обґрунтуванні безпеки ведення гірничих робіт в зоні впливу розривної крупноамплітудної тектоніки, затоплених виробок та аварійної дегазаційної свердловини, що дозволило продовжити термін роботи шахти та забезпечити повноту виймання корисних копалин. Запропонований технічно можливий та екологічно безпечний спосіб відновлення зон водообміну та управління гідродинамічним режимом на етапі закриття і затоплення шахти

Диссертация посвящена решению актуальной научно-прикладной проблемы управления геофильтрацией нарушенного массива шахтных полей путем адаптации методики численного моделирования гидродинамических процессов в горных выработках различного назначения с учетом изменений во времени фильтрационных и емкостных параметров породного массива для обеспечения безопасности горных работ и экобезопасности на поверхности как на этапе эксплуатации, так и ликвидации шахт. Обоснована концептуальная схема построения и использования постоянно действующей геофильтрационной модели шахтного поля с учетом гидродинамической открытости месторождения и зоны водопроводящих трещин при схематизации условий, а также методики идентификации модели путем воспроизведения хронологической истории отработки месторождения для установления закономерностей формирования водопритоков и изменений параметров проницаемости горного массива во времени. Установлены закономерности трансформации параметров проницаемости и емкости геомеханически нарушенного массива во времени, фильтрационные свойства зоны крупноамплитудных тектонических нарушений, изменения фильтрационных и емкостных характеристик в режимах откачки и нагнетания. Это позволило оценить и минимизировать риски ведения горных работ в нарушенной зоне разрывного нарушения, пройти выработки в режиме специального гидрогеомониторинга с минимальными финансовыми затратами и продлить срок эксплуатации шахты. Обоснована технически возможная и экологически безопасная схема локального водообмена путем искусственного увеличения длины пути фильтрации до зоны гидродинамической разгрузки. На методических принципах сопряжения моделей нестационарной фильтрации в конечных разностях и конечно-элементной гидрогеомеханической модели оценены риски ведения горных работ у затопленных выработок. Установлено, что водоприток со стороны затопленного поля имеет второстепенное значение, а риски прорыва воды существуют из расслоенных зон кровли в зоне интенсивного трещинного разрыхления. Обоснованные параметры гидрогеомеханичного влияния очистных работ на аварийную дегазационную скважину при различных контурах отработки целика свидетельствуют о сохранении тампонажного материала в затрубном пространстве на контакте «бучак-карбон», что учтено при составлении программы ведения горных работ и в условиях аварийной ситуации обеспечило полноту извлечения запасов угля Установлено, что период полного восстановления уровня подземных вод происходит в течение трех лет с формированием на поверхности зон потенциального подтопления в пойме реки Самары. Оценены технические риски работы смежных шахт и варианты водорегулирования путем использования стационарных или погружных насосов, строительства водозабора и расчистки русла реки Самары. Вариант полного затопления шахты в мониторинговом режиме с расчисткой русла реки обоснован как экологически приемлемый и экономически рациональный, что позволило упредить расходы на физическое содержание шахты.

The dissertation deals with the solution of a topical scientific and practical problem of ground and mine water flow control in the tecnogenic environment of mining areas by adaptation of a technique of numerical hydrodynamic modeling in underground workings of different function taking into account permanent changes of flow and capacity parameters during operation and closure of mines. Using the justified approach to develop and validate ground flow models in mining areas, the parameters of transforming flow and capacitive parameters of mechanically disturbed rocks, the zones of tectonic faults and changes under the pumping mode are identified. The identified regularities take into account the stress-strain state of the rock mass; they were used to substantiate the safety of mining in the areas of large- amplitude tectonics, flooded workings and the emergency degassing well, which allowed to extend the mine operation period and ensure complete extraction of minerals. The technically possible and environmentally safe way of restoring the water exchange zones and controlling the hydrodynamic mode at a stage of closure and flooding the mine is proposed.