Гидрогеологические особенности опережающего водопонижения шахты «Денисовская»

В настоящее время на территории Республики Саха (Якутия) добывается более 15 млн. тонн угля. В ближайшей перспективе на внешнем рынке для якутских углей будет складываться благоприятная экономическая ситуация: согласно прогнозам к 2020 г. доля потребления угля в сравнении с жидкими энергоносителями возрастет в мире до 60-70%, по России до 30-35%; ожидается увеличение емкости мирового рынка угля на 20-25%, особенно в странах Азиатско-Тихо-океанского региона. В ближайшее время наращивание добычи дефицитных высококачественных марок углей планируется за счет подземной разработки Денисовского месторождения, которое обладает большими запасами особо дефицитных коксующихся углей и имеет сложные гидрогеологические условия, при которых необходимы специальные работы по защите подземных выработок от обводнения.

Методика исследования. Денисовское каменноугольное месторождение расположено в центральной части Чульманского адартезианского бассейна, в зоне моноклинального залегания терригенных мезозойских отложений Чульманской впадины. Залегание пород осложнено пликатив-ными и разрывными дислокациями [2]. Гидрогеологические условия в пределах месторождения обусловлены циркуляцией трещинных и пластово-

трещинных вод в неоднородных как по площади, так и по глубине водовмещающих породах кабак-тинской и дурайской свит юрского возраста. Степень водообильности водоносного комплекса изменяется в широких пределах и зависит от характера и интенсивности трещиноватости вмещающих пород. Основным водоносным комплексом является единый водоносный комплекс трещинных и пластово-трещинных вод мезозойского возраста, в котором не выделяются отдельные горизонты и водоупоры. Мощность водоносного комплекса в пределах месторождения составляет 11001200 м. По условиям циркуляции подземных вод в водоносном комплексе Денисовского месторождения выделяются следующие зоны [3-5].

Зона активного водообмена, определяющаяся мощностью толщи экзогенной трещиноватости, она составляет 150-200 м. Зона затрудненного водообмена залегает на глубине от 200 м до 800 м, ниже которой выделена зона застойного режима. Подземные воды на месторождении характеризуются напорно-безнапорным режимом фильтрации. Напорный режим имеет локальный характер и обусловлен, главным образом, наличием многолетнемерзлых пород [5]. Питание подземных вод осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков на участках таликовых окон, развитых на месторождении в пределах водораздельных поверхностей и непромороженных склонах южной и западной экспозиции.

Разгрузка подземных вод зоны активного водообмена происходит частично в долинах водотоков, дренирующих водоносный комплекс. В частности, это происходит в долине р. Чульман в виде нисходящих источников, формирующих незамерзающие в зимний период полыньи. В долине руч. Дежневка – ниже устья руч. Денисовка – за счет разгрузки подземных вод мезозойского комплекса формируется наледь, объемом 60-72 тыс. м3. Часть разгрузки подземных вод происходит в нижележащие зоны, главным образом, за счет перетекания по трещинам напластования и участкам интенсивной тектонической трещиноватости.

Динамика уровнего режима – для подземных вод месторождения в пределах водораздельных участков характерна максимальная амплитуда колебания уровней. В зависимости от количества выпавших атмосферных осадков предшествующего гидрологического года и летне-осенних текущего изменяется в пределах 21-41 м. Максимальные уровни фиксируются в августе-сентябре и реже в июле или октябре месяце. Минимум положения уровней характерен для конца водно-критического периода в апреле-мае месяце. В отличие от водораздела на склоновых участках режим подземных вод характеризуется значительно меньшей амплитудой. Величина ее изменяется от 5,62 м до 26,47 м. Максимальные уровни отмечаются в июле-октябре месяце, минимальные – также в конце летне-весеннего периода спада – с конца апреля по первую половину июня [6].

Экспериментальная часть. В зоне влияния водопонижающих скважин и шахтного водоотлива изменение уровней по скважинам, в которых проводились замеры в 2012-2013 г.г., характеризуется совершенно иной динамикой (табл. 1). Во всех обследованных скважинах фиксируется нарушенный режим фильтрации подземных вод из-за действующей водопонижающей скважины 8-вп и линейного ряда четырех скважин (ТС) шахтного водоотлива в районе магистрального штрека. Де-прессионная воронка в южном направлении достигает скважины 16-вп, расположенной в 500 м от скважин ТС. Западнее, исходя из амплитуды колебания уровней подземных вод, в зону влияния и, соответственно, в формирующуюся депрессион-ную воронку попадают скважины №№ 12, 13 и расположенная выше по склону скважина № 11 (в 600 м от скважин ТС). На рис. 1 показано направление движения подземных вод по гидроизогипсам на период максимального положения уровня и мощность водоносной зоны над почвой пласта К4 исследованного участка поля шахты «Денисовская».

Мощность водоносной зоны в районе левобережья руч. Дежневка увеличивается от 110 м до 190 м в юго-западном направлении. На рис. 2 приведено положение уровней подземных вод по состоянию на период обследования водопонижающих и наблюдательных скважин (октябрь 2012 г.), на котором четко выделяется депрессионная воронка и направление потока.

Таблица 1. Уровни подземных вод в зоне водопонижения

Примечание: * во время проведения замеров уровня из восьми водопонижающих скважин, приведенных в таблице, работала одна скважина – 8вп, расположенная в днище долины руч. Дежневка. Замер уровня в ней произведен через 10 минут после кратковременного отключения насоса и сброса откачиваемых вод из водоподъемной трубы. Исходя из опыта работ, приближенный к действительному динамический уровень в скважине 8-вп на 7-10 м ниже измеренного и составил на момент замера не менее 44,65 м.

По результатам наблюдений можно отметить, что в зоне сбросовых нарушений северной части площади работ в период летнего инфильтрационного питания подземных вод образуются значительные перепады в залегании уровней подземных вод. В скважинах № 1-г и № 2, расположенных на расстоянии не более 70 м и разницей в абсолютных отметках 2,5 м, перепад уровней составил 25-30 м. В устойчивый засушливый период конца июля и первой половины августа 2012 г. уровень с 52,2 м в скважине № 1-г начал снижаться. Таким образом, можно констатировать, что амплитуда колебания уровней подземных вод в период летнего инфильтрационного питания на данном участке сравнима с годовой. Для оценки летне-осенних водопритоков в горные выработки необходимо вести регулярные наблюдения за уровнями подземных вод.

Над пластом К4, как отмечалось ранее, лежит единая водоносная зона трещинных и пластовотрещинных вод, циркулирующих как по трещинам напластования, так и по зонам интенсивной трещиноватости и тектонических нарушений. Фильтрационные свойства водовмещающих пород крайне неоднородны, Кф изменяются от 0,001 м/сутки в угольных пластах и слабо трещиноватых породах до 6-7,39 м/сутки в зонах повышенной трещиноватости и тектонических нарушений.

Рис. 1. Гидроизогипсы и мощность водоносной зоны (август 1981 г.).

Здесь и далее: сплошная и пунктирная линии - тектоническое нарушение, указание 700 - гидроизогипсы. Положение зеркала подземных вод - на рис. 1 максимальное до начала обработки пласта К 4 , на рис 2 - по состоянию на 23.10.2012. Указание 150 -изолинии мощности водоносной зоны над почвой пласта К 4 . 15вп - наблюдательная скважина. 106,35 / 663,35 - в числителе -уровень подземных вод., м; в знаменателе - абсолютная отметка уровня, м.

По результатам детальной разведки месторождения, для площади первой очереди отработки прогнозный водоприток, рассчитанный Щербаковым В.Я. [3], составил 1333 м3/час. В 2005 г. научнотехническим центром «НОВОТЭК» (г. Белгород) [9] был составлен проект осушения шахтного поля. Согласно результатам моделирования гидродинамических условий, максимальный прогнозный водоприток на площади 132 км2 шахтного поля составил 1200 м3/час. По геофизическим результатам изучения малоамплитудной тектоники шахтного поля Денисовского месторождения [7] был выявлен ряд малоамплитудных нарушений в северной части шахтного поля и были классифицированы как осложняющие инженерно-геологические условия участка, т.к. гидравлически могут быть связаны с руч. Дежневка. Предположения базировались на распространении низких значений кажущихся электрических сопротивлений и скорости распространения упругих волн по данным электроразведки и сейсморазведки на данном участке, что свидетельствует о повышенной трещиноватости и обводненности горных пород на данном участке. С учетом этих данных и фактических водопротоков для этой же площади с Завадским Ф.Р. [8] были даны рекомендации по опережающему сооружению водопонизительной системы, состоящей из 22 скважин. Максимальный прогнозный водоприток по его расчетам составил порядка 1900 м3/час. Данный прогноз базировался на связи руч. Дежневка с тектоническими нарушениями, которые должны были подсечь подготовительные выработки.

Анализ результатов. Данный прогноз подтвердился в процессе проходки выработок - вентиляционных и конвейерных штреков (северная часть шахтного поля). В 2003-2004 гг. в зонах вскрытых малоамплитудных нарушений водопри-токи составляли от 1-2 до 18-20 м3/час, в настоящее время учет водопритоков в горные выработки ведется по дебиту водопонижающих скважин и шахтного водоотлива. Дебиты водопритоков представлены на рис. 3. Минимальные водопритоки с декабря по май составляют от 21 до 400-645 м3/час. В летний период происходит увеличение с максимумом в августе от 1200 до 2000 м3/час, затем идет снижение дебитов водопритока. В отдельные годы второй пик максимума может наблюдаться в сентябре-октябре. Это связано с метеорологическими факторами, в частности, с поздним наступлением отрицательных температур воздуха, количеством выпавших в августе-сентябре осадков и продолжением инфильтрационного питания подземных вод вплоть до начала октября. К примеру, в скважине № 5-вп, расположенной на правом борту долины руч. Дежневка, в октябре 2012 г. (табл. 1) мощность водоносной зоны над пластом К4 составила 53 м.

Рис. 2. Гидроизогипсы (октябрь 2012 г.)

Для опережающего осушения отрабатываемого пласта шахтой «Денисовская» пробурено 17 водопонижающих скважин. При обследовании системы осушения в октябре 2012 г. работали скважины №№ 8-вп и 9-вп (производительностью до 100 м3/час), расположенные в днище долины руч. Дежневка, и узлы шахтного водоотлива с производительностью насосов до 450 м3/час. Сброс откачиваемых вод осуществляется в руч. Дежнев-ка. В данном случае, по нашему мнению, присутствует обратная фильтрация сбрасываемых вод в шахту, т.к. ниже по течению ручей пересекает тектоническое нарушение (рис. 2).

Выводы: для дальнейших работ по опережающему осушению и регулированию работы водопонижающих скважин рекомендуется:

• -    проводить систематический контроль положения уровней подземных вод в водопонижающих скважинах;

• -    дополнительное бурение наблюдательных скважин на площади перспективной разработки пласта;

• -    по имеющимся водопонижающим скважинам на левом борту руч. Дежневка провести опытные откачки для определения фильтрационных параметров водоносного комплекса;

• -    обустроить сброс откачиваемых вод ниже по течению руч. Дежневка за зоной пересечения с тектоническим нарушением. Это должен быть участок водотока без поглощения поверхностного стока, который можно определить после проведения меженной гидрометрической съемки руч. Дежневка.

  

  Рис. 3. Динамика водопритоков на шахте «Денисовская» (м³/час)