Министерство топлива и энергетики Российской Федерации

Департамент угольной промышленности

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по оценке гидрогеологических условий ликвидации угольных шахт, обоснованию мероприятий по управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической безопасности

Москва 1997

СОГЛАСОВАНО Первый вице-президент компании “Росуголь” Зайденварг В.Е. 5 августа 1997 г. Заместитель начальника Госгортехнадзора России Субботин А.И. 28 августа 1997 г.

УТВЕРЖДЕНО Первый заместитель Министра топлива и энергетики РФ Евтушенко А.Е. 2 сентября 1997 г.

---

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по оценке гидрогеологических условий ликвидации угольных шахт, обоснованию мероприятий по управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической безопасности

Москва 1997

Методические указания но оценке гидрогеологических условий ликвидации угольных шахт, обоснованию мероприятий но управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической безопасности

мирования водопритоков в затапливаемую шахту, а также параметры разделительных массивов, их структуру, проницаемость, наличие и положение в них водоносных пластов. Анализ условий гидравлической связи средней сложности выполняется специалистами-гидрогеологами.

Вариант 4 - сложные условия

Гидравлическая связь шахт реализуется на участках подработки затапливаемой шахтой выработанного пространства, горных выработок соседней шахты или междушахтных целиков. Аналогичный характер гидравлической связи проявляется на участках над работки затапливаемой шахтой выработанного пространства соседней шахты. Оценка конкретного характера гидравлической связи подобного рода требует комплексного геомс-ханического и гидрогеологического анализа, выполняемого специалистами определенного профиля. Гидродинамические расчеты должны выполняться с учетом условий формирования водопритоков в затапливаемую шахту и фильтрационных характеристик массива, подработанного при выемке пласта или свиты пластов.

Вариант 5 - очень сложные (опасные) условия

Характер проявления гидравлической связи между затапливаемой и эксплуатируемой шахтами не может быть надежно оценен. Неопределенность прогноза обусловлена возможностью внезапного нарушения изолирующих перемычек в выработках, пройденных в междушахтных целиках, нарушения герметичности затампонированных водоперепускных скважин, вероятностью прорыва шахтных вод на участках подработки или над работки выработанного пространства эксплуатируемой шахты при междупластьях малой мощности. Ситуация требует комплексного геомеханического, гидрогеологического и технического анализа с выбором обоснованного решения, обеспечивающего безопасность горных работ, исключающего возможность прорыва шахтных вод в эксплуатируемую шахту.

Методические указания но оценке гшфогеодогических условий ликвкадодш угольных шахт, обосновашш мероприятий по управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической

безопасности

3. ПРОГНОЗ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ЗАТОПЛЕНИЯ ШАХТ

3.1.    Прогнозная оценка режима затопления шахт выполняется в рамках определенных гидродинамических схем, учитывающих конкретные условия формирования водопритоков в затапливаемую шахту и характер гидравлической связи этой шахты с соседними.

3.2.    Условия формирования водопритоков в горные выработки при затоплении шахты любой категории определяются в результате гидрогеологического анализа информации об изменении водопритоков в эту шахту при ее строительстве и эксплуатации, а также других сведений о геологических и горно-технологических особенностях шахты (см. раздел 1).

В результате выполненного анализа должен быть определен один из типов условий формирования водопритоков в затапливаемую шахту, согласно классификации, изложенной в разделе 2 (п. 2.3).

3.3.    Скорость подъема уровней в горных выработках определяется величиной водопритока в шахту и зависит от объема затапливаемых капитальных или подготовительных выработок, а также от степени трещиноватости (недостатка насыщения) массивов, подработанных при выемке угольных пластов.

3.4.    Максимальную отметку затопления шахты и скорость подъема уровней в затапливаемых выработках следует определять, заранее намечая несколько расчетных положений (отметок) уровней, интервалы между которыми должны быть охарактеризованы определенным водопритоком в шахту и объемом капитальных и других горных выработок, а также суммарной пустотностью осушенной зоны повышенной трещиноватости над выработанным пространством.

3.5.    Для I типа условий формирования водопритоков в шахту величина водопритока нс зависит от расчетного положения (отметок) уровней воды в затапливаемых выработках.

Методические указания по оценке гидрогеологических условий ликвндацки угольных шахт, обоснованию мероприятий по управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической безопасности

Для II - IV типов условий формирования водопритоков в шахту следует оценивать величину водопритока, соответствующую каждому расчетному положению (отметке) уровней.

3.6.    Для шахт второй категории (п. 2.2) отметка максимально возможного уровня затопления шахты определяется исходя из баланса водопритоков в затапливаемую шахту и возможного оттока воды в соседние шахты с учетом характера гидравлической связи между рассматриваемыми шахтами (п. 2.5).

3.7.    При отсутствии свободного перетока шахтных вод из затапливаемой шахты в соседние по непогашенным выработкам предельная (максимально возможная) отметка затопления ликвидируемой шахты должна определяться равенством водопритока в затапливаемую шахту и суммы фильтрационных расходов через разделительные массивы над целиками между соседними шахтами, а также на участках подработки (надработки) очистных выработок смежными шахтами. Баланс расходов оценивается для каждого расчетного положения уровня затопления ликвидируемой шахты.

3.8.    Фильтрационный расход Q (м³/сугки) через разделительный массив над междушахтным целиком, соответствующий расчетному положению уровней в выработках затапливаемой шахты, может быть определен по формуле:

к • М (Н\ - Hi)- L d    ’

где k - коэффициент фильтрации пород разделительного массива (м/сутки);

М - высота зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством рассматриваемого пласта (м);

Hi - пьезометрический напор, соответствующий расчетной отметке уровня в затапливаемой шахте;

Н2 - пьезометрический напор, соответствующий отметке рассматриваемого угольного пласта в средней части целика со стороны эксплуатируемой шахты (м);

L - длина расчетного участка междушахтного целика (м);

П

Методические указания но оценке гидрогеологических условий ликвидации угольных шахт, обоснованию мероприятий по унрааденшо режимом подземных вод и обеспечению экологической

безопасности

d - средняя ширина междушахтного целика на расчетном участке (м).

Для ориентировочных расчетов коэффициенты фильтрации слабопроницаемых литифицированных угленосных отложений на участке разделительного массива могут быть приняты в пределах (10'² + 10'³) м/сутки.

Высота зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством определяется по фактическим данным, а при их отсутствии может быть принята равной величине N_c, регламентируемой п. 1.8 "Инструкции по безопасному ведению горных работ у затопленных выработок " (1996 г.), или определена геомеханически м расчетом.

3.9. При наличии в разделительном массиве водоносных пластов, пересекаемых зоной водопроводящих трещин при выемке рассматриваемого угольного пласта, фильтрационный расход в эксплуатируемую шахту через разделительный массив по каждому пласту определяется формулой:

(3.2)

где Т - проводимость водоносного пласта (м²/сутки),

Н*2 - пьезометрический напор, соответствующий отметке пересечения подошвы водоносного пласта зоной водопроводящих трещин в средней части расчетного участка целика со стороны эксплуатируемой шахты (м).

Другие обозначения те же, что и в формуле (3.1).

3.10. Фильтрационный расход Qp (м³/сутки) перетекания между выработанными пространствами затапливаемой и соседней с ней шахт может быть определен по формуле:

Qf = —*-^L—,    (3.3)

то

где Hi - пьезометрический напор, соответствующий расчетной отметке уровня в затапливаемой шахте (м);

Методические указания по оценке педрогеояошчес1ШХ условий ликвидации угольных шахт, обоснованию мероприятий по управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической

безопасности    _    ^v    I

Нз - пьезометрический напор, соответствующий либо отметке подошвы угольного пласта, вынутого эксплуатируемой шахтой, в средней точке участка его подработки затапливаемой шахтой, либо средней отметке верхней границы зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством эксплуатируемой шахты в случае его надрабопгки затапливаемой шахтой (м);

F — площадь участка подработки или над работки выработанного пространства эксплуатируемой шахты (м²);

Шо=М₀-М - мощность пачки слабопроницаемых пород над верхней границей зоны водопроводящих трещин высотой М при мощности М₀ мсждупластия, разделяющего выработанные пространства затапливаемой и эксплуатируемой шахт (м);

ко - коэффициент фильтрации слабопроницаемых пород вкрсст их напластования (м/сутки), который для ориентировочных расчетов может быть принят равным ко =10'³ м/сутки.

3.11.    Прогнозная оценка фильтрационных расходов на участках подработки (надработки) смежных пластов свиты затапливаемой и эксплуатируемой шахт может быть выполнена по результатам анализа фактических водопритоков в эти шахты с выявлением расходов перетекания между выработанными пространствами. Прогнозируемый фильтрационный расход перетекания в эксплуатируемую шахту Qp,n на участке подработки может быть выполнен с учетом соотношения:

QF.n^QF.o-^L,    (3.4)

Д/1Ф

где Орф - фактический расход перетекания на участке подработки или надработки (м³/сутки);

ДНф и ДН_П ^— разность напоров на кровле и подошве пачки слабопроницаемых пород мощностью Шо соответственно при фактических и прогнозируемых (расчетных) напорах в выработанном пространстве ликвидируемой шахты.

3.12.    Оценка водопритоков, поступающих в шахту и зависящих от уровня затопления горных выработок (III и IV типы условий формирования водопритоков), выполняется специали-

14

Методические указания по оценке гщфопммюгических условий ликвидации угольных шахт, обоснованию мероприятий по угфаалешш режимом подземных вод и обеспечению экологической

безопасности

стами - гидрогеологами на основе гидродинамических расчетов или с использованием численных моделей геофильтрации.

3.13.    При наличии активной гидравлической связи затапливаемой шахты с соседней эксплуатируемой через непогашенную выработку или скважину, пересекающие междушахтные целики, предельный уровень затопления ликвидируемой шахты определяется максимальной отметкой горной выработки (скважины) у границ целика, (если она окажется ниже, чем предельная отметка затопления, рассчитанная исходя из равенства водойри-тока в затапливаемую шахту) и фильтрационных потерь в соседние шахты через разделительные массивы и на участках выемки свиты пластов смежными шахтами.

3.14.    Скорость повышения уровней воды в выработках затапливаемой шахты определяется для каждого интервала между заранее намеченными расчетными положениями уровней затопления. Для расчетного интервала определяется средняя величина водопритока в шахту и объем заполняемых водой пустот (горных выработок и осушенных трещин над выработанным пространством).

3.15.    Расчетная величина водопритока в затапливаемые выработки для каждого намеченного положения уровней затопления равна фактическому водопритоку в шахту, определенному согласно п. 3.5, уменьшенному на величину расхода фильтрации в соседние шахты (п. 3.8 - 3.11).

3.16.    Объем Wi нсзатопленных капитальных, подготовительных и очистных выработок (выработанного пространства и пус-тотности зоны водопроводящих трещин над ним) следует оценивать в пределах расчетного интервала отметок затопления шахты по следующей общей зависимости:

W = KnV    (3.5)

где Vj - объем (м³) горной массы (угля и вмещающих пород), извлеченной при проходке горной выработки в пределах расчетного интервала отметок затопления шахты;

Кп - коэффициент пустотности массива (отношение объема пустот, заполняемых водой, к объему вынутой при проходке

15

УДК 622.014.3

Методические указания по оценке гидрогеологических условии ликвидации угольных шахт, обоснованию мероприятий по управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической безопасности - М.: ИПКОН РАН, 1997. - 24 с.

“Методические указания” предназначены для использования проектными, производственными и научно-исследовательскими организациями при обосновании инженерных мероприятий, обеспечивающих техническую и экологическую безопасность работ при ликвидации угольных шахт.

“Методические указания” составлены специалистами ИПКОН РАН, ВНИМИ и ИГД им. А.А. Скочинского под руководством Департамента угольной промышленности Минтопэнерго России и Управления маркшейдерско-геологических работ компании “Росуголь”.

©ИПКОН РАН, 1997

Методические указания по оценке гидрогеологических условий ликвидации угольных шахт, обоснованию мероприятий по управлению режимом подземных вод и обеспечению эдхадиической

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Консервация или ликвидация шахт должны сопровождаться техническими мероприятиями, обеспечивающими безопасность горных работ, охрану природных и инженерных объектов. Эти мероприятия, как правило, нацелены на управление геомеханически ми и гидрогеологическими процессами.

При ликвидации шахт путем их частичного или полного затопления происходит активное развитие гидрогеологических процессов, прогноз которых необходим для обоснования инженерных решений.

1.2.    Комплексная оценка гидрогеологических условий затопления отдельно расположенных шахт должна включать рассмотрение следующих основных задач:

1)    определение скорости затопления горных выработок и подъема уровней подземных вод;

2)    прогноз уровенного режима грунтовых вод, оценка возможности заболачивания земной поверхности;

3)    оценка развития гидрогеомеханических процессов (изменение напряженного состояния подработанных массивов горных пород, прорывы рыхлых отложений в затапливаемые выработки, деформации земной поверхности);

4)    оценка возможности загрязнения водоносных горизонтов водоемов и водотоков шахтными водами.

1.3.    Оценка гидрогеологических условий затопления одной или нескольких из группы близко расположенных шахт является более сложной. В частности, в этом варианте, наряду с решением перечисленных выше задач, необходимо оценить:

•    объем дополнительных водопритоков в горные выработки шахт, соседних с затапливаемой;

•    возможность внезапных, катастрофических по последствиям, прорывов шахтных вод из затапливаемой шахты в соседние эксплуатируемые;

•    максимально возможный уровень затопления ликвидируемой шахты (с учетом возможного перераспределения посту-

Методические указания «о оценке гидрогеологических условий шкщтш угольных шахт, обоснованию мероприятий но управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической

безопасности '    -    |

лающего в шахту водопритока на соседние эксплуатируемые

шахты);

о оптимальный уровень воды в частично затапливаемой шахте с учетом необходимости предотвращения прорывов шахтных вод в соседние шахты или с учетом возможности приема водоотливами соседних шахт дополнительных водопри-токов, соответствующих оптимальному уровню затопления.

Наряду с решением отмеченных основных и дополнительных задач при оценке гидрогеологических условий затопления конкретных шахт может возникать необходимость рассмотрения и других специфических вопросов.

1.4. Для достоверной оценки гидрогеологических условий затопления шахт необходима следующая основная информация:

1)    сведения о геологическом строении месторождения (полей ликвидируемой шахты и соседних с ней шахт): геологические отчеты, пояснительные записки;

2)    геологические карты, разрезы, колонки по скважинам;

3)    сведения о технологии очистных горных работ, данные о высоте зон водопроводящих трещин над выработанным пространством, планы горных выработок по пластам;

4)    сведения о гидрогеологическом строении месторождения (данные об основных водоносных горизонтах, их фильтрационных параметрах), об условиях питания подземных вод, их связи с поверхностными водоемами или водотоками;

5)    данные о среднегодовых водопритоках в затапливаемую шахту (начиная с периода ее строительства и до времени намеченной ликвидации);

6)    данные о сезонных изменениях водопритоков в затапливаемую шахту (среднемесячные за последние 2-5 лет);

7)    данные о среднегодовых водопритоках в шахты, соседние с затапливаемой ( за последние 2-3 года);

8)    сведения о производительности и расположении водоотливов на затапливаемой и соседних шахтах, о системе и объеме перепуска воды между шахтами и горизонтами на шахтах;

4

Методические указания по оценке гщфопюдогичесюхх условий лиш&жнн угольных, иша\ обоснованию мероприятий по уцравлешш - ; режимом подземных вод и обеспечению экадогическбй

безопасности

9)    сведения об уровнях водоносных горизонтов, дренируемых затапливаемой шахтой (в период строительства и за последние 2-5 лет перед ликвидацией);

10)    данные об уровнях грунтовых вод, поверхностных водотоков или водоемов до строительства шахты и на последний

период перед ликвидацией (среднегодовое положение уровней и сезонные их колебания);

11)    план поверхности шахтного поля с размещением зданий и инженерных сооружений;

12)    данные о химическом составе шахтных и подземных вод, характеристики водозаборов технического и питьевого водоснабжения (для решения гидрогеоэкологических проблем);

13)    сведения о специфических условиях рассматриваемого объекта.

1.5.    Для решения гидрогеологических проблем в особо сложных условиях необходимы специальные исследования, включающие, наряду с анализом имеющейся информации об объекте, выполнение натурных экспериментов и наблюдений.

1.6.    В состав инженерных мероприятий, предназначенных для управления гидрогеологическим режимом при затоплении шахт, следует включать и проводить натурные наблюдения для контроля за эффективностью реализуемых решений и обеспечения технической и экологической безопасности ликвидации шахт.

1.7.    Оценка развития гидрогсомсханичсских и геомсханичс-ских процессов при затоплении шахт производится специализированными организациями.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ШАХТ ПО ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИМ УСЛОВИЯМ ИХ ЛИКВИДАЦИИ ПУТЕМ ЗАТОПЛЕНИЯ

2.1. Классификация шахт по гидрогеологическим условиям их затопления может быть выполнена по трем основным критериям:

1. по сложности решаемых гидрогеологических задач;

5

Методические указания по оценке гидрогеологических условий ликвидации угольных шахт, обоснованию мероприятий по управлению режимом подземных аод и обеспечению экологической безопасности

2.    по характеру формирования и сложности прогноза водо-притоков в горные выработки и выработанное пространство;

3.    по условиям гидравлической связи затапливаемой шахты с соседними эксплуатируемыми.

2.2.    Согласно первому критерию можно выделить две категории затапливаемых шахт:

•    одиночные, обособленно расположенные шахты;

•    ликвидируемые шахты, соседствующие с эксплуатируемыми.

2.3.    Независимо от категории ликвидируемых шахт, целесообразно выделить несколько типов условий их затопления в зависимости от характера формирования водопритоков подземных вод в горные выработки:

I тип - простые условия

Характеризуются малыми глубинами горных работ (до 100 м), отсутствием выдержанных водоносных горизонтов в угленосной толще и в покровных отложениях. Водопритоки в выработанное пространство формируются за счет инфильтрации атмосферных осадков по площади очистных горных работ через зону водопроводящих трещин над выработанным пространством.

Величина водопритоков в шахту пропорциональна площади очистных работ, может изменяться в годовом цикле и не зависит от уровня затопления горных выработок.

П тип - условия средней сложности

Средние глубины горных работ (первые сотни метров). Наличие приповерхностного водоносного горизонта, приуроченного к зоне выветривания угленосных отложений или к аллювиальным отложениям. В основной кровле угольного пласта (свиты пластов) других водоносных горизонтов нет. Зона водопроводящих трещин не достигает приповерхностного водоносного горизонта. Водопритоки в выработанное пространство

Методические указания по оценке гадрогеолошческих условий ликвидации угольных шахт, обоснованию мероприятий по управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической

' '§#;    kw§i$?%£    !&•!    :    #'|ЙКМШС«0С1Я

формируются за счет перетекания через пачку слабопроницаемых отложений, залегающих над верхней границей зоны водопроводящих трещин. Водопритоки в шахту до ее затопления прямо пропорциональны площади очистных горных работ и практически не изменяются в годовом цикле.

Водопритоки в затапливаемую шахту нелинейно зависят от уровня затопления; оценка водопритоков возможна на основе простого гидродинамического расчета.

III тип - сложные условия затопления

Водопритоки в шахту формируются за счет водоносных горизонтов, пересекаемых зоной водопроводящих трещин. Величина водопритоков зависит от фильтрационных параметров и условий питания дренируемых водоносных горизонтов, от конфигурации площади очистных горных работ и ее положения относительно границ водоносных горизонтов.

При затоплении шахты изменяется водоприток в горные выработки в зависимости от положения уровня затопления. Для оценки изменений водопритока в шахту требуется квалифицированная схематизация и выполнение сложных гидродинамических расчетов. Особые сложности возникают при гидрогеологическом анализе шахт второй категории.

IV тип - весьма сложные условия

Характеризуются сочетанием условий III типа и II или I типов. Водопритоки в горные выработки формируются за счет дренирования водоносных горизонтов, пересекаемых зоной (или несколькими зонами) водопроводящих трещин, а также за счет инфильтрации или перетекания из водообильных горизонтов по площади очистных горных работ. Водоприток в шахту зависит от уровня затопления горных выработок. Ситуация осложняется при анализе условий затопления шахт второй категории. Для прогноза уровней затопления шахты, водопритоков в соседние шахты, прогноза уровней грунтовых вод требуется де-

Методические указания по оценке гидрогеологических условий тшття угольных шахт, обоснованию мероприятий но управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической

безопасности

тальная гидрогеологическая схематизация и выполнение сложных гидродинамических расчетов или численного моделирования фильтрационных процессов с использованием компьютерных программ.

2.4.    По третьему критерию классифицируются шахты только второй категории. Гидравлическая связь шахт определяется гидрогеологическими, геомеханически ми и горнотехнологическими факторами. При этом следует учитывать взаимную зависимость гидравлической связи шахт с условиями формирования водопритоков в затапливаемую шахту.

При выполнении анализа и классификации вариантов гидравлической связи затапливаемой шахты с соседними необходимо различать следующие понятия:

•    фильтрация через разделительные массивы над между-in ахтным и целиками и на участках выемки свиты пластов смежными шахтами - процесс, управляемый уровнем затопления;

•    свободное перетекание или организованный перепуск шахтных вод по выработкам и скважинам из затапливаемой шахты в соседние - прогнозируемый процесс с возможной оценкой расхода перетекания, зависящего от условий формирования водопритоков в затапливаемую шахту;

•    прорыв шахтных вод из горных выработок затапливаемой шахты в эксплуатируемую; т.с. внезапное, непрогнозируемое по объемам, поступление воды в горные выработки при мгновенном нарушении устойчивости герметичных перемычек или тампонажа перепускных скважин — чрезвычайно опасный по последствиям и неуправляемый процесс.

2.5.    С учетом указанных видов гидравлической связи можно классифицировать условия затопления шахты при эксплуатации соседних с ней шахт.

Вариант 1 - простейшие условия

Характеризуются наличием надежных междушахтных целиков по всем отрабатываемым угольным пластам, отсутствием

Я

Методические указания по оценке гщфогсояогичссхих условий ликвидации угольных шахт, обоснованию мероприишй но управлению режимом подземных вод и обеспечению экологической

безопасности

водоносных горизонтов, пересекаемых зонами водопроводящих трещин над выработанным пространством, ограниченными расходами фильтрации через междушахтные целики и разделительные массивы над ними. Ширина междушахтных целиков превышает или равна ширине барьерных целиков, определяемых п. 1.4 "Инструкции по безопасному ведению горных работ у затопленных выработок" (1996 г). Междушахтные целики не пересечены горными выработками, скважинами, тектоническими нарушениями и не подработаны.

Анализ простейших условий может быть выполнен специалистами проектных организаций или работниками геолого-маркшейдерских служб на шахтах.

Вариант 2 - простые условия

Вариант характеризуется явной активной гидравлической связью горных выработок или выработанных пространств затапливаемой и соседней с ней шахт. Активная гидравлическая связь может быть реализована при затоплении шахты по непогашенным горным выработкам, прорезающим межшахтные целики, по незатампонированным скважинам, а также через целики, подработанные нижележащими пластами при выемке последних под целиками на глубинах, менее N_c, определяемой п. 1.8 "Инструкции по безопасному ведению горных работ у затопленных выработок" (1996 г).

Простые условия гидравлической связи могут быть определены специалистами проектных организаций и гсолого-маркшейдсрских служб шахт.

Вариант 3 - условия средней сложности

Гидравлическая связь затапливаемой и соседней с ней шахт проявляется в виде фильтрации через неподработанные разделительные массивы над междушахтными целиками. Прогноз дополнительного водопритока в эксплуатируемую шахту при различных уровнях затопления ликвидируемой шахты требует гидрогеологической схематизации, учитывающей условия фор-

9