Помощь студентам в учебе
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВОДОЗАЩИТНОЙ ТОЛЩИ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЯКОВЛЕВСКОГО РУДНИКА
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 9
1.1 Актуальность вопроса ведения горных работ под водными объектами 9
1.2 Способы борьбы с прорывами подземных вод из вышележащих водных объектов 13
1.3 Обзор нормативных документов 17
1.4 Изученность вопроса прогнозирования водопритоков в горные выработки под водными
объектами 20
1.5 История освоения КМА и Яковлевского месторождения 23
1.6 Выводы по I главе 32
ГЛАВА II МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 34
2.1 Используемые материалы 34
2.1.1 Физико-географический очерк 34
2.1.2 Геологическое строение Яковлевского месторождения 37
2.1.3 Гидрогеологические условия Яковлевского месторождения 50
2.1.4 Техногенный режим подземных вод Яковлевского месторождения 63
2.2 Методология 71
2.2.1 Теоретические сведения о методах научных исследований 71
2.2.2 Виды методических подходов в рамках диссертационной работы 74
ГЛАВА III ОБОСНОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СХЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ВОДОПРИТОКА81
3.1 Факторы формирования водопритока к горным выработкам Яковлевского рудника 81
3.1.1 Предпосылки увеличения проницаемости в кровле очистных выработок 82
3.2 Оценка балансовых составляющих формирования водопритока с помощью объемновесового метода 87
3.3 Оценка балансовых составляющих формирования водопритока с помощью метода
численного геофильтрационного моделирования 94
3.3.1 Параметрическое обеспечение модели 95
3.3.2 Схематизация гидрогеологических условий исследуемого участка 99
3.3.3 Калибрация модели 101
3.3.4 Определение балансовых составляющих водопритока в рудник 105
3.4 Выводы по III главе 106
ГЛАВА IV ЭМПИРИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
ВОДОПРИТОКА 108
4.1 Целесообразность использования эмпирических зависимостей и группы факторов для
прогнозирования водопритока к очистным выработкам 108
4.2 Связь водопритока к очистным выработкам с горными факторами 109
4.3 Связь водопритока к очистным выработкам с геомеханическими факторами 114
4.4 Гидрогеологические факторы прогнозирования водопритока к очистным выработкам...117
4.5 Определение закономерностей изменения проницаемости водозащитной толщи 123
4.6 Обобщение результатов 128
4.7 Выводы по IV Главе 131
ГЛАВА V СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 134
5.1 Особенности постановки гидрогеологического мониторинга в условиях Яковлевского
месторождения 134
5.2 Требования к показателям ведения мониторинга на Яковлевском месторождении 135
5.3 Обоснование периодичности измерений показателей гидрогеологической группы 137
5.4 Рекомендации по фиксации водопритоков к очистным выработкам 142
5.5 Прямые методы определения проницаемости водозащитной толщи 144
5.6 Мероприятия по снижению прорывоопасности подземных вод из
нижнекаменноугольного водоносного горизонта 148
5.6 Выводы по V главе 153
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 156
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 158
ПРИЛОЖЕНИЕ А - Акт внедрения 168
ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Графики сопоставления модельных и натурных напоров 170
ГЛАВА I СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 9
1.1 Актуальность вопроса ведения горных работ под водными объектами 9
1.2 Способы борьбы с прорывами подземных вод из вышележащих водных объектов 13
1.3 Обзор нормативных документов 17
1.4 Изученность вопроса прогнозирования водопритоков в горные выработки под водными
объектами 20
1.5 История освоения КМА и Яковлевского месторождения 23
1.6 Выводы по I главе 32
ГЛАВА II МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 34
2.1 Используемые материалы 34
2.1.1 Физико-географический очерк 34
2.1.2 Геологическое строение Яковлевского месторождения 37
2.1.3 Гидрогеологические условия Яковлевского месторождения 50
2.1.4 Техногенный режим подземных вод Яковлевского месторождения 63
2.2 Методология 71
2.2.1 Теоретические сведения о методах научных исследований 71
2.2.2 Виды методических подходов в рамках диссертационной работы 74
ГЛАВА III ОБОСНОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СХЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ВОДОПРИТОКА81
3.1 Факторы формирования водопритока к горным выработкам Яковлевского рудника 81
3.1.1 Предпосылки увеличения проницаемости в кровле очистных выработок 82
3.2 Оценка балансовых составляющих формирования водопритока с помощью объемновесового метода 87
3.3 Оценка балансовых составляющих формирования водопритока с помощью метода
численного геофильтрационного моделирования 94
3.3.1 Параметрическое обеспечение модели 95
3.3.2 Схематизация гидрогеологических условий исследуемого участка 99
3.3.3 Калибрация модели 101
3.3.4 Определение балансовых составляющих водопритока в рудник 105
3.4 Выводы по III главе 106
ГЛАВА IV ЭМПИРИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
ВОДОПРИТОКА 108
4.1 Целесообразность использования эмпирических зависимостей и группы факторов для
прогнозирования водопритока к очистным выработкам 108
4.2 Связь водопритока к очистным выработкам с горными факторами 109
4.3 Связь водопритока к очистным выработкам с геомеханическими факторами 114
4.4 Гидрогеологические факторы прогнозирования водопритока к очистным выработкам...117
4.5 Определение закономерностей изменения проницаемости водозащитной толщи 123
4.6 Обобщение результатов 128
4.7 Выводы по IV Главе 131
ГЛАВА V СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 134
5.1 Особенности постановки гидрогеологического мониторинга в условиях Яковлевского
месторождения 134
5.2 Требования к показателям ведения мониторинга на Яковлевском месторождении 135
5.3 Обоснование периодичности измерений показателей гидрогеологической группы 137
5.4 Рекомендации по фиксации водопритоков к очистным выработкам 142
5.5 Прямые методы определения проницаемости водозащитной толщи 144
5.6 Мероприятия по снижению прорывоопасности подземных вод из
нижнекаменноугольного водоносного горизонта 148
5.6 Выводы по V главе 153
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 156
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 158
ПРИЛОЖЕНИЕ А - Акт внедрения 168
ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Графики сопоставления модельных и натурных напоров 170
Актуальность работы. Яковлевское месторождение является крупнейшим в России по запасам богатых железных руд (9,5 млрд т.), содержание железа в которых достигает 68 %. Его уникальность обусловлена не только промышленным потенциалом, но и сложностью горногеологических условий его разработки. Согласно проектным решениям, выемка богатых руд производится на глубинах более 600 м под водоносным горизонтом с напором 300 м, отделённым от выработок водозащитным целиком.
К настоящему времени не создана единая теоретическая модель деформирования водонасыщенного массива дисперсных пород, позволяющая прогнозировать изменение водопритока в процессе его сдвижения, что обуславливает актуальность получения эмпирических зависимостей для прогнозирования водопритоков в подобных Яковлевскому месторождению условиях.
Рост водопритоков в горные выработки рудника за последние 18 лет при сохранении контура ведения горных работ подчеркивает необходимость установления закономерностей изменения схемы формирования водопритока в процессе подработки и, как следствие, увеличения проницаемости водозащитной толщи, разработки положений гидрогеологического мониторинга для повышения безопасности отработки Яковлевского месторождения. Недостаточная надежность прогнозов водопритоков в Яковлевский рудник приводит к затоплению почв горных выработок, нарушению планов ведения горных работ и активизации горно-геологических процессов.
Степень разработанности темы. В период до начала промышленной добычи руды исследованию гидрогеологических и инженерно-геологических условий Яковлевского месторождения посвящены работы Чайкина С.И., Саара А.А., Цибизова А.Н., Бабушкина С.П., Семенова П.В., Гуркина А.Я., Русиновича И.А., Иванов И.П. и др.
Методическими разработками, направленными на обоснование безопасных условий подработки водных объектов, выявление критериев наступления аварийных случаев прорывов подземных вод в горные выработки занимались такие ученые как Фисенко Г.Л., Гвирцман Б.Я., Шокин Ю.П., Кацнельсон Н.Н., Мироненко В.А., Шестаков В.М., Норватов Ю.А., Хохлов И.В., Борисов А.А., Бошенятов Е.В. и др. Как правило, эти работы фокусировались на горных массивах с возможностью образования сети водопроводящих трещин, от высоты распространения которой и зависят условия безопасной подработки.
В трудах Дашко Р.Э., Трушко В.Л., Протосени А.Г. и их учеников уделяется внимание вопросам систематизации и районирования горно-геологических процессов, протекающих в богатых железных рудах водозащитной толщи, причинам их активизации, обосновываются условия реализации самого опасного из них - прорыва подземных вод в горные выработки, доказывается факт наличия перетекания из перекрывающего водоносного горизонта, разрабатываются критерии устойчивости горных выработок, обосновываются характеристики крепи для безопасной отработки месторождения.
Однако, недоизученными остаются вопросы закономерностей изменения
фильтрационных свойств дисперсных пород при их подработке и, как следствие, разуплотнения, что играет определяющую роль в формировании водопритока к очистным горным выработкам. Вместе с тем, на Яковлевском руднике не реализован потенциал в совершенствовании системы гидрогеологического мониторинга для повышения его чувствительности и оперативности к нисходящему перетеканию подземных вод.
Объект исследования - природно-техногенная гидрогеологическая система: рудник - водозащитная толща - подрабатываемый водоносный горизонт.
Предмет исследования - процесс формирования притока подземных вод к области ведения очистных работ при изменении проницаемости водозащитной толщи на Яковлевском руднике.
Цель работы: установление закономерностей изменения проницаемости водозащитной толщи для повышения достоверности прогнозов водопритоков в Яковлевский рудник.
Задачи исследования:
• выявление факторов формирования водопритоков в рудник через водозащитную толщу с учётом горно-геологических особенностей ведения очистных работ;
• обоснование схемы формирования водопритока в рудник с количественной оценкой источников в общем балансе;
• разработка методики прогнозирования водопритока к очистным выработкам на основе эмпирических зависимостей;
• совершенствование гидрогеологического мониторинга для контроля за перетеканием подземных вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта.
Научная новизна работы:
• установлен экспоненциальный рост водопритока из нижнекаменноугольного водоносного горизонта на фоне снижения величины водопритока из руднокристаллического горизонта по линейному закону при отработке Яковлевского месторождения;
• выявлена зависимость коэффициента фильтрации и фильтрационного сопротивления пород водозащитной толщи от их оседания на первоочередном участке и разработан алгоритм её получения для прилегающих участков;
• получены зависимости водопритока из нижнекаменноугольного водоносного горизонта к очистному пространству от горных, геомеханических и гидрогеологических факторов.
Практическая значимость работы:
• выполнена адаптация объемно-весового метода смешения растворов для оценки баланса водопритоков в Яковлевский рудник во времени с целью повышения достоверности их прогнозирования, что может быть использовано при корректировке системы осушения месторождения и планов ведения горных работ;
• разработана методика прогнозирования водопритока к зоне ведения очистных работ и проницаемости пород водозащитной толщи на основе эмпирических зависимостей, что применимо для Яковлевского рудника и при строительстве и эксплуатации рудников в аналогичных условиях;
• составлены рекомендации по совершенствованию системы гидрогеологического мониторинга на Яковлевском месторождении для повышения чувствительности и скорости реагирования системы гидрогеологического мониторинга;
• разработаны дренажные мероприятия для снижения прорывоопасности при подработке водного объекта;
• обоснованы безопасные параметры скважин для проведения, предусмотренных проектом, пневмоиспытаний пород ВЗТ.
Методы исследования. При проведении исследований применялся комплексный подход к изучаемому объекту, который включает: сбор и систематизацию ранее проведенных научных работ, анализ данных мониторинга, полевые методы проведения гидрогеологической съемки и отбор проб подземных вод на участках водопроявлений, а также камеральную обработку и интерпретацию собранных материалов с использованием современных компьютерных программ и статистических методов.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается значительным объемом сведений о режиме подземных вод, сходимостью полученных зависимостей с теоретическими предпосылками, статистической обработкой измерений, использованием поверенной аппаратуры и результатов анализов, выполненных в аккредитованных лабораториях.
Фактический материал и личный вклад автора.
Автором на основе литературных источников, ранее проведённых работ сотрудниками Горного университета в период 1998-2014 гг. сформулированы цель и задачи исследования. Проведена полевая гидрогеологическая съемка рудника: замеры минерализации подземных вод на участках водопроявлений в горных выработках (46 шт.), отбор проб подземных и рудничных вод (4 шт.) на ключевых участках водоотведения. Выполнена камеральная обработка и интерпретация данных гидрогеомеханического мониторинга (замеры абсолютных отметок реперов подземной и наземной наблюдательных станций в период с 2005 по 2022 гг., сведения о ежемесячных значениях водопритоков и уровней подземных вод в наблюдательных скважинах в период с 1986 по 2022 гг., сведения о химическом составе подземных и рудничных вод по совокупной базе данных из 240 проб в период с 1956 по 2022 гг), полевой гидрогеологической съемки, построена численная геофильтрационная модель месторождения, проведены численные и аналитические расчеты, сформулированы выводы.
При проведении исследования также были использованы результаты, полученные в ходе проведения научно-исследовательских работ с участием автора: «Гидрогеомеханическое сопровождение отработки богатых железных руд на Яковлевском руднике» (2020 и 2021 гг.), «Разработка совместной гидрогеологической и геомеханической модели отработки центрального участка Яковлевского месторождения в автоматизированном программном комплексе» (2021-2022 гг.), «Разработка технического регламента на создание системы специального гидрогеомеханического мониторинга на основе пневмоиспытаний проницаемости предохранительного целика» (2020-2021 гг.).
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на:
• IX Международной научно-практической конференции «Инновационные перспективы Донбасса», Донецк, 2023 г;
• XIII Международной научно-практической конференции «Актуальные научные исследования» Пенза, 2023 г.
Публикации. Результаты диссертационного исследования освещены в 7 печатных работах, в том числе в 5 статьях - в изданиях, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук (Перечень ВАК, Scopus).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Изложение диссертации занимает 170 страниц, содержит 74 рисунка, 15 таблиц и список литературы из 121 источника.
Благодарности. Автор считает обязательным выразить искреннюю признательность своему научному руководителю к.г.-м.н., в.н.с. Котлову С.Н., сотрудникам НЦГ и ПГП лаборатории гидрогеологии и экологии Лесничему Л.И. и Гриценко К.И., а также всему коллективу кафедры гидрогеологии и инженерной геологии за точные замечания и советы при работе над диссертацией. Автор благодарит сотрудников предприятия ООО «Яковлевский ГОК» из отдела гидрогеомеханического мониторинга, геологов и гидрогеологов рудника за помощь при прохождении производственной стажировки и сборе материалов.
Основное содержание работы
Во введении представлена общая характеристика диссертационной работы: актуальность проблемы и проведенных исследований, сформулирована цель работы, которая определяет задачи, представлены защищаемые положения, а также научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В рамках первой главы диссертации на основании анализа научных источников делаются выводы об актуальности исследования, его соответствии приоритетным научным направлениям в минерально-сырьевой отрасли, состоянии изученности процесса формирования водопритока в рудник через подрабатываемый целик. Рассматриваются положения о гидрогеологическом мониторинге среды на участках ведения горных работ под водными объектами, пути их совершенствования.
Во второй главе по мере описания природных и техногенных условий Яковлевского месторождения приводятся материалы и их источники, лежащие в основе диссертационной работы. Вместе с тем, обосновываются и характеризуются полевые и аналитические методы, использованные автором при сборе и обработке данных.
В третьей главе приводятся предпосылки увеличения проницаемости водозащитной толщи при её подработке, производится оценка схемы формирования водопритока к очистным выработкам во времени с использованием гидрохимических и гидродинамических методов, обосновывается подход к водозащитной толще как к слою с переменной проницаемостью, которая определяется степенью её техногенной нарушенности.
Четвертая глава содержит результаты факторного анализа влияния показателей ведения горных работ, деформирования вышележащего над выработками массива, а также показателей гидрогеологического мониторинга на величину водопритока к очистным выработкам. Устанавливаются, а также теоретически и статистически обосновываются уравнения регрессии, подходящие для использования в практических прогнозных целях.
В пятой главе обосновываются пути совершенствования гидрогеологического мониторинга для повышения безопасности эксплуатации Яковлевского рудника на основе оптимизации периодичности наблюдений за уровнями подземных вод и дискретизации очистного пространства на несколько водобалансовых зон. Формулируются рекомендации по дренированию нижнекаменноугольного водоносного горизонта для снижения прорывоопасности и проведению пневмоиспытаний.
Заключение представляет собой обобщение достигнутых результатов, их соответствие поставленным целям и задачам, перспективы дальнейших исследований.
К настоящему времени не создана единая теоретическая модель деформирования водонасыщенного массива дисперсных пород, позволяющая прогнозировать изменение водопритока в процессе его сдвижения, что обуславливает актуальность получения эмпирических зависимостей для прогнозирования водопритоков в подобных Яковлевскому месторождению условиях.
Рост водопритоков в горные выработки рудника за последние 18 лет при сохранении контура ведения горных работ подчеркивает необходимость установления закономерностей изменения схемы формирования водопритока в процессе подработки и, как следствие, увеличения проницаемости водозащитной толщи, разработки положений гидрогеологического мониторинга для повышения безопасности отработки Яковлевского месторождения. Недостаточная надежность прогнозов водопритоков в Яковлевский рудник приводит к затоплению почв горных выработок, нарушению планов ведения горных работ и активизации горно-геологических процессов.
Степень разработанности темы. В период до начала промышленной добычи руды исследованию гидрогеологических и инженерно-геологических условий Яковлевского месторождения посвящены работы Чайкина С.И., Саара А.А., Цибизова А.Н., Бабушкина С.П., Семенова П.В., Гуркина А.Я., Русиновича И.А., Иванов И.П. и др.
Методическими разработками, направленными на обоснование безопасных условий подработки водных объектов, выявление критериев наступления аварийных случаев прорывов подземных вод в горные выработки занимались такие ученые как Фисенко Г.Л., Гвирцман Б.Я., Шокин Ю.П., Кацнельсон Н.Н., Мироненко В.А., Шестаков В.М., Норватов Ю.А., Хохлов И.В., Борисов А.А., Бошенятов Е.В. и др. Как правило, эти работы фокусировались на горных массивах с возможностью образования сети водопроводящих трещин, от высоты распространения которой и зависят условия безопасной подработки.
В трудах Дашко Р.Э., Трушко В.Л., Протосени А.Г. и их учеников уделяется внимание вопросам систематизации и районирования горно-геологических процессов, протекающих в богатых железных рудах водозащитной толщи, причинам их активизации, обосновываются условия реализации самого опасного из них - прорыва подземных вод в горные выработки, доказывается факт наличия перетекания из перекрывающего водоносного горизонта, разрабатываются критерии устойчивости горных выработок, обосновываются характеристики крепи для безопасной отработки месторождения.
Однако, недоизученными остаются вопросы закономерностей изменения
фильтрационных свойств дисперсных пород при их подработке и, как следствие, разуплотнения, что играет определяющую роль в формировании водопритока к очистным горным выработкам. Вместе с тем, на Яковлевском руднике не реализован потенциал в совершенствовании системы гидрогеологического мониторинга для повышения его чувствительности и оперативности к нисходящему перетеканию подземных вод.
Объект исследования - природно-техногенная гидрогеологическая система: рудник - водозащитная толща - подрабатываемый водоносный горизонт.
Предмет исследования - процесс формирования притока подземных вод к области ведения очистных работ при изменении проницаемости водозащитной толщи на Яковлевском руднике.
Цель работы: установление закономерностей изменения проницаемости водозащитной толщи для повышения достоверности прогнозов водопритоков в Яковлевский рудник.
Задачи исследования:
• выявление факторов формирования водопритоков в рудник через водозащитную толщу с учётом горно-геологических особенностей ведения очистных работ;
• обоснование схемы формирования водопритока в рудник с количественной оценкой источников в общем балансе;
• разработка методики прогнозирования водопритока к очистным выработкам на основе эмпирических зависимостей;
• совершенствование гидрогеологического мониторинга для контроля за перетеканием подземных вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта.
Научная новизна работы:
• установлен экспоненциальный рост водопритока из нижнекаменноугольного водоносного горизонта на фоне снижения величины водопритока из руднокристаллического горизонта по линейному закону при отработке Яковлевского месторождения;
• выявлена зависимость коэффициента фильтрации и фильтрационного сопротивления пород водозащитной толщи от их оседания на первоочередном участке и разработан алгоритм её получения для прилегающих участков;
• получены зависимости водопритока из нижнекаменноугольного водоносного горизонта к очистному пространству от горных, геомеханических и гидрогеологических факторов.
Практическая значимость работы:
• выполнена адаптация объемно-весового метода смешения растворов для оценки баланса водопритоков в Яковлевский рудник во времени с целью повышения достоверности их прогнозирования, что может быть использовано при корректировке системы осушения месторождения и планов ведения горных работ;
• разработана методика прогнозирования водопритока к зоне ведения очистных работ и проницаемости пород водозащитной толщи на основе эмпирических зависимостей, что применимо для Яковлевского рудника и при строительстве и эксплуатации рудников в аналогичных условиях;
• составлены рекомендации по совершенствованию системы гидрогеологического мониторинга на Яковлевском месторождении для повышения чувствительности и скорости реагирования системы гидрогеологического мониторинга;
• разработаны дренажные мероприятия для снижения прорывоопасности при подработке водного объекта;
• обоснованы безопасные параметры скважин для проведения, предусмотренных проектом, пневмоиспытаний пород ВЗТ.
Методы исследования. При проведении исследований применялся комплексный подход к изучаемому объекту, который включает: сбор и систематизацию ранее проведенных научных работ, анализ данных мониторинга, полевые методы проведения гидрогеологической съемки и отбор проб подземных вод на участках водопроявлений, а также камеральную обработку и интерпретацию собранных материалов с использованием современных компьютерных программ и статистических методов.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается значительным объемом сведений о режиме подземных вод, сходимостью полученных зависимостей с теоретическими предпосылками, статистической обработкой измерений, использованием поверенной аппаратуры и результатов анализов, выполненных в аккредитованных лабораториях.
Фактический материал и личный вклад автора.
Автором на основе литературных источников, ранее проведённых работ сотрудниками Горного университета в период 1998-2014 гг. сформулированы цель и задачи исследования. Проведена полевая гидрогеологическая съемка рудника: замеры минерализации подземных вод на участках водопроявлений в горных выработках (46 шт.), отбор проб подземных и рудничных вод (4 шт.) на ключевых участках водоотведения. Выполнена камеральная обработка и интерпретация данных гидрогеомеханического мониторинга (замеры абсолютных отметок реперов подземной и наземной наблюдательных станций в период с 2005 по 2022 гг., сведения о ежемесячных значениях водопритоков и уровней подземных вод в наблюдательных скважинах в период с 1986 по 2022 гг., сведения о химическом составе подземных и рудничных вод по совокупной базе данных из 240 проб в период с 1956 по 2022 гг), полевой гидрогеологической съемки, построена численная геофильтрационная модель месторождения, проведены численные и аналитические расчеты, сформулированы выводы.
При проведении исследования также были использованы результаты, полученные в ходе проведения научно-исследовательских работ с участием автора: «Гидрогеомеханическое сопровождение отработки богатых железных руд на Яковлевском руднике» (2020 и 2021 гг.), «Разработка совместной гидрогеологической и геомеханической модели отработки центрального участка Яковлевского месторождения в автоматизированном программном комплексе» (2021-2022 гг.), «Разработка технического регламента на создание системы специального гидрогеомеханического мониторинга на основе пневмоиспытаний проницаемости предохранительного целика» (2020-2021 гг.).
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на:
• IX Международной научно-практической конференции «Инновационные перспективы Донбасса», Донецк, 2023 г;
• XIII Международной научно-практической конференции «Актуальные научные исследования» Пенза, 2023 г.
Публикации. Результаты диссертационного исследования освещены в 7 печатных работах, в том числе в 5 статьях - в изданиях, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук (Перечень ВАК, Scopus).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Изложение диссертации занимает 170 страниц, содержит 74 рисунка, 15 таблиц и список литературы из 121 источника.
Благодарности. Автор считает обязательным выразить искреннюю признательность своему научному руководителю к.г.-м.н., в.н.с. Котлову С.Н., сотрудникам НЦГ и ПГП лаборатории гидрогеологии и экологии Лесничему Л.И. и Гриценко К.И., а также всему коллективу кафедры гидрогеологии и инженерной геологии за точные замечания и советы при работе над диссертацией. Автор благодарит сотрудников предприятия ООО «Яковлевский ГОК» из отдела гидрогеомеханического мониторинга, геологов и гидрогеологов рудника за помощь при прохождении производственной стажировки и сборе материалов.
Основное содержание работы
Во введении представлена общая характеристика диссертационной работы: актуальность проблемы и проведенных исследований, сформулирована цель работы, которая определяет задачи, представлены защищаемые положения, а также научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В рамках первой главы диссертации на основании анализа научных источников делаются выводы об актуальности исследования, его соответствии приоритетным научным направлениям в минерально-сырьевой отрасли, состоянии изученности процесса формирования водопритока в рудник через подрабатываемый целик. Рассматриваются положения о гидрогеологическом мониторинге среды на участках ведения горных работ под водными объектами, пути их совершенствования.
Во второй главе по мере описания природных и техногенных условий Яковлевского месторождения приводятся материалы и их источники, лежащие в основе диссертационной работы. Вместе с тем, обосновываются и характеризуются полевые и аналитические методы, использованные автором при сборе и обработке данных.
В третьей главе приводятся предпосылки увеличения проницаемости водозащитной толщи при её подработке, производится оценка схемы формирования водопритока к очистным выработкам во времени с использованием гидрохимических и гидродинамических методов, обосновывается подход к водозащитной толще как к слою с переменной проницаемостью, которая определяется степенью её техногенной нарушенности.
Четвертая глава содержит результаты факторного анализа влияния показателей ведения горных работ, деформирования вышележащего над выработками массива, а также показателей гидрогеологического мониторинга на величину водопритока к очистным выработкам. Устанавливаются, а также теоретически и статистически обосновываются уравнения регрессии, подходящие для использования в практических прогнозных целях.
В пятой главе обосновываются пути совершенствования гидрогеологического мониторинга для повышения безопасности эксплуатации Яковлевского рудника на основе оптимизации периодичности наблюдений за уровнями подземных вод и дискретизации очистного пространства на несколько водобалансовых зон. Формулируются рекомендации по дренированию нижнекаменноугольного водоносного горизонта для снижения прорывоопасности и проведению пневмоиспытаний.
Заключение представляет собой обобщение достигнутых результатов, их соответствие поставленным целям и задачам, перспективы дальнейших исследований.
В рамках законченной диссертационной работы были получены научные и практические результаты в соответствии с поставленными целью и задачами исследования.
На основе анализа и обобщения ранее проведённых исследований геологогидрогеологических естественных и техногенно-нарушенных условий Яковлевского месторождения, а также собственных полевых работ автора, были выявлены предпосылки увеличения проницаемости водозащитной толщи в процессе добычи богатых железных руд и интенсификация нисходящего перетекания подземных вод из НВГ.
Проведена схематизация гидрогеологических условий Яковлевского месторождения, в рамках которой учтено общее моноклинальное залегание гидрогеологических подразделений осадочной толщи, профильные и плановые фильтрационные неоднородности, а также наличие сдвижения подрабатываемых горных пород водозащитной толщи - зоны с переменным вертикальным коэффициентом фильтрации. Построена геофильтрационная модель Яковлевского месторождения.
Гидрохимическим (по формулам смешения растворов) и гидродинамическим (на основе математического моделирования) методами установлены закономерности изменения схемы формирования водопритока к очистным выработкам Яковлевского рудника вследствие техногенного увеличения проницаемости водозащитного целика при его подработке. Получены хронологические изменения абсолютных величин и долей водопритока к очистному пространству из НВГ и РВГ. Так, в период с 2005 по 2022 гг. величина водопритока из НВГ выросла по экспоненциальному закону в 9 раз (с 43 м3/ч до 386 м3/ч) при неизменном контуре дренирования.
Выявлены, а также теоретически и статистически обоснованы эмпирические зависимости для прогнозирования водопритока к очистному пространству на основе ряда факторов: приращения объема пустот, оседаний подрабатываемого массива, понижений в водоносных горизонтах нижнего комплекса, минерализации и концентрации хлорид иона в дренажных водах главного водосборника. Выработаны критерии применимости предложенных зависимостей для первоочередного участка отработки месторождения.
Решение обратной задачи на построенной геофильтрационной модели в эпигнозной постановке (с 2005 по 2022 гг) позволило получить функцию изменения вертикального фильтрационного сопротивления пород ВЗТ от деформаций рудной потолочины на первоочередном участке отработки. Вместе с тем, предложен алгоритм получения данной функции для прогнозирования водопритока от перетекания в будущем на соседних участках отработки месторождения.
Обоснованы способы адаптивного совершенствования гидрогеологического мониторинга путем оптимизации периодичности измерений уровней подземных вод и дискретизации очистного пространства на несколько водобалансовых зон. Такая постановка мониторинга позволит повысить чувствительность всей системы, локализовать участки интенсификации процесса перетекания подземных вод из НВГ и сократить время принятия соответствующих оперативных решений.
Даны практические рекомендации по дренированию НВГ до значений напоров, соответствующих безопасным с точки зрения прорывоопасности подземных вод НВГ в горные выработки рудника: определены дебиты дренажных скважин на этапах снижения и поддержания безопасного напора, соответствующие изменения водопритоков в рудник в нестационарной постановке, а также оседания дневной поверхности вследствие снижения порового давления в НВГ. Вместе с тем, практические рекомендации касаются проведения предусмотренных проектом разработки Яковлевского месторождения пневмоиспытаний пород ВЗТ: на геофильтрационной модели проведена оценка положения зоны ненасыщенной и насыщенной фильтрации в теле ВЗТ, построен график безопасных соотношений диаметров опытных скважин и остаточной величины целика (между забоем скважины и подошвой НВГ).
Будущие перспективы исследования лежат в области расширения направлений применения результатов на других месторождениях твердых полезных ископаемых, отрабатываемых под неосушенными водоносными горизонтами. По-прежнему актуальными являются задачи изучения особенностей гидрогеомеханических и гидрохимических процессов в теле водозащитной толщи при её подработке. Дополнительного внимания требуют вопросы управления подземными водами для хозяйственно-питьевого водоснабжения в трансграничной зоне разработки Яковлевского месторождения.
На основе анализа и обобщения ранее проведённых исследований геологогидрогеологических естественных и техногенно-нарушенных условий Яковлевского месторождения, а также собственных полевых работ автора, были выявлены предпосылки увеличения проницаемости водозащитной толщи в процессе добычи богатых железных руд и интенсификация нисходящего перетекания подземных вод из НВГ.
Проведена схематизация гидрогеологических условий Яковлевского месторождения, в рамках которой учтено общее моноклинальное залегание гидрогеологических подразделений осадочной толщи, профильные и плановые фильтрационные неоднородности, а также наличие сдвижения подрабатываемых горных пород водозащитной толщи - зоны с переменным вертикальным коэффициентом фильтрации. Построена геофильтрационная модель Яковлевского месторождения.
Гидрохимическим (по формулам смешения растворов) и гидродинамическим (на основе математического моделирования) методами установлены закономерности изменения схемы формирования водопритока к очистным выработкам Яковлевского рудника вследствие техногенного увеличения проницаемости водозащитного целика при его подработке. Получены хронологические изменения абсолютных величин и долей водопритока к очистному пространству из НВГ и РВГ. Так, в период с 2005 по 2022 гг. величина водопритока из НВГ выросла по экспоненциальному закону в 9 раз (с 43 м3/ч до 386 м3/ч) при неизменном контуре дренирования.
Выявлены, а также теоретически и статистически обоснованы эмпирические зависимости для прогнозирования водопритока к очистному пространству на основе ряда факторов: приращения объема пустот, оседаний подрабатываемого массива, понижений в водоносных горизонтах нижнего комплекса, минерализации и концентрации хлорид иона в дренажных водах главного водосборника. Выработаны критерии применимости предложенных зависимостей для первоочередного участка отработки месторождения.
Решение обратной задачи на построенной геофильтрационной модели в эпигнозной постановке (с 2005 по 2022 гг) позволило получить функцию изменения вертикального фильтрационного сопротивления пород ВЗТ от деформаций рудной потолочины на первоочередном участке отработки. Вместе с тем, предложен алгоритм получения данной функции для прогнозирования водопритока от перетекания в будущем на соседних участках отработки месторождения.
Обоснованы способы адаптивного совершенствования гидрогеологического мониторинга путем оптимизации периодичности измерений уровней подземных вод и дискретизации очистного пространства на несколько водобалансовых зон. Такая постановка мониторинга позволит повысить чувствительность всей системы, локализовать участки интенсификации процесса перетекания подземных вод из НВГ и сократить время принятия соответствующих оперативных решений.
Даны практические рекомендации по дренированию НВГ до значений напоров, соответствующих безопасным с точки зрения прорывоопасности подземных вод НВГ в горные выработки рудника: определены дебиты дренажных скважин на этапах снижения и поддержания безопасного напора, соответствующие изменения водопритоков в рудник в нестационарной постановке, а также оседания дневной поверхности вследствие снижения порового давления в НВГ. Вместе с тем, практические рекомендации касаются проведения предусмотренных проектом разработки Яковлевского месторождения пневмоиспытаний пород ВЗТ: на геофильтрационной модели проведена оценка положения зоны ненасыщенной и насыщенной фильтрации в теле ВЗТ, построен график безопасных соотношений диаметров опытных скважин и остаточной величины целика (между забоем скважины и подошвой НВГ).
Будущие перспективы исследования лежат в области расширения направлений применения результатов на других месторождениях твердых полезных ископаемых, отрабатываемых под неосушенными водоносными горизонтами. По-прежнему актуальными являются задачи изучения особенностей гидрогеомеханических и гидрохимических процессов в теле водозащитной толщи при её подработке. Дополнительного внимания требуют вопросы управления подземными водами для хозяйственно-питьевого водоснабжения в трансграничной зоне разработки Яковлевского месторождения.
