Изменение гидродинамических условий при освоении угольных месторождений на примере Никитинского месторождения (Кузбасс)

Актуальность работы. В связи с широким промышленным освоением территории Кузнецкого угольного бассейна остро встаёт проблема рационального использования подземных вод. На протяжении последнего столетия вопросы оценки и прогноза изменения гидрогеологических условий при отработке угольных месторождений не теряют своей актуальности. Последствия борьбы с подземными водами как источником обводнения горных выработок проявляются не только в нарушениях естественной гидродинамической обстановки, но и способны оказывать влияние на формирование эксплуатационных запасов подземных вод, используемых для целей организации водоснабжения.
Современные данные по изученности гидрогеологических условий свидетельствуют о том, что за всю историю освоения Кузнецкого угольного бассейна естественная гидродинамическая обстановка территории претерпела существенные изменения, а гидрогеологические условия, на сегодняшний день, несут, в той или иной степени, следы техногенного воздействия.
Как следствие длительного антропогенного воздействия, в Кузбассе сформировалось достаточно сложное сочетание естественных и искусственных факторов формирования гидродинамических условий, плохо поддающихся количественной оценке в рамках аналитических прогнозов при разработке угольных месторождений, что требует применения современных подходов и методов расчетов, основанных на компьютерных технологиях, для решения прогнозных задач в сложных гидрогеологических условиях.
Гидрогеологическая обстановка на угольном месторождении является одним из важнейших факторов, от которого зависят условия его освоения. Часто именно влияние подземных вод во многом определяет технико-экономическую целесообразность разработки месторождения. В Кузбассе отработка угольных месторождений ведется преимущественно подземным способом (65 % от суммарной добычи) с полным обрушением кровли (что может сопровождаться ощутимым увеличением водопритоков). Безопасность и эффективность освоения угольных месторождений напрямую зависит от надежности прогноза изменения гидрогеологических условий. Причиной возникновения значительных и внезапных осложнений при разработке угольных пластов может послужить затопление горных выработок подземными водами. Прогнозные аналитические расчеты не позволяют в полной мере учесть всё разнообразие граничных условий, что приводит к необходимости использования методов численного моделирования при оценке изменения гидрогеологических условий под влиянием горных работ.
5
Проблема исследования заключается в несовершенстве типовых расчетных схем,
описывающих сложные условия отработки угольных месторождений в рамках аналитических расчетов, которые предопределяют высокую степень упрощения гидродинамических условий для выполнения прогнозных аналитических расчетов.
Объект исследования – подземные воды верхнепермских отложений Кузнецкого адартезианского Бассейна в границах Никитинского угольного месторождения.
Изучение гидродинамических условий угольного месторождения осуществляется с целью повышения эффективности прогноза их изменения, при подземной отработке, включая оценку ее влияния на эксплуатацию подземных вод для целей водоснабжения.
Цель и практические проблемы освоения угольных месторождений в Кузбассе определили необходимость решения следующих основных задач:
1. Изучить и актуализировать материалы исследования гидрогеологических условий Никитинского угольного месторождения на основе анализа и обобщения литературных и фондовых материалов по гидрогеологии центральной части Кузбасского угольного бассейна.
2. Выявить гидрогеологические условия, определяющие формирование водопритоков в подземные горные выработки.
3. Выполнить схематизацию гидрогеологических условий и разработать многослойную гидродинамическую модель угольного месторождения.
4. Оценить изменение темпов водопритоков в подземные горные выработки во времени и характер перераспределения напорного поля под влиянием планируемого шахтного водоотлива.
5. Оценить влияние шахтного водоотлива на эксплуатацию соседнего месторождения подземных вод, включая возможные изменения пространственных границ зоны санитарной охраны действующего водозабора.
Исходный материал и методы исследования. В основу работы положены материалы геологоразведочных работ на участке «Никитинский – 2» Никитинского месторождения. Полевые работы проведены в 2006…2007 гг. при непосредственном участии автора в проведении опытно фильтрационных работ. Материалы включают данные геологоразведочных работ по 324-м скважинам, 32 из которых гидрогеологические. Гидрогеологические исследования охватывали 324 точки элементарных наблюдений, 4 кустовые и 28 одиночных опытных откачек. Гидрогеофизические исследования представлены опытами резистивиметрии и один опытом расходометрии. Использованны и другие производственные материалы, предоставленные ООО «Шахта им. С.Д. Тихова».
При решении поставленных задач применялись современные программные комплексы автоматизированной обработки, используемые для интерпретации данных первичных

6
наблюдений геологосъемочных и геологоразведочных работ. Для моделирования процессов, протекающих в геологической среде при подземной отработки углей, использовалось численное моделирование на основе решения базовых дифференциальных уравнений фильтрации по методу конечных разностей. Работа выполнена с использованием специализированных пакетов компьютерных программ: AutoCAd, Surfer, ArcGis, Processing
Modflow.
Научная новизна определяется следующими результатами
 для участка исследований установлены факторы, которые ранжированы по степени влияния, способствующие формированию водопритоков в подземные горные выработки.
 выявлены закономерности распределения полей фильтрационной неоднородности,
представляющие собой упорядоченную структуру как в плане (в зависимости от геоморфологических особенностей), так и в разрезе (изменяющиеся с глубиной), отраженную на погоризонтальных планах
 впервые разработана численная геофильтрационная модель для первоочередного участка отработки Никитинского угольного месторождения
 дан прогноз изменения гидрогеологических условий при поэтапном освоении угольного месторождения
 получена оценка влияния шахтного водоотлива на условия эксплуатации действующего водозабора
сформировано представление о трансформации поясов зоны санитарной охраны подземного водозабора в результате шахтного водоотлива
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Гидродинамические условия Никитинского угольного месторождения
определяют водопритоки в подземные горные выработки, которые формируются под влиянием латеральной и вертикальной фильтрационной неоднородности и с ростом площади отработки уменьшаются во времени неравномерно. Шахтный водоотлив на участке отработки угольного месторождения формирует нарушенный режим фильтрации подземных вод, который локализуется на площади 36,5 км2.
2. Разработанная шестислойная численная модель области фильтрации, включающая слой наведенной трещиноватости, позволяет прогнозировать изменение гидрогеологических условий под влиянием разнонаправленных техногенных факторов, связанных шахтным водоотливом и эксплуатацией водозабора подземных вод.
3. Изменение гидрогеологических условий под влиянием отработки угольного месторождения оказывает влияние на эксплуатацию месторождения подземных вод, которое проявляется в существенном изменении формы и границ зон санитарной охраны, что приводит

7
к необходимости пересмотра режима ограничений хозяйственной деятельности в новых
очертаниях зоны влияния водозабора.
Практическая и теоретическая значимость работы заключается в разработке
методического обеспечения для реализации прогнозирования изменения гидродинамических условий на угольных месторождениях на основе численных методов.
При исследовании гидродинамических условий автором разработана численная геофильтрационная модель, которая дает более полное представление о масштабах изменения уровней подземных вод под влиянием шахтного водоотлива на 15-ти летний срок отработки угольного месторождения. Ее использование в режиме постоянно действующей модели при сопровождении горнодобывающих работ позволят оперативно совершенствовать систему режимных наблюдений и корректировать прогнозные оценки с учетом вновь полученной информации геологического и гидрогеологического содержания.
Личный вклад. Автором изучены, обобщены и актуализированы фондовые материалы по геологическому строению и гидрогеологическим условиям территории исследования. При личном участии в полевых работах на стадии доразведки месторождения выполнен отбор проб на физико-механические свойства горных пород, проведены опытно-фильтрационные работы. Самостоятельно выполнен анализ данных, включая статистическую обработку, картографирование и визуализацию данных. Разработаны постояннодействующие численные гидродинамические модели, на основе которых получен прогноз изменения гидродинамических условий на участке отработок угольного месторождения.
Апробация работы и публикации
Отдельные разделы работы были доложены на Международных и всероссийских научных симпозиумах и конференциях: ежегодная Международная конференция имени А.Ф. Терпугова «Информационные технологии и математическое моделирование», (г. Анжеро- Судженск, 2015 г., п. Катунь, 2016 г); ежегодный Международный научный симпозиум студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2016, 2017, 2018 гг.); Всероссийская научная конференция с международным участием «Информационные технологии в горном деле» (г. Екатеринбург, 2015 г); Всероссийская конференция с международным участием «Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Евразии» с элементами научной школы (г. Томск, 2015 г); Всероссийская студенческая конференция «Современные исследования в геологии» (г. Санкт-Петербург 2016 г.); Российская учебно-практическая молодежная конференция по геотехнике, НИИОСП им. Герсеванова. (г.Москва, 2016 г.); Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (г. Москва, 2017 г.); Международная научно-практическая конференция студентов,

8
магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные вопросы наук о земле в концепции
устойчивого развития Беларуси и сопредельных государств» (Гомель, 2017 г).
Результаты работы представлены в 15-ти опубликованных работах, в том числе в трех статьях из перечня изданий, рекомендованных ВАК, двух статьи из перечня изданий,
рецензируемой реферативной базой Scopus.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждаются:
 архивными данными съемочных, разведочных, мониторинговых работ, а также данными по
подсчету запасов подземных вод, положенных в основу работы и полученных, в том числе
при непосредственном участии автора
 обоснованностью численного моделирования, верификацией фильтрационной
неоднородности, инфильтрационного питания, а также проницаемости подрусловых отложений выполненой на этапе эпигнозного численного моделирования по данным гидрогеологических работ более чем в 20ти скважинах
удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов и численных методов при количественной оценке прогнозных водопритоков и подсчета запасов подземных вод
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения, общим размером в 177 страниц машинописного текста 58 рисунков, 20 таблиц и списка литературных источников в количестве 169 наименований.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю кандидату геолого-минералогических наук Константину Ивановичу Кузеванову за внимание, поддержку и помощь, оказанную при проведении диссертационного исследования. Искреннюю признательность за постоянное внимание, отзывчивость и помощь в работе автор выражает доктору геолого-минералогических наук Строковой Людмиле Александровне, а также руководителю отделения геология Гусевой Н.В. за неиссякаемые мотивационные подходы к аспирантам, пишущим диссертации. В процессе работы неоценимую помощь оказали консультации и советы научного коллектива отделения геологии, занимающегося исследованиями в области гидрогеологии и инженерной геологии: Попову В.К., Шварцеву С.Л., Савичеву О.Г.