ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА В Н И М И

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МЕТОДИКЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПРОГНОЗА УСЛОВИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Ленинград 19 8 6

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕДА ВНИМИ

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МЕТОДИКЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПРОГНОЗА УСЛОВИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Ленинград

1986

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИНТЕРПРЕТАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ КУСТОВЫХ ОТКАЧЕК

2.1. Постановка задачи

При опробовании водоносных толщ кустовыми откачками достоверно решают некоторый ограниченный круг вопросов идентификации гидрогеологического строения исследуемой области фильтрации, что обусловлено техническими возможностями и сроками изысканий, с одной стороны, требуемой точностью и направленностью гидрогеологических прогнозов, с другой. Результаты, полученные на отдельных наиболее типичных («ключевых») для данной гидродинамической схемы участках, экстраполируются затем с учетом данных о закономерностях геологического строения, режимных наблюдений, опытно-эксплуатационного во-допонижения на остальную область фильтрации. При планировании гидрогеологических исследований области фильтрации сложного строения подразделяют на подобласти, характеризующиеся локально однородными параметрами, достаточно надежно определяемыми по данным опытных работ. Конечной задачей интерпретации данных кустовой откачки является идентификация схемы фильтрации в пределах опытного участка, расчет фильтрационных параметров, а также определение граничных условий и условий питания опробуемого водоносного горизонта.

Метод интерпретации данных кустовых откачек, основанный на использовании специального графического представления информации о реакции области фильтрации на возмущение, позволяет оперативно оценить соответствие этой информации возможным расчетным схемам, выбрать наиболее подходящую схему расчета и вычислить фильтрационные параметры.

Основное дифференциальное_уравнение материального баланса, используемое при анализе данных опытных фильтрационных работ, имеет вид:

dQ(r_tt)/dr = 2niirdS/dt + /(r,/),    (1)

где Q — расход потока подземных вод к опытной скважине; г — расстояние от опытной скважины; /—время; ц — водоотдача; S —понижение уровня подземных вод; f(r_% /) — функция, учитывающая питание водоносного горизонта за счет взаимодействия с другими водоносными горизонтами, инфильтрации (перетекания) по площади и на линейных границах области.

Расход потока подземных вод определяют из выражения:

Q= — 2nrTdS/dr_%    (2)

где Т—проводимость водоносного горизонта.

Подставив выражение (2) в формулу (1), получим

где a — коэффициент пьезопроводности водоносного горизонта.

Типичными для условий угольных месторождений являются следующие схемы:

—    бесконечный изолированный пласт (горизонтальное залегание, выдержанные водоупоры): /(г, /) =0;

—    бесконечный открытый пласт с инфильтрацией (горизонтальное залегание, водоносный горизонт перекрыт рыхлыми отложениями): /(г, /) =2дго)(/), где а>(/) — интенсивность инфильтрации;

—    бесконечный открытый пласт, перекрытый слабопроницаемым мощным слоем с водоотдачей: f(r, /) = — 2лг/г₀ dS(r, /, z₀)/дг, где k₀ — коэффициент фильтрации слабопроницаемого слоя; S(r, t_y z₀) — понижение уровня на границе водоносного горизонта со слабопроницаемым слоем; вектор z направлен по нормали к кровле (почве) водоносного горизонта (двухслойная схема);

—    бесконечный пласт, перекрытый олабопроницаемым (разделяющим) слоем относительно небольшой мощности, на котором залегает взаимодействующий водоносный горизонт: f(r, /) = = f{r, t,S_tm₀,k₀, ро, S^a,), где m₀, /г₀, р₀ — мощность, коэффициент фильтрации и водоотдача разделяющего слоя; 5,, Г,, а, — понижение уровня, проводимость и пьезопроводность взаимодействующего водоносного горизонта. Вид функции /(г, /) определяется решением системы уравнений:

если величиной р₀.т₀ можно пренебречь (жесткая фильтрация в разделяющем слое); при условии S, <С5 функция питания имеет вид: /(г, /) =2nr(k₀/m₀)S(r_t /);

—    безнапорный водоносный горизонт, характеризующийся переменной в процессе дренирования водоотдачей;

-г-ограниченные в плане водоносные горизонты с различными условиями на границах;

—    неоднородные в плане водоносные горизонты.

Наряду с основным уравнением (I), используют уравнение материального баланса одномерной фильтрации:

dq/dx = \idS/dt -f f(x, /),

где q — погонный расход; х— расстояние от линейного источника возмущения; /(*, /)— функция питания.

Применение уравнения (5) реализуется в следующих схемах: — при откачках из линейных рядов скважин, вытянутых котлованов— в зоне, в которой течение близко к одномерному;

—    для описания фильтрации в разделяющем слабопроницае мом слое;

—    при описании течения к скважине по пласту-полосе.

Для идентификации перечисленных схем и определения фильтрационных параметров водоносных горизонтов по данным кустовых откачек разработаны методические приемы по технической реализации универсального метода интерпретации откачек—метода типовых кривых.

2.2. Принципы интерпретации откачек методом типовых кривых

Результаты кустовых откачек представляют в виде таблиц данных понижений уровней и расхода откачки: S = /(г\ /)*, S(r, /'), Q — /(/), где S(r', /) — функция понижения при временном прослеживании уровня в заданной наблюдательной скважине, удаленной от центральной скважины на расстояние г'; S(r, функция понижения при площадном прослеживании уровня для заданного фиксированного момента /' от начала откачки.

Эти таблицы служат исходным материалом для расчета фильтрационных параметров водоносного горизонта, параметров перетекания и граничных условий. Наибольший объем информации может быть получен при анализе таблиц временного прослеживания S = f(r/), поэтому основное внимание при рассмотрении способов обработки результатов кустовых откачек уделено методу типовых кривых временного прослеживания F(X, /). Этот метод позволяет сравнивать графики S(t), полученные при откачке, с графиками функций F(X, /), описывающих понижения уровней для условий, соответствующих одной из схем фильтрации. Функцию ^(Я, /), описывающую решение для данной схемы фильтрации, называют типовой, а ее график, построенный в координатах, выбранных таким образом, чтобы обеспечить совпадение этого графика с графиком понижения уровня в наблюдательных скважинах, построенного в соответствующей координатной системе, называют типовым. Для построения типового графика функций, зависящих от переменной (времени /, либо пространственной координаты х или г) и от других параметров схемы фильтрации, не зависящих от этой переменной, необходимо выбрать систему координат, облегчающую совмещение графика фактических данных S(r, /) с типовым графиком. Для анализа функций понижения вида S = cF(at), описываемых типовой функцией, зависящей от линейной комбинации переменных, используется построение графиков типовой функции у = F(x) и графика понижения уровней 5 = = cF(at),_шгде с, a — некоторые константы, в билогарифмическом

Здесь и далее переменная со знаком «штрих» — фиксированная.

масштабе. При этом используется свойство логарифмов переводить произведение объектов в их сумму. Перевод функций в билогарифмический масштаб показан в табл. 1.

Таблица 1

Операция Функция понижения Типовая функция Исходная запись S = cF(at) y=F(x) Логарифмирование функций и аргументов (билогарифмирование) In S = Inc -f lnf(lna + + In0 1пу=1п/г(1пдг) Перенанменованне функций и аргументов lnS=S,; Inc—So*. lna = a*, ln/ = /,, ln7-(a,+ /,)=fi(a/-M/) \l\X=Xi, \nF(x,)=F<(xl), 1 ny=y, Запись в билогарифмическом масштабе Si=Sot+Ft (a* -f- /f) yi=F,(x,)

После билогарифмирования преобразованные функция понижения и типовая функция в координатах соответственно Xi ~ а/ + //, у ~ Si — S₀i тождественны (см. табл. 1). Это значит, что график функции понижения, построенный в билогарифми-ческом масштабе, должен совместиться всеми точками с графиком типовой функции, построенным также в билогарифмическом масштабе, если при совмещении графиков соответствующие координатные оси параллельны (/|| х, S || у). При этом во всех точках совмещенных графиков выполнены соотношения

у,⁼⁼ Si ■— S₀r_t Xi = О/ -}-/,    (6)

на основании которых могут быть вычислены значения параметров с и а по формулам

5(0) = cF(0); с = S(0)/F(0); а/(0) = лг(0); а = *(0)//(0),. (7)

где индексом (0) отмечены значения функций и аргументов обоих графиков в любой произвольной точке их совмещения.

Аналогичным образом может быть обработана выборка данных вида S(r, /'), если известно решение, описывающее зависимость понижения уровней по площади депрессионной воронки для данной схемы фильтрации. Принцип построения графика типовой кривой в билогарифмическом масштабе для функции у = F(ar) аналогичен изложенному выше.

2.3. Основные гидродинамические схемы, используемые при интерпретации откачек

2.3.1. Схема изолированного пласта

Обработка результатов откачки проводится расчетом по формуле Тейса [2]:

S = [Q/4nT] Ei(—r²/4at).    (8)

Значения функции £/(—х), необходимые для построения типовой кривой, приведены в табл. 2. Кривую строят на кальке, наложенной на формат билогарифмической бумаги (рис. 1)¹, в диапазоне значений 10~⁵<дс<3 и 0,01    10.

Построенную кривую и сетку координат затем обводят с обратной стороны чертежа, чем достигается трансформация функции у{х) в функцию у{ 1/х), более удобную для использования (рис. 2), поскольку графики S(t) технически проще строить в координатах S—/.

Таблица 2

X 1 (-5) 3 (—5) 5 (-5) 1 (-4) 3 (—4) 5 (-4) 1 (-3) 3(-3) 5(-3) ЕЦ-х) 10.7 9,7 9.2 8,6 7.5 7,0 6.3 5.2 4,8

Окончание табл. 2

* 0,01 0,03 0,05 0.1 0,3 0.5 1.0 2.0 3,0 Ei(—x) 4.0 3,0 2,47 1,82 0,91 0,56 0,22 0,049 0,013

Графики S(r\ t) замеров уровней в наблюдательных скважинах наносят также на кальку в билогарифмическом масштабе. Желательно каждый график наносить отдельно, чтобы была возможность совмещать его не только с типовой кривой, но и с другими графиками. График S(/) совмещается с типовым при соблюдении условия параллельности координатных осей. Точка совмещения может быть любой, однако для удобства предпочтительнее снимать с совмещенного графика S(t) значения S₀ и /₀, соответствующие значениям х — \ и у = 1 типового графика. Это упрощает вычисление параметров, которое проводится по формулам

Т = Q/4nS₀;    а = г¹²/М_й.    (9)

Графики S(t) строят с использованием произвольной системы размерностей [S] и [/], обусловленной точностью замеров уровней, продолжительностью откачки и т. д. При вычислении параметров должен быть выполнен перевод размерности, использованной при

построении графиков, в стандартную: \Т\ = [м²/сут|, [а] = [м7сут}. При расчете параметра проводимости допустимо использовать следующие соотношения:

T**2Q/S_0t    [Q]=    |м³/ч],    [S]    =    [м];

T~7,2Q/S₀,    [Q] = [Ji/cJ.    ^(|0)

Поскольку функция ЕЦ—\/х) при малых значениях х приближается к функции In 1,78 х, то при условии х<0,1 параметры можно рассчитать по «стандартной» методике [3, 4, 18J, используя зависимость

S = [<?/4лГ] In (2,25a//r²).    (11)

График S(t) для этого случая строят на полулогарифмической бумаге. Тогда типовая кривая имеет вид прямой y = kx + b, параметры k и b соответственно, равны k = Q/4nT, b = [Q/4jiT] X X In (2,25а/г^/2). В точке графика с координатами (S = 0, /₀) выполнено соотношение

*о = г'²/2,25а,    (12)

позволяющее определить пьезопроводность а = г^,2/2,25/₀. Пусть ASi_io —разность понижений уровней в точках, отличающихся по времени на порядок, тогда

Д5,_,₀ = S_l0 — S, = 2,3<?/4л7\    (13)

откуда параметр 7'=2,3Q/4nASi_m; 7'=4,6Q/ASi_io, если [Т] = = [м²/сут], [<?]=[м³/ч]. Величина Т — 16,5Q/AS|_|₀, если m =[м²/сут], |Q]= [л/с].

При обработке данных площадного прослеживания, т. е. графиков 5(г, /), на фиксированный момент /' для нескольких наблюдательных скважин, можно либо использовать типовой график (рис. 3), построенный специально для этой цели в координатах у ~ /Г, либо выполнить построение графиков S(r,t') в'координа-тах 5 ~ г² и воспользоваться типовой кривой Ei(—х), применяемой для обработки д>афиков временного прослеживания. Значения функции £/(— /х) приведены в табл. 3.

При использовании типовой кривой Ei(—x) график S = /(г², /') совмещают с типовой кривой, построенной на обратной стороне чертежа (по отношению к графику типовой кривой, используемой при обработке графиков S(/, г'). В точке совмещения графиков с координатами (х =1, у = 1), (S₀, ^го) выполняются равенства:

5₀ = <?/4лГ;    г²/4а/'=1.    (14)

При использовании типовой кривой £/(—/*) график S(r, /'), построенный на билогарифмической бумаге, совмещают с этой типовой кривой точно так же, как и в предыдущем случае. В точке совмещения с координатами типового графика (1,1) выполняются соотношения:

Л 3,15 (-3) 5,5 (^3) 7.1 (-3) 1 (—2) 1.74 (—2) ЕН-Л) 10,7 9,7 9.2 8.6 7,5

Продол ж. табл. 3

я 2.25 (—2) 3,15 (—2) 5.5 (—2) 7,1-10“* 0.1 ЕЦ-Л) 7.0 6.3 5,2 4.8 4.1

Окончание табл. 3

&	0,174	0.225	0,315	0,55	0,71	1	14	1.7
Ei(— /х)	3.0	2,47	1,82	0,91	0,56	0,22	0,049	0,013

S₀ = <?/4 л Г;    r₀/2 /aF—l,    (15)

где (S₀, г₀) — координаты точки совмещения на графике S(r, t').

Если выполнено условие г²/4а/^0,1, то график S(r, /') трансформируется в прямую линию y = kx + b при построении его в полулогарифмическом масштабе. При этом в точке графика S₀ =0 величина г₀ = у^,25at', откуда значения ASi-ю =4,6Q/4ji7; Т «9,2/ASi_,₀, если (Г] = [м²/сут], [Q] = [м³/ч], AS,__I0 = ^e S(r,) S(^r ю ⁼ Юг,).

2.3.2. Схема пласта с перетеканием

Для расчета используют формулу Хантуша [5]:

S = [<3/4лГ]Щг²/4а/, г/В).    (16)

Функция Щи, Р) широко табулирована. Достаточное для построения типовой кривой количество значений функции приведено в табл. 4.

Для каждого значения параметра р = г/£ по правилам, изложенным в п. 2.3.1, следует построить свою типовую кривую Щи, Р') и свести процедуру обработки графиков S(/, г') к их совмещению с наиболее близко совпадающей с ним типовой кривой из набора кривых, соответствующих функции W(u, Р). В точках совмещения графиков S(r^/, /) и W(u, р'), построенных на билогарифмической бумаге (рис. 4), выполняются условия

r'/B = Pi; г^,2/4а/₀ = I; S₀ = Q/4n7\    (17)

если (S₀, t₀) — точка совмещения графика S(r'_t t) с точкой графика функции Щи, р') с координатами (I, 1).

Обработка графиков S = /(r, /') площадного прослеживания для фиксированного момента времени /' может быть проведена

	Р
	0.001	0.005	0.01	0.05	0.1	0.15	0.3	0.5	0.8	1.0	2.0	3.0
I0-*	13.0	10.8	9.44	6.2	4.8	3.5	2.7	I.8S	1.13	0.84	0.23	0.07
2-10'*	12.4	10.8	9.44	6.2	4.8	3.5	2.7	1.85	1.13	0.84	0.23	0.07
5I0-*	11.6	10.7	9.44	6.2	4.8	3.5	2.7	1.85	1.13	0.84	0.23	0.07
Ю-»	10.9	10.4	9.4	6.2	4.8	3.5	2.7	1.85	1.13	0.84	0.23	0.07
2(-5)	10.2	10.0	9.3	6.2	4.8	3.5	2.7	1.85	1.13	0.84	0.23	0.07
5(-5)	9.3	93	8.9	6.2	4.8	3.5	2.7	1.85	1.13	0.84	0.23	0.07
М-4»	8.6	8.6	8.4	6.2	4.8	3.5	2.7	1.85	1.13	0.84	0.23	0.07
2(-4)	7.9	7.9	7.8	6.2	4.8	3.5	2.7	1.85	1.13	0.84	0.23	0.07
5(-4>	7.0	7.0	7.0	6.1	4.8	3.5	2.7	1.85	из	0.84	0.23	0.07
М-3)	6.3	6.3	6.3	5.8	4.8	3.5	2.7	1.85	1.13	0.84	0.23	0.07
2(—3)	5.6	5.6	5.6	5.4	4.7	3.5	2.7	1.85	1,13	0.84	0.23	0,07
5(—3)	4.7	4.7	4.7	4.6	4.3	3.5	2.7	1.85	1.13	0.84	0.23	0.07
М-2)	4.0	4.0	4.0	4.0	3.8	3.3	2.7	1.85	1.13	0.84	0.23	0.07
21-2)	3.4	3.4	3.4	3.4	3.2	3.0	2.6	1.84	1.13	0.84	0.23	0.07
5(-2)	2.5	2.5	2.5	2.5	2.4	2.3	2.1	1.7	1.12	0.84	0.23	0.07
0.1	1.8	1.8	1.8	1.8	1.8	1.75	1.7	1.4	1.05	0.82	0.23	0.07
0.2	1.2	1.2	13	1.2	1.2	1.2	1.16	1.06	0.86	0.71	0.23	0.070
0.5	0.56	0.56	0.56	0.56	0.56	0.56	0.54	0.52	0.46	0.42	0.19	0.068
1.0	0.22	0.22	0.22	0.22	0.22	0.22	0.22	0.21	0.20	0.19	0.11	0.053
2.0	0.05	0.05	0.05	0.05	0.05	0.05	0.05	0.05	0.05	0.04	0.03	0.021
5.0	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.0008

a
	0.001	0.005	0.01	0.05	0.007
0.001	13.0	10.8	9.4	6.23	5.16
0.002	13.0	10.8	9.4	623	5.46
0.005	13.0	10.8	94	6.23	546
0.01	!3.0	10.8	9.4	623	6.46
0.02	13.0	10.8	94	6 23	5 46
0.05	13.0	10.8	9.4	623	542
0.1	13.0	10.8	9.42	6.20	541
0.2	13.0	10.7	930	6.08	5.41
0.5	13.0	10Л	888	5.70	499
1	13.0	9.96	8.40	5.19	4 47
2	12.4	9.20	7.82	4.61	392
5	11.6	8.39	6.98	3.82	3.11
10	10.9	7.31	6.31	3.14	2.44
20	10.2	7.01	5.63	2.46	1.81
50	9.32	6.16	4.72	1.77	1 06
100	8.63	5 44	404	1,06	056
200	7.94	4.72	335	0.56	0.22
500	7.02	3.87	2.47	0.18	0.031
1000	6.33	3.16	1.82	0.03	0.0011
2000	5.64	2.47	1.22	—	._
5000	4.73	1.67	0.56
10000	4.04	1.06	022
Ы0»	1.82	0.23	_
MO*	0.22	—	—	—	—

0.1

4.83 483 483 I \t

4.83 483 483 4.7» 4.30 3 82 3.24 2,43 I 80 1.22 0.56 0.22 0 049 0 0011

а Р 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 6 7 0.001 0.43 0.23 0.12 0.070 0.039 0.022 0.013 0.0074 0.0025 0.0008 0.002 0.43 0.23 0.12 0.07 0.039 0.022 0.013 0.0074 0.0025 0.0008 0.005 0.43 0.23 0.12 0.07 0.039 0.022 0,013 0.0074 0.0025 0.0008 0.01 0.43 0.23 0.12 0.07 0.039 0.022 0.013 0.0074 0.0025 0.0008 0.02 0.43 0.23 0.12 0.070 0.039 0.022 0.013 0.0074 0.0025 0.0008 0.05 0.43 0.23 0.12 0.068 0.038 0.0218 0.012 0.0068 0.002 0.0007 0.! 0.43 0.21 0.11 0.057 0.029 0.014 0.008 0.0039 0.0009 0,0001 0.2 0.32 0.14 0.06/ 0.028 0.011 0.004 0.0013 0.0004 О.л 0.14 0.034 0.0079 0.0020 _ _ _ - 1 0.013 0.0031 — — — _ 2 0.022 — — — — — — — _ 5 — — — — — — — — _ _ 10 — — — — — — — — — — 20 —* — — — — — — — — — 50 — — — — — — — _ _ 100 — — — — — — _ _ __ 200 — — — — _ _ 500 — — — — __ 1000 - — — — 2000 — — — _ _ _ .чюо — — — _ _ __ ___ 'СООО — — — — — — _ — МО* — — — — — — — _ _ МО* — — — — — — — — — —

И. Н. МгЛЬНИКЦ&ОЙ

Таблица расе

УДК 556.332

Рекомендации по методике определения гидрогеологических параметров для прогноза условий строительства и эксплуатации угледобывающих предприятий.

Л., 1986.— 116 с. (М-во угольной пром-сти СССР. Всесоюз. ордена Трудового Красного Знамени НИИ горн, геомех. и маркшейд. дела)

Изложены рекомендации по определению гидрогеологических параметров при опытно-фильтрационных работах и режимных наблюдениях на месторождениях полезных ископаемых. Систематизированы аналитические зависимости для оценки параметров, сформулированы рекомендации по применению электрических моделей и электронно-вычислительных машин для интерпретации исходной гидрогеологической информации. Изложены указания по оценке погрешностей при определении фильтрационных параметров по результатам наблюдений за режимом подземных вод. Рекомендации предназначены для проектных и разведочных организаций, а также для геологических служб шахт и карьеров.

Ил. 33, табл. 29. библиогр. 39.

© Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела ВНИМИ. 1986.

с помощью типовых кривых W(a\ р), т. е. при фиксированных значениях a = B²/Aat (рассматриваемых как параметр) и изменяющемся аргументе р = г/в (табл. 5 и рис. 5).

График S(r, /'), построенный на билогарифмической бумаге, совмещают с одной из типовых кривых Ща', Р). В точке совмещения с координатами типового графика (1, 1) выполняются соотношения:

r₀/B= I;    В²/Ш' = а'₀-    Q/4nT = S₀. (18)

где r₀, S₀ — координаты точки совмещения графика S(r, /') с точкой (1, I) типовой кривой W(a\ р).

При выполнении условия «<0,1р² или a<10“^J функция W(u, р) аппроксимируется с большой точностью выражением 2/С₀(Р), и понижения уровней в водоносном горизонте описываются зависимостью для стационарного потока с перетеканием:

S = [Q/2nT]K₀(r/B),    (19)

где К₀ (л^-) — функция Бесселя. Для построения типовой кривой (рис. 6) достаточно ее значения |6|, приведенных в табл. 6.

Таблица 6

X 10~5 2*10~* 5*10-5 Ю"4 2*10“4 5.-10”4 Ю"3 2*10“3 5*10“3 0,01 Ко(х) 11,6 11,0 10,0 9,3 8,7 7,7 7.0 6,4 5,4 4.7

Окончание табл. 6

X 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1.0 2,0 3.0 4,0 4.8 К*(х) 4,03 3,11 2,43 1,75 0,92 0,36 0,11 0,035 0,011 0,005

Таким образом, при выполнении условия квазистационарности потока, для t > 2,5В²/а графини S (г, /') могут быть обработаны с использованием типовой кривой /(<,(*). Координаты S₀, г₀ графика S(r, /'), соответствующие координатам точки (1,1) графика типовой кривой /С₀(аг), связаны соотношениями

^го — В\    S₀    =    Q/4jiT.    (20)

Для значения л: ^ 0,05 допустима аппроксимация К₀(х) = = In 1,12/*. Если одновременно выполняются условия г" ^ 0,05/3 и / > 2,5В²/а:

S(r")=[Q/2nT]\n 1,12В/г" ,    (21)

то график S(r, /') трансформируется в прямую при построении его в полулогарифмическом масштабе. Причем в точке графика S₀ = 0 величина г₀=1,12£, откуда значения AS|_,₀ = 2,3Q/2nT- Т = = 4,6Q/ASi_io . если [У] = [м²/сут|, [Q] == [м³/ч].

ВВПЛЕНИН

Проекты осушения карьерных и шахтных полей, а также мероприятия по охране подземных вод от вредного влияния горнодобывающих предприятий базируются на результатах гидрогеологических прогнозов, достоверность которых зависит прежде всего от обоснованности гидрогеологической схематизации реальных природных условий, в частности, от качества расчетных гидрогеологических параметров. Каждая сталия освоения месторождения характеризуется определенными возможностями изучения гидрогеологических условий. Эти возможности предопределяют детальность и надежность расчетных схем, на базе которых прогнозируют изменения режима подземных вод под влиянием горных и дренажных работ. Следует подчеркнуть, что прогноз наиболее достоверен в рамках гидродинамических схем, так как область применения методов гидрогеологической аналогии и балансовых ограничена. Эти методы не могут быть рекомендованы для проектирования дренажных, природоохранных и других инженерных мероприятий. С отмеченных позиций, на стадии разведки месторождений по результатам буровых, геофизических и опытнофильтрационных работ могут быть сформированы общие представления о гидрогеологической структуре изучаемого объекта и получены лишь основные расчетные характеристики выделенных водоносных горизонтов: параметры проводимости (коэффициенты фильтрации), коэффициенты пьезопроводности (уровнепроводнос-ти) и в некоторых случаях — параметры взаимосвязи горизонтов.

По результатам разведочных работ не удается, как правило, получить данные о параметрах питания водоносных горизонтов, об условиях на границах последних, а также о гравитационной водоотдаче напорных (в условиях проведения опытных откачек) водоносных горизонтов. Кроме того, на стадии разведки месторождений не может быть получена информация об изменении проницаемости массива горных пород вследствие проявления техногенных процессов, а также об изменении условий и параметров питания водоносных горизонтов при их дренировании. В связи с этим, при обосновании инженерных мероприятий указанные гидрогеологические характеристики приходится назначать, ориентируясь на методы гидрогеологической аналогии и экспертные оценки, что не может гарантировать достоверность последующего прогноза техногенного режима подземных вод.

В период строительства и на первых стадиях эксплуатации горно добывающих предприятий появляется реальная возможность уточнения принятых гидродинамических схем и расчетных гидрогеологических параметров при соответствующей организации режимных наблюдений. Г1о результатам этих наблюдений могут быть прежде всего определены параметры питания водоносных горизонтов, параметры их взаимосвязи на значительной площади, условия на границах водоносных горизонтов, уточнены

параметры проводимости и пьезопроводности последних с выявлением параметрической неоднородности в плане и в разрезе. Кроме того, результаты режимных наблюдений на этой стадии освоения месторождений позволяют непосредственно количественно оценить техногенные изменения таких гидрогеологических характеристик, как проницаемость горных пород в кровле подзе-мных горных выработок, интенсивность питания водоносных горизонтов по площади их развития и на границах. Таким образом, интерпретация результатов режимных наблюдений дает возможность существенно повысить достоверность прогнозных гидродинамических схем и обосновать целесообразность корректировки ранее принятых проектных решений. В частности, реализация этих возможностей позволяет вскрыть внутренние резервы запроектированных по результатам разведочных работ дренажных систем, обоснованно изменить направление и объемы дренажных мероприятий, обеспечить повышение эффективности горных работ, их безопасность, а также ограничить вредное влияние горно-технических мероприятий на окружающую среду.

Вопросы организации и методики режимных гидрогеологических наблюдений на угольных месторождениях отражены в соответствующих документах, в частности, в «Методических указаниях по гидрогеологическому обслуживанию угледобывающих предприятий» (ВНИМИ, 1975). Вместе с тем возрастающие требования к технико-экономической эффективности горных работ, увеличение объема дренажных мероприятий при разработке месторождений со сложными гидрогеологическими условиями диктуют необходимость систематической обработки результатов режимных наблюдений шахтными геологическими службами, а также целесообразность тщательной интерпретации этих результатов на стадии корректировки технических проектов.

Следует отметить, что расчетным гидродинамическим схемам, рассматриваемым при прогнозных оценках нарушенного режима подземных вод, присущи специфические особенности, которые обусловлены как геологическими характеристиками угольных месторождений, так и существенным влиянием горно-технических факторов на закономерности техногенного режима. Необходимость учета отмеченных особенностей гидродинамических схем предопределяет ряд специфических требований к определению фильтрационных параметров водоносных горизонтов и характеристик питания последних по результатам разведочных работ и режимных наблюдений.

В данных Рекомендациях рассмотрен порядок интерпретации результатов опытно-фильтрационных опробований слоистых и планово-неоднородных водоносных комплексов. Научно-методические основы интерпретации режимных наблюдений разработаны к настоящему времени менее детально в силу особой сложности так называемых обратных гидрогеологических задач по определению фильтрационных параметров и характеристик питания водо-

носных горизонтов. Обратные задачи лишь в простейших вариантах можно решать аналитически, а в общем случае эти задачи целесообразно анализировать с использованием математических моделей, реализуемых на аналоговых вычислительных машинах (АВМ) или электронных вычислительных машинах (ЭВМ). Необходимо отметить, что в настоящее время АВМ и ЭВМ все шире применяются в практике проектирования систем осушения для прогнозных оценок. В этих условиях эффективность математического моделирования может быть обеспечена лишь при предварительном использовании его для решения обратных гидрогеологических задач.

Особое внимание в Рекомендациях уделено определению параметров питания водоносных горизонтов и параметров связи взаимодействующих горизонтов. Рекомендации содержат также предложения по оценке возможных погрешностей определяемых параметров, что позволяет подойти к количественной характеристике качества прогноза.

Предлагаемые Рекомендации базируются на анализе специальной литературы по рассматриваемому вопросу, на обобщении опыта определения гидрогеологических параметров при разведке и эксплуатации угольных и сланцевых месторождений, а также на специальных теоретических и методических разработках, выполненных институтом ВНИМИ в связи с применением АВМ и ЭВМ для решения прогнозных и обратных гидрогеологических задач.

Первая редакция Рекомендаций рассмотрена «Гипрошахтом», ИГД им. А. А. Скочинского, ВИОГЕМ, «Гипрорудой», Ленинградским горным институтом, УкрНИИпроектом. Замечания и предложения этих организаций учтены при подготовке работы к изданию.

Работа рассмотрена и рекомендована к изданию секцией маркшейдерской службы и шахтной геологии Научно-технического совета Минуглепрома СССР (г. Новокузнецк, 19 сентября 1984 г.) и одобрена ВГО «Союзуглегеология».

Рекомендации предназначены прежде всего для проектных и разведочных организаций, могут быть использованы геологическими службами, проводящими гидрогеологические работы на месторождениях твердых полезных ископаемых, занимающимися вопросами дренирования карьерных и шахтных полей, а также обеспечивающими выполнение природоохранных мероприятий.

1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОГЕННОГО РЕЖИМА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УГОЛЬНЫХ (СЛАНЦЕВЫХ) МЕСТОРОЖДЕНИЙ И КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СХЕМ

1.1. Специфика техногенного режима подземных вод

Эксплуатация угледобывающих предприятий обычно сопровождается существенными изменениями естественного режима подземных вод. Проходка горных выработок и реализация дренажных мероприятий приводят прежде всего к изменению условий разгрузки подземных вод, к появлению техногенных контуров дренажа, к изменению направления, градиентов и фильтрационных расходов потоков подземных вод. Эти изменения зачастую происходят в течение длительного периода, продолжительность которого нередко оказывается соизмеримой со сроком эксплуатации горно-добывающего предприятия.

Нестационарность техногенного режима подземных вод, связанная со сработкой их статических запасов, является одной из главных особенностей гидродинамических схем, рассматриваемых при анализе изменений естественных гидрогеологических условий. Кроме того, заметное снижение напоров подземных вод в пределах карьерных и шахтных полей может приводить и зачастую приводит к существенному изменению условий питания водоносных горизонтов. В частности, поверхностные водоемы и водотоки, которые в условиях естественного режима водоносных горизонтов обычно являются границами их дренажа, становятся источниками их питания при нарушенном режиме. Нередко интенсифицируется питание дренируемых водоносных горизонтов по площади их развития за счет увеличения просачивания атмосферных вод. При наличии нескольких водоносных горизонтов зачастую развиваются процессы перетекания через слабопроницаемые слои в дренируемые водоносные пласты из смежных пластов и структур. Изменение условий и параметров питания водоносных горизонтов по площади их развития особенно ощутимо при ведении очистных горных работ с управлением кровлей полным обрушением. Общая интенсификация питания водоносных горизонтов нередко компенсирует сработку их статических запасов и способствует стабилизации нарушенного режима. С другой стороны, снижение напоров водоносных горизонтов на контурах горных выработок на десятки и нередко сотни метров приводит к «истощению» водоносных структур при ограниченном их питании. При этом развиваются сложные нелинейные процессы, характеризующиеся изменением расчетных фильтрационных параметров и граничных условий дренируемых горизонтов (в том числе условий их питания и разгрузки).

Режим водоносных горизонтов зависит от технологии горных работ, определяющей специфику условий разгрузки дренируемых горизонтов. В частности, при ведении открытых горных работ на режим вскрытых водоносных горизонтов существенно влияет скорость движения бортов разрезов, их ориентация по отношению к границам питания и т. д. При разработке месторождений подземным способом технологические факторы влияют на закономерности нарушенного режима при изменениях проницаемости массива горных пород по площади очистных работ. Характер этих изменений определяет в данном случае условия на границах дренажа водоносных горизонтов.

Широкие масштабы дренирования водоносных структур но площади и в разрезе стимулируют существенное проявление фильтрационной неоднородности, характерной для стратифицированных угленосных отложений. Эта неоднородность зачастую полностью определяет характер техногенного режима подземных вод и поэтому является предметом тщательного анализа.

1.2. Классификация расчетных гидродинамических схем

Гидродинамические схемы, отражающие различные формы техногенного режима водоносных горизонтов, можно сгруппировать, выделив следующие их основные классы:

—    I класс. Режим фильтрации стационарный, питание водоносных горизонтов по площади их развития отсутствует;

И класс. Режим водоносных горизонтов явно нестационарный, питание по площади отсутствует;

III    класс. Характер техногенного режима определяется наличием инфильтрационного питания по площади развития горизонтов (при стационарности или нестационарности режима);

IV    класс. Характер техногенного режима водоносных комплексов определяется проявлением взаимодействия смежных горизонтов (при стационарности или нестационарности этого режима);

-    V класс. Режим водоносных горизонтов характеризуется особой сложностью нелинейных фильтрационных процессов.

Таким образом, классы расчетных схем выделяют по главному призн-аку — характеру основных источников питания водоносных горизонтов и его проявлению в условиях техногенного режима. Выделение классов расчетных схем может быть проведено предварительно на основе анализа гидрогеологического строения месторождения и характера проектируемых горных работ с учетом метеорологических и гидрологических условий района, что позволяет провести подобную классификацию уже на стадии разведки. В дальнейшем классификация объекта может быть уточнена (или полностью пересмотрена) по данным разведочных работ и окончательно скорректирована по результатам режимных наблюдений на стадии эксплуатации угледобывающего предприятия.

Сложность анализа предлагаемых расчетных схем возрастает от первого класса к пятому. В соответствии с этим повышаются требования к составу и объему исходной гидрогеологической информации, необходимой для обоснования расчетной схемы, определения фильтрационных параметров и характеристик питания водоносных горизонтов.

Наиболее простые схемы I класса характеризуются следующими параметрами: проводимостью горизонта, напорами на границах питания и дренажа, дополнительными сопротивлениями, определяющими степень совершенства этих границ. Для схем II класса указанные характеристики дополняются емкостными параметрами горизонта, а для схем III класса — интенсивностью питания горизонта по площади. Схемы IV класса дополнительно характеризуются параметрами перетекания через относительные водо-упоры.напорами питающих водоносных горизонтов. Схемы V класса требуют детальных сведений о строении водоносного комплекса, проницаемости и водоотдаче отдельных его элементов.

В пределах каждого класса расчетных схем можно выделить различные группы по ряду дополнительных признаков (взаимное расположение границ и условия на них, наличие фильтрационной неоднородности в плане или разрезе, характер инфильтрационного питания и т. д.).

При анализе материалов режимных наблюдений эта классификация может быть использована непосредственно в процессе интерпретации натурных данных, так как методика определения гидрогеологических параметров неотделима от конкретной расчетной схемы, в рамках которой оценивают параметры.

Классификация расчетных схем в дальнейшем позволяет систематизировать изложение методических аспектов анализа результатов режимных наблюдений.

Предлагаемая классификация расчетных гидродинамических схем позволяет на стадии разведки целенаправленно планировать опытно-фильтрационные работы, регламентировать состав гидрогеологических параметров и порядок их определения при опытных откачках или опытно-эксплуатационных водопонижениях. Вместе с тем гидродинамические схемы при опытно-фильтрационных работах чаще всего не совпадают с прогнозными, поэтому необходима специальная увязка тех и других схем для получения достоверных исходных данных для прогноза.

Следует отметить, что все расчетные схемы (независимо от принадлежности к тому или иному классу) при их интерпретации можно разделить на две крупные категории:

1)    типовые,

2)    сложные.

Типовые схемы предполагают возможность применения для их анализа конечных аналитических зависимостей при следующих условиях:

—    простейшая конфигурация области фильтрации (типовая структура потока);

—    однородность водоносного горизонта;

—    линейность процесса фильтрации;

—    совершенство границ питания и дренажа.

Сложные схемы выходят за рамки этих условий, и поэтому их эффективный анализ, в принципе, возможен лишь с привлечением математического моделирования.

Определение гидрогеологических параметров по результатам опытно-фильтрационных работ и режимных наблюдений целесообразно проводить вначале на уровне предварительных оценок в рамках типовых схем. Затем следует переходить к анализу сложных схем при наличии соответствующей исходной информации. Выполнение принципа этапности гидрогеологических исследований обеспечивает их оптимизацию и повышение достоверности гидрогеологических параметров.

1

Рисунки 1—20 приведены в прнл. 3 (вкладка).