Assessment of environmental and technical risks in the process of mining on the basis of numerical simulation of geofiltration

Abstract

Purpose. Substantiation of environmentally acceptable and technically safe operational mining schemes in the context of disturbed hydrogeological and geomechanical conditions by means of developing adapted filtrational model of the mine field. Methods. Numerical mathematical stimulation of geofiltrational processes in heterogeneous in terms of capacitivity and permeability rock massif involving surface-water and underground water dependency, leakage through partitioning poor water-permeable strata, as well as changes in boundary conditions and geofiltrational parameters in the context of time and space. Findings. Hydrodynamic model of the mine field has been identified with the help of imitating technogenic ground water dynamics formed during different periods of mine operation. Its reliability has been confirmed by the results of predicted solutions concerning estimation of inflow values within high-amplitude tectonic disturbance having high level of convergence with actual data while roadheading (up to 95%). The effect of mining operations as well as operation of mine water gathering pond on underground water dynamics of subsurface water-bearing formation which determines both environmental situation and water use, has been numerically estimated. Originality. Regularities of changes in filtrational parameters and capacity parameters in terms of time and space under the conditions of nonstationary geodynamics of rock massif have been specified. Elastic hydrodynamic disturbances with values of compressibility and permeability comparable to undisturbed poor water-permeable rock massif consisting of argillites, aleurites, and arenites have been determined for a zone of tectonic disturbance. Practical implications. The determined rules concerning formation of ground water dynamics of subsurface waterbearing system make it possible to differentiate natural components and technogenic components in the context of disturbance of hydrogeo-chemical composition of ground water used for water supply and specify parameters of water intake. High reliability of predicted solutions has helped substantiate and implement specific hydrogeomonitoring of crossdrift drawing through tectonic fault zone where amplitude is more than 300 m and prevent mine water inflows incidences at minimum costs.

Мета. Обґрунтування екологічно прийнятих та технічно безпечних схем ведення гірничих робіт в порушених гідрогеологічних і геомеханічних умовах шляхом створення адаптованої фільтраційної моделі шахтного поля Методика. В якості методики дослідження для представленої роботи були використані аналітичні розрахунки. В статті на основі теорії пружності, стійкості і максимальної рівноваги розроблена і використана математична модель напружено-деформованого стану гірського масиву. Результати. Гідродинамічна модель шахтного поля ідентифікована шляхом імітації техногенного режиму підземних вод, що сформувався в різні періоди експлуатації шахти. Її достовірність підтверджена результатами прогноз- них рішень щодо оцінки величин водопритоків у зоні високоамплітудного тектонічного порушення, які мають високу збіжність з фактичними даними при проведенні гірничих виробок (до 95%). Кількісно встановлено вплив гірничих робіт і експлуатації ставка-накопичувача шахтних вод на режим підземних вод приповерхневого водоносного горизонту, що впливає на екологічну обстановку і водокористування. Наукова новизна. Встановлено закономірності зміни фільтраційних і ємнісних параметрів у часі й просторі в умовах нестаціонарної геодинаміки масиву гірських порід. Для порід зони тектонічного порушення виявлені гідродинамічні збурення пружного характеру з величинами пружноємності й проникності, порівняними з непорушеним слабопроникним масивом гірських порід з аргілітів, алевролітів, пісковиків. Практична значимість. Встановлені закономірності формування режиму під-земних вод приповерхневого водоносного комплексу дозволили диференціювати природну і техногенну складові в порушенні гідрогеохімічного складу підземних вод, які використовуються для водопостачання, а також визначити параметри водовідбору. Висока вірогідність прогнозних рішень дозволила обґрунтувати і застосувати спеціальний гідрогеомоніторінг проходження квершлагу через тектонічну зону скиду з амплітудою більше 300 м і попередити аварійну ситуацію з водопроявленнями при мінімальних витратах.

Цель. Обоснование экологически приемлемых и технически безопасных схем ведения горных работ в нарушенных гидрогеологических и геомеханических условиях путем создания адаптированной фильтрационной модели шахтного поля. Методика. Численное математического моделирование процессов геофильтрации в гетерогенном по емкости и проницаемости горном массиве с учетом взаимосвязи подземных и поверхностных вод, перетекания через разделяющие слабопроницаемые слои, а также изменения граничных условий и геофильтрационных параметров во времени и пространстве. Результаты. Гидродинамическая модель шахтного поля идентифицирована путем имитации техногенного режима подземных вод, сформировавшегося в разные периоды эксплуатации шахты. Ее достоверность подтверждена результатами прогнозных решений по оценке величин водопритоков в зоне высокоамплитудного тектонического нарушения, которые имеют высокую сходимость с фактическими данными при проходке горных выработок (до 95%). Количественно установлено влияние горных работ и эксплуатации пруда-накопителя шахтных вод на режим подземных вод приповерхностного водоносного горизонта, определяющего экологическую обстановку и водопользование. Научная новизна. Установлены закономерности изменения фильтрационных и емкостных параметров во времени и пространстве в условиях нестационарной геодинамики массива горных пород. Для пород зоны тектонического нарушения выявлены гидродинамические возмущения упругого характера с величинами упруго- емкости и проницаемости, сопоставимыми с ненарушенным слабопроницаемым массивом горных пород из аргиллитов, алевролитов, песчаников. Практическая значимость. Установленные закономерности формирования режима подземных вод приповерхностного водоносного комплекса позволили дифференцировать природную и техногенную составляющие в нарушении гидрогеохимического состава подземных вод, используемых для водоснабжения, а также определить параметры водоотбора. Высокая достоверность прогнозных решений позволила обосновать и применить специальный гидрогеомониторинг прохождения квершлага через тектоническую зону сброса с амплитудой более 300 м и предупредить аварийную ситуацию с водопроявлениями при минимальных затратах.