ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН Том 8, № 3, 2012, стр. 42-49
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 553.93:556.334
ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ПУСТОТНОГО ПРОСТРАНСТВА КАМЕННОУГОЛЬНЫХ ШАХТ
ПОД ВЛИЯНИЕМ ЗАТОПЛЕНИЯ
© 2012 г. А.В. Мохов1
Затопление угольных шахт создает специфические условия для быстрой трансформации проницаемости, емкостных свойств, фильтрационной структуры углевмещающего массива в результате редукции, расширения и генерации фильтрующих пустот под влиянием суффозии, действия гравитации и архимедовых сил.
Ключевые слова: каменноугольные шахты, затопление, пустотное пространство, гидродинамические характеристики, трансформация.
Затопление угольных шахт может сопровождаться формированием притоков и прорывов воды отсюда в выработки соседних угледобывающих предприятий, появлением выходов шахтных вод на земной поверхности, распространением их в недрах.
Подобные гидрогеологические события получили широкое распространение в основных угледобывающих регионах стран СНГ и России, в частности в связи с проведением здесь на рубеже тысячелетий ликвидации сотен угольных шахт, осуществленной в большинстве случаев "мокрым" способом. Эти явления либо потенциальная угроза их проявления оказывают значительное, преимущественно негативное, экологическое воздействие и создают большие проблемы для освоения угольных залежей, на-кладываясь на последствия текущих углеразработок.
Трансформация среды продолжает развиваться в крупных масштабах под влиянием техногенных импульсов и порожденных разработками, теперь уже "естественных", воздействий из недр.
Процессы в недрах ведут к распространению загрязнений, сокращению ресурсов подземных и поверхностных вод, деформации поверхности, изменению проницаемости пород и водообмена между водными скоплениями, генерации других вредных и опасных явлений. Значительный и специфический вклад в эти процессы вносит затопление угольных шахт.
Отмеченные проблемы актуальны для различных горнопромышленных районов России, как и для всего мира в целом.
1 Институт аридных зон Южного научного центра РАН, 344006, Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41; тел. 8 (863) 263-78-82, e-mail: mochov@ssc-ras.ru
В полной мере это является справедливым для условий Донецкого бассейна, значительная часть территории которого находится в катастрофическом геоэкологическом состоянии.
Мощный техногенный пресс на экологическое состояние среды продолжается даже после прекращения углеразработок, сворачивания промышленного производства. В этих условиях воздействие со стороны ликвидированных угольных шахт накладывается на специфическое влияние немногочисленных действующих шахт и других предприятий угольного комплекса.
Наиболее опасным является подтопление земной поверхности, охватившее многие десятки квадратных километров застроенных территорий и сельхозугодий, а также загрязнение подземных источников питьевого и технического водоснабжения. Среди экоформирующих факторов большое влияние имеют сброс и сток шахтных вод из затопленных шахт в гидросеть.
На повестке дня стоит задача ослабления степени геоэкологического воздействия, принятия эко-реабилитационных мер. Осуществляемые технические решения оказались не в состоянии хотя бы локализовать вредные воздействия и, в частности, сократить дефицит питьевых вод. О проблематичности обеспечения хозяйственно-питьевого водоснабжения за счет использования сокращающихся местных ресурсов свидетельствует проработка варианта масштабной переброски воды со стороны [1].
Предпосылкой решения этих вопросов в горнодобывающих регионах является выявление картины, источников и закономерностей генерации вред-
ных воздействий. Исключительное значение в этой связи имеет водный фактор.
Размещение и интенсивность, другие характеристики водопроявлений определяются расположением и проницаемостью каналов разгрузки, величиной ресурсов новообразованных водоисточников и пьезометрической обстановкой. Анализ данных о водопроявлениях показывает, что часть этих каналов и факторов возникла под влиянием формирования крупного подземного водного объекта.
Явным признаком трансформации, в частности, гидродинамических характеристик массива служит появление и увеличение притока, прорывы воды из затапливаемых и затопленных шахт через малопроницаемые ранее породы, новообразованные необычные по интенсивности, локализации и другим показателям выходы шахтных вод и газов на земную поверхность. Скрытый динамизм проявляется, например, в подъеме земной поверхности.
Эти и ряд других явлений связаны с развитием унаследованного пустотного пространства у нового подземного водного объекта.
Причинная связь отдельных гидродинамических событий с вторичной трансформацией горного массива установлена вполне надежно, а ряда других не вызывает сомнений, хотя механизм их генерации может быть дискуссионным.
Как и на стадии эксплуатации, трансформация гидродинамических характеристик и фильтрационной структуры происходит в результате преобразований сплошности массива, прежде всего количества, картины размещения, размеров и гидравлической взаимосвязи водопроводящих пустот. Имеющиеся данные показывают, что она может протекать с различной скоростью в сторону как увеличения, так и снижения пустотности, разрастания или редукции ее структуры.
Преобразования массива и заполнителя горных выработок происходят под влиянием разнообразных, постоянно или эпизодически проявляющихся воздействий и факторов различного знака, действовавших в период эксплуатации, либо совершенно новых, вызванных ликвидацией шахт - гравитация, физико-химическое, механическое воздействие водной среды и ее потоков и прочее. Широко известными факторами являются суффозия и противоположное ей по гидродинамическому значению гравитационное уплотнение увлажненных пород. Итоговое преобразование служит результатом суперпозиции факторов, усиливающих друг друга, в частности скачкообразно, либо, напротив, ослабляющих вплоть до взаимной практически полной нейтрализации.
Некоторые предпосылки для генерации подобных гидрогеологических событий создаются при
строительстве и эксплуатации шахт, когда в ходе горного производства формируется техногенное пустотное пространство и развивается масштабное осушение массива.
В настоящей статье остановимся на исследовании гидродинамически значимых событий, связанных с развитием данного исходного пустотного пространства в условиях образования и присутствия в выработках каменноугольных шахт крупного водного объекта.
Фильтрационная структура и гидродинамические характеристики массива на участках разработок каменноугольных залежей существенно отличаются от его показателей в условиях естественного залегания.
В ходе эксплуатации техногенное пространство по вынутому пласту приобретает своеобразную, в основном согласно залегающую с угленосной толщей решетчато-ячеистую (мозаично-секторную) структуру, осложненную секущими выработками различной ориентации. В промежутке между "прутьями" полостей капитальных и подготовительных выработок на месте извлеченных частей угольной залежи размещаются погашенные или непогашенные ячейки выработанного пространства, оконтуренные естественными и техногенными трещинами и другими пустотами.
На участках эксплуатации с обрушением кровли выработанное пространство, называемое еще обрушенным, заполнено обломками породных слоев и по сравнению с выработками имеет и сохраняет относительно более низкие абсолютные значения основных гидродинамических показателей.
На многопластовых шахтах возникает страти-формная структура из отдельных страт (по числу разрабатываемых пластов).
К моменту завершения горных работ породная толща превращается в переслаивание непроницаемых и большего по сравнению с естественным залеганием количества проницаемых горизонтов и пачек слоев, гидравлически обособленных или соединенных между собой имевшимися и новыми гидрогеологическими окнами, включая деформации сдвижения.
Ввиду неоднородности свойств горных пород, степени техногенного воздействия на них и особенностей ответной реакции горного массива развивается вертикальная и плановая деформационная зональность фильтрационных и соответствующая ей зональность емкостных свойств толщи пород над и под выработанным пространством.
На рисунке 1 изображена принципиальная схема распределения техногенного пустотного пространства на многопластовой шахте (в разрезе).
Выработки руддвора
Рис. 1. Структура пустотного пространства в пределах горных отводов каменноугольных шахт (в разрезе)
Иг
Рис. 2. Решётчато-мозаичная фильтрационная структура горного пустотного пространства в плановой проекции (принципиальная схема): 1 - капитальные и подготовительные горные выработки; 2 - выработанное обрушенное (или необрушенное) пространство; 3 - угольный пласт
Размещение в плановой проекции разнопроница-емых частей пустотного пространства, связанных с подготовительными и капитальными выработками и выработанным пространством, иллюстрирует рисунок 2.
В условиях старых угледобывающих регионов, например Восточного Донбасса, подобные структуры развиты на площади сотни квадратных километров и погружаются на глубину до 1,3 км. Вокруг ряда населенных пунктов образовались крупные техногенные узлы, где имеет место вы-работанность серий угольных пластов на больших площадях, широкое площадное распространение горных выработок и проникновение горных работ
на значительную глубину. Здесь под влиянием водоотлива сформировалась серия проницаемых, но безводных горизонтов и зон, а под воздействием сдвижения развилось интенсивное трещинообразо-вание, обеспечившее масштабный дренаж массива и гидравлическую взаимосвязь многих его частей.
Затопление шахт обеспечило заводнение ранее осушенных областей массива. Произошло формирование своеобразной "жидкой интрузии" шахтных вод в гидрогеологической структуре каменноугольных отложений, имеющей различную контрастность с гидрогеохимическим фоном и разгружающейся естественным или организованным способом. Состояние данной интрузии далеко от стабильного и находится под влиянием типичной для подобных обстановок совокупности факторов.
Пустотное пространство испытывает трансф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.