Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний гірничий університет

Концепція моделювання гідрогазодинамічних процесів у геотехнічній системі гірничопромислового району

Рудаков Д.В.

м.Дніпропетровськ

Викладені основи концепції моделювання техногенних гідрогазодинамічних процесів у гірничопромислових районах. Сформульовано принципи побудови і практичної реалізації прогнозних моделей стосовно представницьких об'єктів у вуглевидобувних районах України.

The concept bases to simulate man-caused hydrodynamic and gas-dynamic processes in mining areas are outlined. The principles to develop and apply the predictive models are formulated and demonstrated for representative sites in coal mining areas of Ukraine.

Вступ. Керування станом геотехнічних систем (ГТС) являє собою актуальну задачу в гірничопромислових районах з високим техногенним навантаженням на геологічне середовище. Обґрунтованість управлінських рішень визначається рівнем знань про властивості і поводження ГТС і характеризується показниками кількості і вірогідності інформації. Для збереження результатів моніторингу, їхнього графічного представлення і первинного аналізу характеристик ГТС використовуються геоінформаційні системи і бази даних. Однак вони не можуть бути інструментом прогнозу, особливо в умовах неповноти і неточності інформації, що міститься в них.

Найважливішим елементом ефективного керування ГТС у гірничопромислових районах є прогнозування фізико-хімічних і механічних процесів у гірському масиві в умовах розробки родовищ корисних копалин. У ході прогнозування необхідно, насамперед, визначити найбільш динамічні елементи геологічного середовища і ті процеси, від яких у першу чергу залежить якість життя населення. З цього погляду варто виділити процеси в підземних, поверхневих водах і атмосфері.

Аналіз останніх досліджень. У теперішній час основним інструментом прогнозування гідрогазодинамічних (ГГД) процесів у геологічному середовищі стало комп'ютерне моделювання. Швидкий розвиток обчислювальної техніки і поява великої кількості спеціальних програм надали можливість теоретичного аналізу просторово-тимчасових змін у ГТС. Однак це не зняло питання про адекватність застосовуваних моделей описуваним процесам. Причинами цього є, зокрема, невідповідні реальності уявлення про суцільність середовища, покладені в основу більшості моделей підземної гідро- і газодинаміки, а також їхній детермінований характер.

Розвиток методів прогнозування йшов за двома головними напрямками: 1) застосування більш потужних статистичних методів для аналізу неповних даних моніторингу (кореляційний, регресійний і дисперсійний аналіз) [1]; 2) моделювання більш складних фізико-хімічних процесів переважно чисельними методами скінчених різниць і скінчених елементів [2, 3]. Синтезом цих підходів стало спільне застосування теорії випадкових процесів і феноменологічних моделей, що передбачає багаторазову побудову випадкових полів як характеристик гірського масиву. Даний шлях найбільш перспективний, хоча вимагає теоретичної доробки і значних обчислювальних витрат.

Подібна методика використовувалася для оцінки інфільтрації в зону можливого поховання високоактивних ядерних відходів у штаті Невада (США) [4]. Модель ненасиченого потоку була протестована на реальному об'єкті шляхом багаторазової побудови структури неоднорідного масиву, представленого Гаусовим випадковим полем. Аналогічний підхід [5] використовувався для оцінки зон перехоплення забруднених підземних вод в умовах неповної інформації щодо проникності водоносних горизонтів.

Суто статистичні методи можуть іноді стати альтернативою для аналізу т. зв. «погано організованих систем» [6], якими, зокрема, є підроблені масиви в гірничопромислових районах [7]. Однак отримані при цьому закономірності мають виражену регіональну обмеженість, а прогноз на їхній основі не відбиває суть фізичних процесів.

Методика досліджень. Пропонований підхід базується на застосуванні аналітичних, чисельних і імітаційних моделей, що використовують феноменологічні закони і статистичні методи для опису багатофакторних процесів у геологічному середовищі (рисунок).

Задачею досліджень є розробка основ концепції моделювання взаємозалежних гідрогазодинамічних процесів техногенного походження, які визначають екологічний стан гірничопромислових районів України.

Результати досліджень. Створений комплекс моделей [8-14] призначений для складання прогнозів нестаціонарних процесів техногенного походження і їхніх довгострокових наслідків, що впливають на найбільш рухливі компоненти ГТС: гідросферу, атмосферу, агро-екосистеми.

Зв'язок між параметрами моделей виражається функціональними (як правило, нелінійними) або стохастичними співвідношеннями. Характеристики розподілених параметрів визначаються за результатами статистичної обробки вимірів, а вигляд розподілу обирається, виходячи з аналізу гірничо-геологічних умов на реальному об'єкті й оцінюваних параметрів.

Узагальнено зв'язки між вихідними параметрами і розрахунковими характеристиками можна представити в табличному вигляді (таблиця). Необхідність урахування різномасштабних процесів призводить до того, що ті ж параметри в різних моделях можуть розглядатися як детерміновані (або статистично усереднені) або як розподілені. Запропоновані залежності між параметрами відповідають сучасному стану моніторингу в гірничопромислових районах і ступеню підготовки вихідних даних.

Принципи класифікації моделей ГГД процесів у геотехнічних системах гірничопромислового району

За умов високого рівня комп'ютерних моделей можливість зіставлення результатів розрахунків з даними спостережень залежить головним чином від повноти і вірогідності експериментів. Серед зазначених у табл. 1 параметрів найбільш представницькими є виміри фільтраційних характеристик (напору, витрат), у меншому ступені - міграційних і газодинамічних процесів, що обумовлено пріоритетом і специфікою гірничих робіт.

Низка параметрів і розрахункових характеристик задаються у вигляді багатовимірних випадкових величин або випадкових полів. Для таких параметрів у будь-якій точці масиву P у момент часу t виділяються закономірна і випадкова складові

.

Нехай (t) - випадковий багатовимірний процес, що описує просторово-тимчасові зміни ГГД параметрів або розрахункових характеристик, i=(ti) - фактичні значення цих параметрів у моменти часу ti, i,m - виміри в системі опорних пунктів спостереження з деякою похибкою в ті ж моменти часу, i,c - значення, розраховані на підставі моделювання. Задача оптимального прогнозування на основі неповних вихідних даних полягає в мінімізації математичного очікування різниці між прогнозованими величинами та їхніми фактичними значеннями:

Як обмеження використовуються розподіли параметрів, області їхньої зміни і достовірного визначення, а також зовнішні, погано прогнозовані фактори. Вирішення задачі (2) передбачає оптимізацію моделі з погляду способу реалізації та адаптації (рис. 1), що не завжди може бути формалізовано.

Таблиця Взаємозв'язок основних параметрів ГГД процесів

«!» - вірогідно визначений параметр, «?» - розподілений параметр або випадкова величина (функція, процес), «+» - статистично оцінений параметр; «-» - визначення не обов'язкове; З - можливість зіставлення з вихідними даними: «н» - низька, «с» - середня, «у» - висока

У таблиці прийняті наступні позначення: H - напір (рівень) підземних вод; Hm - рівень шахтних вод; Q - водоприток у шахту; Qtr - витрата вод, що перекидаються з однієї шахти до іншої; Cgw, Cm і Cgr - концентрації речовин у підземних, шахтних водах і у поровому розчині верхніх шарів ґрунту; qgw і qsw - масопотоки в ґрунтові й поверхневі води; Pw - тиск рудничного газу у виробітках; Qg - його потік через масив і систему вентиляції; Catm - концентрація газоподібних домішок і пилу в атмосфері. Позначення для параметрів, що задаються для розрахунку: K - коефіцієнт фільтрації; - розкриття тріщин, і - азимут і кут їхнього падіння; n і Vf - пористість (тріщинуватість) і об'єм тріщин у частині масиву; m - потужність водоносних і водотривких шарів; Hb - напір на межі області фільтрації; - інфільтрація; Df і Dg - коефіцієнти дифузії водних розчинів і газів у гірських породах; ne і - параметри сорбції і розпаду речовин; g - щільність газу у виробітках; - насиченість порід водою, Vw - об'єм виробленого простору, dw - розмір виробіток; pg - газоносність порід; qex - темпи видобутку вуглевмісних порід; - концентрація метану в рудничному газі, Cs, qs - концентрація речовин у шахтних породах і швидкість їх вилуджування; u - швидкість вітру, g - параметр осадження і поглинання домішок з атмосфери на поверхні землі; dp - гранулометричний склад пилових викидів; V - швидкість фільтрації.

Практична реалізація методики. На етапі побудови ГГД моделей вирішуються наступні задачі: 1)розбивка масиву на структурні елементи (шари, блоки), 2)побудова полів проникності, пористості, 3)завдання параметрів просторово-часового розподілу порожнин, 4) завдання інфільтраційних водопритоків, 5)визначення граничних умов і контактів із сусідніми шахтними полями (у тому числі перетоків через збійки), 6)визначення методики розрахунку водопритоку, як на рівні шахтного поля, так і в масштабі окремих блоків, 7)врахування технологій відпрацьовування (особливості водовідливу і дренажу, консервації шахти), 8)врахування змінної газоносності порід, різних шляхів газовиділення і міграції газу, 9)стикування моделей різних масштабів, 10)стикування гідродинамічних, міграційних і газодинамічних моделей на межах твердого, рідкого і газового середовищ, 11)аналіз взаємного впливу процесів у різних фазах.

Моделювання ГГД процесів у підробленому масиві ускладнюється шаруватістю, наявністю зон водопровідних тріщин, зон зрушення, залежних від послідовності відпрацьовування. Адекватне врахування цих особливостей потребує просторової дискретизації масиву. Розмір блоку дискретизації повинен допускати усереднення параметрів і їхню оцінку або вимір у натурних умовах. З цього погляду блоки розміром менш 50 м по горизонталі і 15-20 м по вертикалі недоцільні: тоді розміри порожнин (виробіток) стають порівняними з розмірами блоку. Збільшення блоків в регіональних моделях у більшій мері відповідає гіпотезі суцільності середовища, на якій будується модель фільтрації. Але при цьому напір слід трактувати як середньо-ймовірний у межах блоку.

Для полів проникності закономірним фактором є зміна (як правило, зменшення) тріщинуватості з глибиною, зональність, обумовлена послідовністю й областю ведення гірсничих робіт, шаруватість, похил водопровідних шарів. Разом з тим, емпіричні формули зменшення проникності з глибиною часто неадекватні і не відображають специфіку і зміни підробленого масиву.

Аналіз результатів експериментальних досліджень вказує на значні коливання проникності порід (до двох порядків) навіть для одного шару, причому це спостерігається на всіх глибинах. Тому закономірна неоднорідність на рівні окремих блоків може розглядатися як стохастична в межах шару чи його підзон.

Закономірна неоднорідність у розроблених моделях враховується двома способами: 1) як фільтраційна анізотропія, пов'язана з похилим, часто крутоспадним заляганням шарів і орієнтацією тріщин, 2) як підвищена гідравлічна провідність у напрямку гірничих робіт, обумовлена стоком води до виробіток. Це виконано шляхом уведення шарів з різними параметрами проникності, причому шаруватий характер масиву відображається декількома підзонами на кожному шарі. Перевага такої схематизації полягає в тім, що вона відповідає методиці і результатам дослідно-фільтраційних робіт і випробувань. Крім того, задається просторово-тимчасова зміна параметрів, пов'язана з неодночасним проведенням гірничих робіт на різних горизонтах відпрацьовування, а також супутніх фільтрації процесів: осідання й ущільнення порід, суфозії, витиснення рудничного газу [11].

Для розрахунку інфільтраційних припливів масив представляється як тверда фаза, пронизана тріщинами, статистичні характеристики яких вважаються заданими. Приплив визначається за методикою [8] з урахуванням орієнтації, розкриття і густоти тріщин. Передбачається, що він орієнтований до тих блоків, де знаходиться рівень підземних вод, при цьому частина його залишається на шляху міграції. Втрати інфільтраційного припливу можна оцінити за даними про порожнини і тріщинуватість у проміжних блоках. вуглевидобувний шахта перетік затоплення

Водоприток у межах окремих блоків визначається за балансовими співвідношеннями, параметри яких оцінюються статистично за допомогою імовірнісних виразів, отриманих на основі геометрії виробіток. Розрахункові формули включають розміри блоку, положення і розмір виробіток, локальні значення коефіцієнта фільтрації. Для визначення динаміки затоплення вводиться параметр площі горизонтального перетину виробіток на певній глибині. Ця величина з припустимою похибкою оцінюється за розподілом виробіток на шарах - горизонтах відпрацьовування. Таким чином, розподіл порожнин враховується як локально, так і в масштабі шахтного поля.

Особливістю розробленого комплексу моделей є детальне врахування перетоків між сусідніми шахтами, що необхідне для вірогідної оцінки динаміки затоплення. Розрахунок перетоків ґрунтується на статистичному аналізі гранулометричного складу завалів у суміжних збійках з урахуванням суфозії. Такий підхід дозволяє відтворити стохастичну природу коефіцієнта фільтрації і його змін в умовах інтенсивного гідромеханічного впливу. Крім того, можна дати імовірнісну оцінку витрати перетоку як функції, що залежить від положення і розміру перешкод, заданих як випадкові величини. Вода, що перекидається, збільшує водоприток у сусіднім шахтнім полі; при цьому враховуються невеликі втрати на фільтрацію в оточуючі збійку породи.

Газоносність вуглевмісних порід, інтенсивність газовиділення і склад рудничного газу задаються відповідно до експериментальних даних, отриманими для вугільних басейнів України. Відповідно до запропонованого підходу враховуються наступні шляхи виділення CH4 у рудничну атмосферу в результаті хіміко-механічних реакцій: а) при видобутку і переміщенні вуглевмісних порід, б) унаслідок дифузії з поверхні виробіток і залишків вугілля. Додатково за допомогою відомих методів можна врахувати газовиділення при раптових викидах як окрему складову. Повна емісія метану розраховується як сума його витрат через вентиляційну систему, просочування по тріщинах на поверхню землі і фільтрацію через перемички, що ізолюють погашені виробітки.

Моделі емісії метану і витиснення рудничного газу зчленовуються з моделями фільтрації води за допомогою такого параметра, як рівень підземних вод, що розглядається як гранична умова. Вважається, що переважає вплив рідкої фази на газоподібну: стиснене повітря в ізольованих виробітках і тріщинах помітно не впливає на затоплення шахтного поля в цілому. Вплив газоподібної фази на рідку кількісно оцінюється у випадку підйому ґрунтових вод і появи грифонів у результаті витиснення газу з затоплюваних виробіток.

Адекватність відтворення ГГД процесів при затопленні ґрунтується на спільному застосуванні моделей різного масштабу. Локальна модель на рівні окремої виробітки [10] детально відображає наступний ланцюжок процесів: підйом шахтних вод, стискування і витиснення газу з виробітки, його міграція по тріщинах у підробленому масиві, рух газу через водонасичені шари, підйом рівня ґрунтових вод, вихід водогазової суміші на поверхню.

Модель у масштабі шахтного поля [12] включає як складові елементи розрахунок міграції газу й інфільтраційного припливу по випадкових тріщинах. Розрахункова схема емісії і міграції метану побудована як логічне продовження скінчено-різницевого алгоритму розрахунку двовимірної планової фільтрації [11]. Рівняння для підземних вод доповнені газодинамічними співвідношеннями, а фільтраційна двовимірна дискретизація узагальнюється введенням просторових блоків. Це дозволяє застосовувати модель емісії метану на основі інших програмних засобів скінчено-різницевого моделювання планової фільтрації у випадку, якщо вони адекватно відображають структуру підробленого масиву.

Стикування моделей міграції в ґрунтах і підземних водах здійснюються через параметри масопотоку на межах «підземні - поверхневі води» і на межі зони аерації. Моделі міграції в ґрунтах [13] і повітряному середовищу [14] зчленовуються за допомогою параметра осадження і поглинання домішок на поверхні землі. Вилучення, переробка і складування шахтних порід супроводжується значним викидом пилу, інтенсивність якого є важливим параметром моделей переносу і розсіювання в атмосфері. Вірогідний прогноз довгострокових ефектів забезпечується використанням розподілених параметрів вітрового режиму (напрямок, частота повторюваності швидкостей вітру), усереднених за багаторічний період.

Висновки

Комплекс моделей і програмних засобів, який розроблено для прогнозу взаємозалежних процесів у техногенно порушеному геологічному середовищу, орієнтований на оцінку довгострокових ефектів і тенденцій. Використання моделей різного масштабу дозволяє обґрунтовувати регіональні моделі характеристиками локальних процесів і відтворити багаторівневий характер гідродинаміки, масообмену і міграції в гірничопромислових районах. Поєднання детермінованих і стохастичних моделей адекватно рівню розв'язуваних задач і вихідних даних щодо властивостей масиву і процесів, що протікають у ньому. Апробація моделей на представницьких об'єктах підтверджує можливість їхнього застосування як ефективного інструмента прогнозування екологічного стану в гірничопромислових районах.

Література

1. Дэвис Дж. Статистика и анализ геологических данных. М.: Мир, 1977. - 572 с.

2. Spizzichino K., Walton W.C. Numerical Groundwater Modeling. - CRC Press, 1989. - 272 p.

3. Flow and Transport in Fractured Porous Media / Ed. by Teutsch, G. Springer Verlag, 2005. - 465 p.

4. Thompson A.F.B., Falgout R.D., Smith S.G., Bosl W.J., Ashby S.F. Analysis of subsurface contaminant migration and remediation using high performance computing // Advances in Water Resources, Vol. 22, N. 3, 1998, P. 203-221.

5. Vassolo S., Kinzelbach W., Schдfer W. Determination of a well head protection zone by stochastic inverse modelling // J. of Hydrology, 206, 1998. - P. 268-280.

6. Гавич И.К. Теория и практика применения моделирования в гидрогеологии. - М.: Недра, 1980. - 358 с.

7. Черникова С.А. Разработка методики прогноза уровня подземных вод по данным маркшейдерского мониторинга затапливаемых шахт Алмазно-Марьевского региона Донбасса // Наукові праці ДНТУ, серія гірничо-геологічна. Донецьк: ДНТУ, 2002. - Вип. 42. С. 36-40.

8. Рудаков Д.В., Садовенко И.А. Обоснование модели инфильтрационных потоков в неоднородном подработанном массиве горных пород // Сб. науч. трудов ДНТУ, №13, 2005, С. 3 - 15.

9. Рудаков Д.В., Садовенко И.А. Расчет загрязнения шахтных вод на основе моделирования миграции в подработанном массиве // Сб. науч. тр. НГУ, № 23, 2005, С. 203 - 211.

10. Рудаков Д.В., Садовенко И.А. Моделирования миграции газа в подработанном массиве при затоплении шахт // Матеріали міжн. конф. “Форум гірників - 2005”. Т. 4, Д.: НГУ. С. 33 - 43.

11. Рудаков Д.В., Садовенко І.О. Прогнозування гідродинамічного режиму при відпрацьовуванні й затопленні шахтного поля // Вісник ЖДТУ. №1 (36), 2006. - С. 151 - 157.

12. Rudakov D., Sadovenko I. Modeling of methane emission during working out and flooding the mine field // Scientific Bulletin of the NMUU, Dnipropetrovsk, № 5, 2006. - P. 67 - 72.

13. Рудаков Д.В., Садовенко И.А., Петриченко П.Н.. Моделирование миграции фитотоксичных компонент в верхнем слое отвалов шахтных пород // Науковий вісник НГАУ. 2001. №5, - С. 134-135.

14. Рудаков Д.В. Моделювання переносу домішок в атмосфері над неоднорідною поверхнею // Вісник Київського ун-ту, серія фіз.-мат. науки, 2003. № 5. - С. 87-93.

Размещено на Allbest.ru