logo1-color

Анализ изменений водопритоков в горные выработки с использованием балансовой модели на примере Ургальского угольного месторождения

С использованием математической балансовой модели, основанной на данных режимных наблюдений за осадками, увеличением площади отработки и водоотлива, выполнены оценки балансовых составляющих водопритока в подземные горные выработки Ургальского месторождения.

Ключевые слова: Ургальское угольное месторождение, гидрогеологические модели, баланс водопритоков, шахтный водоотлив, режимные наблюдения.

При быстром развитии численных методов и вычислительной техники в настоящее время численному моделированию доступны практически все процессы, для которых существует математическое описание, вопрос заключается только в наличии соответствующих программных средств. В то же время хорошо известно, что наиболее серьезным препятствием для этого «остаются неустранимые пробелы в знании структуры и свойств моделируемых геологических объектов, которые делают неопределенными оценки достоверности результатов моделирования» [1].

Основными критериями оценки достоверности численных моделей гидрогеологических объектов принято считать соответствие результатов расчетов уровней и расходов подземных вод в точках их измерения. Однако эти точки дискретны в пространстве, а измерения — во времени, что приводит к множественности геологических моделей, соответствующих результатам этих измерений. Дополнительным отрицательным фактором, воздействующим на процесс оценки достоверности создаваемых гидрогеологических моделей, представляется чрезмерная минимизация материальных и временных затрат на их создание и верификацию — как следствие системы конкурсов на выполнение такого рода работ, к основным критериям в которых относятся минимальные стоимость и время выполнения, а не квалификация исполнителей и достоверность результатов.

Основными путями повышения достоверности численных моделей является изучение всего комплекса имеющейся гидрогеологической информации, постановка специальных комплексных геологических, гидродинамических (опытных и режимных) и гидрогеохимических (включая методы изотопного анализа) исследований, нацеленных на уточнение различными независимыми методами балансовых составляющих и эффективных параметров системы в той ее части, которая наиболее принципиальна для решения поставленных прикладных задач. После этого остающиеся риски неопределенности могут быть оценены при помощи факторно-диапазонных оценок. В настоящей статье представлен пример анализа данных имеющихся наблюдений за величинами водоотлива, атмосферных осадков и площади отработки месторождения для оценки достоверности ранее построенных численных моделей, нацеленных на прогноз водопритоков в горные выработки Ургальского угольного месторождения. Анализ основан не на численном моделировании, а по сути на арифметической балансовой модели, базирующейся на физических представлениях о балансовых составляющих водопритоков.

Ургальское месторождение каменного угля Буреинского бассейна расположено в Верхнебуреинском районе Хабаровского края и приурочено к междуречью Ургал — Дубликан. Площадь месторождения 480 км2.

Участок Северный Ургал занимает северную часть месторождения. Его протяженность по простиранию структуры 6,8 км, вкрест простирания 3,5 км, площадь 23,8 км2. Границами участка являются на западе и северо-западе — долина р. Ургал, на юге — руч. Б. Сатанки, на востоке и севере — выходы угольных пластов под рыхлые четвертичные отложения (рис. 1, 2). На юго-западе участок граничит с полем отрабатываемой шахты Ургальской. Среднегодовая температура воздуха колеблется от –1,6 до –3,8 °С. Сумма осадков за год изменяется от 484 до 880 мм, в среднем — 690 мм. При этом минимум наблюдается с ноября по март (в среднем за период 53 мм) и максимум — с апреля по октябрь (в среднем за период 611 мм).

statia-4-ris-1

statia-4-ris-2

Месторождение расположено в зоне прерывистого развития многолетнемерзлых пород (ММП), занимающих 80–90 % его площади. Талики размещаются под руслами и долинами рек Ургал, Чегдомын, Чемчуко, некоторых наиболее крупных ручьев и ключей. Мощность толщи ММП достигает 70 м при средних значениях 35 м, минимальная температура их составляет –2,5 °С.

В гидрогеологическом отношении Ургальское месторождение представляет собой центральную часть гидрогеологического массива, приуроченного к Верхне буреинскому краевому прогибу.

Подземные воды развиты в современных аллювиальных отложениях в долине р. Ургал и ее притоков и в зоне выветривания скальных меловых и юрских отложений. Водопроницаемость пород зависит в основном от интенсивности трещиноватости и уменьшается с глубиной. Тип вод — трещинный, напорно-безнапорный.

Трещинный водоносный комплекс мезозойских отложений вскрыт на месторождении повсеместно и распространен в пределах всей Буреинской впадины. Кровлей водоносного комплекса служит толща ММП. Водовмещающие породы представлены трещиноватыми песчаниками, конгломератами, углями, аргиллитами и алевролитами.

Региональная область питания подмерзлотных вод охватывает отроги Буреинского хребта; источник питания — инфильтрация атмосферных осадков через сквозные талики. Поток подземных вод на шахтных полях формируется за счет инфильтрации атмосферных осадков по площади развития меловых отложений. Интенсивность инфильтрации, согласно исследованиям ВНИМИ, выполненным в 1991 г., в ненарушенных условиях в среднем за год составляет 4•10–4 м/сут. В паводковый период она увеличивается.

В условиях естественного режима реки Ургал и Чегдомын являются основными дренами подземных вод (наряду с долинами ручьев). В условиях техногенного режима на отдельных участках этих рек происходит поступление поверхностных вод в подземные водоносные горизонты за счет понижения уровней при шахтном водоотливе. По химическому составу подземные воды мезозойского водоносного комплекса в основном гидрокарбонатно-натриевые и кальциевые с минерализацией до 1 г/дм3. Температура подземных вод от 0,2 до 4,5 °С.

Фильтрационные и емкостные свойства водовмещающих пород характеризуются как закономерно-неоднородные. Эффективная средняя величина водопроводимости пород в междуречьях оценена в 50 м2/сут. На локальных участках развития тектонических нарушений отмечается аномально высокая проницаемость угленосных отложений в верхней части угленосной толщи и повышенная проницаемость пород на глубинах, превышающих 100–200 м. Водопроводимость угленосной толщи на таких участках, приуроченных, главным образом, к долинам рек и ручьев, составляет в среднем 130 м2/сут и достигает 200–300 м2/сут.

В междуречье Чегдомын — Ургал режим подземных вод нарушен водоотливом ш. Ургальская и строящейся ш. Северная. Здесь сформировалась мощная депрессионная воронка, в центре которой понижение уже превысило 60 м. Режимные наблюдения свидетельствуют о том, что вблизи контура очистных работ понижения уровней подземных вод достигают 60 м при сохранении общего направления подземного потока в сторону долин рек Ургал и Чегдомын (рис. 1).

Месторождение характеризуется очень сложными гидрогеологическими условиями, соответствующими третьей группе по классификации запасов и прогнозных ресурсов питьевых, минеральных и технических вод. Сложность гидрогеологических условий определяется фильтрационной изменчивостью в плане и разрезе, наличием ММП и зоны их дезинтеграции, сквозных таликов и разрывных нарушений, достаточно мощной (до 150–200 м) и водопроницаемой зоны трещиноватости.

В настоящее время шахта Ургальская является самой обводненной на Дальнем Востоке. Разработка угля производится по технологии обрушения отработанных выработок. Высокие водопритоки определяются ведением горных работ на небольших глубинах (до горизонта +200 м), при которых происходила подработка приповерхностного водоносного горизонта, а также близостью шахтного поля к долинам рек Чегдомын и Ургал. Уже в первые годы эксплуатации был организован водоотлив. Водопритоки имели сезонный характер, основным источником обводнения служили атмосферные осадки, поступающие в горные выработки через сквозные талики и трещины в мульдах оседания. До 1962 г. общий среднегодовой водоприток составлял 200–260 м3/ч.

В 1988 г. общий шахтный водоприток достиг уже 2000 м3/ч, т.е. за 25-летний период эксплуатации шахты он увеличился на порядок. Статистический анализ, выполненный в конце 1980-х годов специалистами треста «Дальвостуглеразведка», дал основание для вывода о прямой связи увеличения притока с расширением отработанных площадей как в связи с увеличением площади дренирования, так и вследствие обрушения и проседания кровли отработанных выработок. Водоотлив из ш. Ургальская привел к частичному дренированию Северного шахтного поля, уровни подземных вод на его территории снизились на 10–30 м, что свидетельствует о принципиальной эффективности общешахтного водоотлива.

statia-4-ris-3

С 1990 г. водопритоки в горные выработки установились в пределах 2000–2300 м3/ч. В 2003–2005 гг. началась отработка Северного шахтного поля и водоотлив из ш. Северная; водоотлив на ш. Ургальская к 2011 г. сократился до 1400 м3/ч. Отметим, что основные водопритоки в ш. Северную фиксируются на горизонте В-26 (рис. 2), притоки в нижележащий отрабатываемый горизонт B-12 в 6–8 раз меньше. Из данных режимных наблюдений (рис. 3) можно сделать следующие основные выводы о балансе формирования водопритоков:

  1. Годовые притоки существенным образом зависят от величины атмосферных осадков и суммарной отработанной площади месторождения. Предполагается, что инфильтрация атмосферных осадков существенно повышается на отработанной площади по сравнению с естественной за счет обрушения и проседания пород.
  2. Отмечается также некоторая корреляция интенсивности водопритоков с величиной годовой отработки площади месторождения, видимо, отражающая сработку емкости водовмещающих пород над отработанной площадью и увеличение проницаемости пород на площади обрушения.
  3. Начиная с 1980-х годов происходит постепенное привлечение притока подземных вод со стороны р. Чегдомын и других поверхностных водотоков, величина которого стабилизируется в 1990-х годах. В 1997–1999 гг. водоотлив из ш. Ургальская достигает максимальной величины — 2300–2400 м3/ч, из которых (по данным выполненного численного моделирования) до 25–30 % и более может составлять привлечение поверхностных вод из долин рек.
  4. В настоящее время поток подземных вод от р. Ургал к ш. Северная практически отсутствует, разгрузка подземных вод на северно-западной границе территории происходит пока преимущественно в пойму этой реки. В то же время дренирование территории месторождения за счет водоотлива из ш. Северная позволило сократить водоотлив из ш. Ургальская за счет того, что часть разгрузки из поверхностных вод руч. Б. Сатанки была направлена в сторону ш. Северная. Сокращение водоотлива на ш. Ургальская составило около 14 000 м3/сут (600 м3/ч), до 30–40 % его может составлять перехваченный водоотливом ш. Северная приток из руч. Б. Сатанки, ранее поступавший в ш. Ургальская.
  5. Исходя из сделанных выводов, можно представить балансовую модель формирования водопритоков в следующем виде:

statia-4-form-1

где Qi — среднегодовой водоотлив для года i, м3/сут; Qw — приток за счет увеличения инфильтрации, связанный с увеличением площади отработки: Qw = a (Wi Si), где a — доля инфильтрации в сумме годовых осадков Wi, м/сут; Si — суммарная отработанная площадь месторождения за год, м2; Qемк — составляющая притока за счет сработки емкости непосредственно на отработанной территории (примем, что она пропорциональна площади годовой отработки Dг, м2; Qемк = bDг, в этом случае b — коэффициент притока за счет сработки емкости; фактически эта емкость срабатывается неравномерно в течение года и формирует экстремальные водопритоки при пересечении рабочими штреками тектонически ослабленных зон, связывающих новые горные выработки с уже отработанными); Qri — привлечение за счет поверхностных вод рек Чегдомын, Б. Сатанки, Чаганы, Ургал и др., м3/сут; Qг — боковой приток с севера, юга и востока к отработанной площади месторождения Si (за исключением привлечения речных вод Qri), Qг = с√Si (c — коэффициент пропорциональности). Принимается, что боковой приток пропорционален периметру отработанной площади, который линейно зависит от корня квадратного из величины отработанной площади месторождения. Отметим, что в этом члене балансового уравнения можно было бы принципиально выделить две составляющие — возрастающий приток за счет дренирования водоносного горизонта при расширении шахтного поля и приток за счет сработки емкости пород за пределами площади отработки, который уменьшается со временем. Однако для приблизительных оценок примем, что приток за счет сработки емкости за пределами шахтного поля мал по сравнению с первым и учитывается в величине Qг.

Балансовое уравнение (1) содержит целый ряд составляющих, требующих определения — a, b, c и Qri, при этом составляющая Qri изменяется во времени.

В то же время при длительном ряде годовых наблюдений за водопритоками мы имеем систему линейных уравнений с известными переменными Wi, Si и Dг, при которых параметры a, b и c можно принять постоянными, а составляющая Qri близка к нулю в начальные периоды разработки и примерно постоянна начиная с середины 1990-х годов. При определении величин a, b и c величина Qri может быть примерно установлена по разнице расчетных и фактических величин водоотлива.

Известно, что до середины 1970-х годов привлечения стока со стороны рек не происходило. При этом величина отработанных за год площадей Di в этот период сохранялась примерно постоянной и составляла около 360 тыс. м2. Это позволяет записать уравнение в виде разности за два соседних года в виде

statia-4-form-2

откуда величину а можно определить как

statia-4-form-3

В уравнении (3) остается одно неизвестное c, которое при наличии ряда фактических точек может быть определено путем решения системы линейных уравнений или подбором с получением минимального расчетного отклонения по ряду наблюдений за период отсутствия привлечения поверхностного стока. Таким способом по данным наблюдений за 1968–1970 гг. была получена первоначальная оценка параметров a — 0,68 и c — от 0,6 до 4 (по разным участкам кривой).

После этого исходные значения данных параметров были заданы в расчетную балансовую модель (1) и производился подбор параметра b методом минимизации среднего квадратичного отклонения (Гаусса) между фактическими и расчетными значениями Qi. Как и следовало ожидать, наибольшие отклонения во всех вариантах между модельными и фактическими данными были получены в период между 1980 и 1995 г., когда происходило постепенное нарастание привлечения притока из рек Чегдомын и Ургал. Для учета этого фактора Qri была задана линейно нарастающей величиной от 0 до 833 м3/ч (36 % от среднего установившегося водопритока за 1990–2010 гг.) с 1980 по 1995 г. с последующей стабилизацией на достигнутом уровне.

После получения минимальных квадратичных отклонений точек расчетной кривой от фактической было еще раз произведено уточнение всех параметров балансовой модели путем их последовательного изменения до получения минимальной суммы отклонений расчетных и фактических водопритоков.

Результирующие значения параметров составили: a = 0,69, b = 0,007, c = 4.

Значение b = 0,007 при снижении на отработанной площади Dг уровня подземных вод на 50 м соответствует активной пористости пород около 5 %. Наибольшие отклонения расчетных и фактических водопритоков отмечаются в 2005–2011 гг., когда произошло перераспределение водоотлива между шахтами Ургальская и Северная (рис. 4). Для построения модели использованы значения суммарного водоотлива из обоих шахтных полей, без разделения по отдельным отрабатываемым горизонтам. Возможно, указанные отклонения связаны с тем, что в этот период приращение площади отработки происходило только за счет ш. Северная, причем значительная часть — за счет наиболее глубокого горизонта B-12 (рис. 2), водопритоки в который незначительны. Кроме того, притоки за счет инфильтрации атмосферных осадков в ш. Северная могут быть в целом меньше, чем на ш. Ургальская, так как непосредственно сам вертикальный шахтный ствол ш. Ургальская дренирует значительную территорию аллювиальных отложений в долине р. Чегдомын, в то время как шахтные стволы Северного участка врезаны под углом 14о и непосредственный водоприток атмосферных осадков с приповерхностной дренируемой территории здесь значительно ниже. Отметим также, что наименьшие отклонения были получены при использовании значений площади годовой отработки Di, рассчитанной как среднее за 2 года, предшествующие расчетному. Видимо, процесс обрушения и роста трещиноватости перекрывающих осадочных пород после проходки и сработки емкости продолжается в течение 2–3 лет.

statia-4-ris-4

Используя разработанную балансовую модель, можно оценить вклад каждого выделенного фактора в формирование водопритоков. Выберем в качестве характерных значения за 2002 г. Фактический водоприток составил 2120 м3/ч, расчетный 2110 м3/ч.

Величина атмосферных осадков W за 2002 г. составляла 0,00144 м/сут, отработанная площадь месторождения — 14 034 тыс. м2. В суммарном водопритоке доля за счет инфильтрации атмосферных осадков на территории отработки составляет ~580 м3/ч или 31,5 %. Приток с границ отработанной площади (без привлечения речных вод) — 620 м3/ч или 29,6 %. Заданный методом подбора суммарный приток из рек Чегдомын, Ургал и руч. Б. Сатанки — 830 м3/ч, т.е. 39,5 %. Оставшиеся 70 м3/ч (3,3 %) приходятся на долю сработки емкости за счет осушения отработанных площадей. Еще раз отметим, что последняя балансовая составляющая водопритоков, несмотря на незначительную среднегодовую величину, может срабатываться наиболее неравномерно при обрушении пород в отработанных зонах и быть источником кратковременных экстремальных водопритоков.

Еще более достоверные оценки величины привлечения инфильтрации балансовая модель может дать при использовании данных внутригодового распределения водоотлива и осадков. Для Ургальского месторождения такие данные имеются за 2000–2012 гг., когда основной приток за счет привлечения поверхностных вод можно считать уже установившимся. Для расчетов водопритоков принималась величина осадков, осредненная за 3 мес., включая расчетный. Величина привлечения поверхностных вод принята по предыдущей оценке постоянной: Qр = 833 м3/ч. На рис. 5 представлен график фактических и расчетных величин суммарного водоотлива. Вместо площади годовой отработки Dг в формуле использована средняя площадь месячной отработки Dм, в связи с этим параметр b при ней имеет в 12 раз большую величину. При перенесении на эту модель параметра a (доли привлечения инфильтрации на отработанных площадях от величины осадков) в размере 0,69 амплитуда внутригодовых колебаний расчетных водопритоков оказалась больше, чем фактическая. Поэтому данный коэффициент был уменьшен до величины 0,55. Как видно из рис. 5, используемая модель достаточно хорошо описывает внутригодовое распределение суммарных водопритоков. Начиная с 2008 г., как и на предыдущей модели, отмечаются превышения максимальных расчетных водопритоков над фактическими. Это, очевидно, связано с тем, что в указанные годы начался заметный водоотлив из ш. Северная, для которого коэффициенты пропорциональности балансовой модели могут отличаться от таковых для ш. Ургальская.

statia-4-ris-5

Принято считать, что на отработанных площадях горных выработок, пройденных с обрушением кровли, инфильтрация атмосферных осадков существенно увеличивается по сравнению с естественной за счет просадки и растрескивания вышележащих пород и нарушения сплошности толщи ММП. По наблюдениям на поверхности уступы в рельефе за счет обрушения пород составляют до 3 м. По результатам оценок гидродинамических численных моделей, разработанных ОАО «Гипрошахт» и НПФ «Карбон» [2], откалиброванных по данным наблюдений за уровнями и водопритоками и учитывающих результаты ранее разработанных моделей месторождения, расчетная инфильтрация атмосферных осадков на основной площади модели составила (2–4)•10–4 м/сут, а на отработанной территории ш. Ургальская — 2,2•10–3 м/сут, что превышает среднюю величину атмосферных осадков 1,8•10–3 м/сут. Завышенная оценка величины инфильтрации, полученная при численном моделировании как следствие многовариантности результатов решения обратных задач, в данном случае может привести к искажению балансовых составляющих и прогнозируемого водопритока. Отметим также, что максимальные внутригодовые притоки в полноводные периоды при разработке проектных решений на базе данных моделирования учитывались увеличением расчетного притока на 20 %.

Выполненный при помощи балансовой модели анализ показывает, что за счет увеличения отработанных площадей в подземные выработки ш. Ургальская поступает только от 69 % (в период интенсивной отработки) до 55 % (в настоящее время) атмосферных осадков, выпадающих на ее площадь, за счет чего формируется около 30 % шахтного водоотлива. При этом около 400 м3/ч поступает непосредственно в шахтный ствол из аллювиальных отложений р. Чегдомын. Для поля ш. Северная расчетная доля инфильтрации за счет увеличения отработанной площади составила около 50 % суммы осадков. Исходя из балансовых оценок, сделанных с применением той же модели, за счет неравномерности осадков максимальные среднемесячные водопритоки могут увеличиваться до 36–38 % от их среднегодовой величины, минимальные — уменьшаются более чем на 20–25 %.

Важным вопросом при этом является возможность инфильтрации осадков на территории распространения толщи ММП. Наиболее вероятно, что после нарушения ее сплошности за счет обрушения кровли выработок через относительно небольшое время происходит перемерзание обводненных пород, и все осадки в дальнейшем поступают только через таликовые зоны, перераспределяясь по площади обрушенных выработок с повышенными фильтрационными свойствами уже под слоем ММП. В этом случае зависимость притоков от инфильтрации и отработанной площади также будет отмечаться, но будет определяется не прямым перетоком на нее с поверхности, а увеличением объемов и площади пород с повышенными фильтрационными и емкостными свойствами. Структура балансовой модели, использованной для анализа принятой гипотезы формирования водопритоков, может при этом претерпеть видоизменения, а темп возрастания водопритоков за счет этого фактора — уменьшиться, что и отмечается в последние годы.

Вместе с тем результаты выполненного анализа могут послужить важными предпосылками для уточнения ранее разработанных геофильтрационных моделей месторождения и повышения достоверности прогнозных расчетов водопритоков.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гороховский В.М. Эффективные параметры гидрогеологических моделей. — М.: ЗАО «ГИДЭК», 2013.
  2. Тарасенко И.А., Тарасова Т.В., Зиньков А.В. Моделирование техногенного гидродинамического режима Ургальского каменноугольного месторождения // Инженерные изыскания. — 2010. — № 11. — С. 64–71.