Маркшейдерия и недропользование

Последнее десятилетие двадцатого века для угольной промышленности Российской Федерации стало периодом коренных преобразований хозяйственной деятельности. Реструктуризация угледобывающих предприятий привела к закрытию ряда шахт, не имеющих перспектив достижения рентабельной работы.

Ликвидация шахт сопровождается изменением геомеханической, гидрогеологической и экологической обстановки в углепородном массиве и приповерхностной атмосфере. Анализ сложившейся ситуации показывает, что многоплановый процесс закрытия нерентабельных предприятий инициирует как положительные, так и отрицательные экологические явления, которые по масштабности и многофакторности не имеют аналогов в практике шахтной гидрогеологии и геоэкологии. В то же время гидрогеологические аспекты данной проблемы требуют серьезного научного осмысления в плане оценки и прогнозирования их влияния на состояние геологической среды и условия жизни населения, проживающего на территории угольных бассейнов.

Негативные последствия, связанные с затоплением шахт, имеют общие черты для большинства территорий, на которых закрываются угледобывающие предприятия [1]. В этой связи представляется уместным изложить опыт гидрогеологического мониторинга в углепородном массиве на территории Российского Донбасса.

В настоящее время на стадии ликвидации находятся 17 шахт ОАО "Ростовуголь", 8 предприятий ОАО "Гуковуголь" и все шахтоуправления ОАО "Шахтуголь". Масштабность происходящего процесса можно оценить по тому факту, что только в городе Шахты, занимающем площадь приблизительно 180 квадратных километров, закрываются 5 шахт.

Известно, что общим негативным последствием ликвидации шахт является угроза подтопления зданий и сооружений на дневной поверхности в результате подъема шахтных вод. Важность проблемы заставила специалистов предприятий по добыче угля и ученых научно-исследовательских институтов заняться изучением основных аспектов процесса.

В настоящее время на территории Восточного Донбасса основную практическую работу по контролю динамики подземной гидросферы осуществляют сотрудники Северо-Кавказского представительства ВНИМИ и ОАО "Ростовуголь".

Регулярные наблюдения за уровнями затопления углепородного массива и местами возможного излива шахтных вод на земную поверхность выполняются работниками управления маркшейдерско-геологических работ ОАО "Ростовуголь" с 1998 года. Гидро-геофизическими исследованиями охвачены горные отводы 12 ликвидируемых шахт ОАО "Ростовуголь" и "Шахтуголь", в том числе площадь весьма сложной по гидрогеологическим и геомеханическим условиям шахты "Глубокая". Необходимо отметить, что зона влияния происходящих в угленосной толще этой шахты гидрогеологических процессов, занимает большую территорию, поскольку гидравлически связана со многими закрытыми ранее шахтами, а также с действующей шахтой им. Октябрьской революции.

В основу организации работ по гидрогеологическому мониторингу территорий ликвидируемых шахт был положен принцип системности, хорошо зарекомендовавший себя при решении различных проблем прикладной геологии и геофизики. Использование системного подхода обосновано существованием единой экогеосистемы, включающей углепородный массив, который представляет сочетание отдельных шахтных полей, связанных между собой гидравлическими каналами (выработками, тектоническими и техногенными трещинами), подземную и приповерхностную гидросферу и атмосферу [2].

Исходя из указанных позиций, был выполнен анализ состояния проблемы, включая детальную оценку гидрогеологических условий, определена методика выбора точек режимных наблюдений, разработаны технология и средства измерений, порядок анализа полученных результатов и принцип прогнозирования динамики затопления углепородной толщи на территории закрываемых шахт.

При оценке сложившейся гидрогеологической ситуации особое внимание было уделено анализу следующих характеристик и условий: наличия возможных гидравлических каналов между смежными шахтами - тектонически нарушенных зон в барьерных целиках, неудовлетворительно затампонированных разведочных скважин; параметров образующихся перетоков шахтных вод; вероятности подпора вод; мест излива шахтных вод на дневную поверхность в пониженных участках рельефа. На основании всестороннего анализа и с учетом горнотехнических и технико-экономических условий были определены стволы и скважины для наблюдений за динамикой затопления. Для получения всеобъемлющей картины процесса по площади были выполнены проектные и буровые работы по заложению недостающих скважин в характерных точках контролируемой территории.

В настоящее время проводится мониторинг динамики шахтных вод посредством регулярных измерений в 23 стволах и скважинах, пространственно-распределенных по горным отводам ликвидируемых шахт.

Исходя из накопленного опыта, разработана оптимальная методика измерений, включающая наблюдения посредством стационарных и мобильных комплексов, а также контрольные замеры другими приборами, выполняемые в порядке авторского надзора.

Специалистами бюро шахтной геофизики ОАО "Ростовуголь" сконструирован электроуровнемер, который, как показала практика его использования, дает возможность оперативно и с высокой точностью определить уровень затопления в скважинах и стволах глубиной до 1000 м. Принцип действия прибора основан на явлении возникновения постоянного электрического тока в замкнутом контуре. В качестве активных элементов электрического контура выступают: измерительные электроды, соединительный кабель, породы углевмещающего массива и минерализованная шахтная вода (рис. 1). При касании измерительным электродом зеркала воды электрическая цепь замыкается, возникает электрический ток, который фиксируется стрелочным индикатором. Для измерения тока используется прибор, имеющий высокоомный регулируемый вход. Регулировкой величины входного сопротивления достигается согласование прибора с переходными сопротивлениями электродов [3]. Применение индикаторов данного класса, а также использование специальной методики наблюдений, заключающейся в многократном замере уровня затопления, позволило свести погрешность измерений к минимальной - 1 см на 100 м глубины.

Важной составляющей мониторинга динамики подземной гидросферы является регулярный анализ получаемых практических данных, на основании которого определяются текущие и прогнозные величины параметров затопления и вносятся, при необходимости, коррективы в прогностические документы (графики, таблицы), а также в методику дальнейших работ.

Так, по результатам оценки скорости подъема шахтных вод был установлен оптимальный шаг квантования (периодичность замеров), который на большинстве точек составляет один раз в месяц. На основе анализа было внесено изменение в методику замеров, направленное на повышение качества информации и определяющее необходимость синхронного выполнения гидрогеофизических работ в наблюдательных скважинах (стволах) смежных шахт, имеющих гидравлическую связь.

Обработка статистических данных позволила установить экстремальные и средние значения, характеризующие динамику затопления углепородного массива. В подавляющем большинстве наблюдаемых горных отводов скорость подъема колеблется в пределах 0,13 - 0,3 м/сут. Низкие величины скорости на шахтных полях шахт им. Красина и "Несветаевская" связаны с частичным перетоком шахтных вод в горные выработки смежных шахт "Нежданная" и "Соколовская".

Рис. 2.
Схема выполнения измерений уровня затопления:
1 - ствол (скважина); 2 - измерительный прибор; 3 - катушка с измерительным проводом; 4 - направляющий блок; М, В - измерительные электроды

В результате наблюдений сформирован банк данных, который содержит представительный массив сведений о пространственно-временных параметрах процесса затопления углепородной среды на площади значительной части ликвидируемых шахт Российского Донбасса. Полученные материалы служат надежной фактической основой для текущего и перспективного прогнозирования динамики подземной гидросферы, а также оценки некоторых других связанных с затоплением процессов, в частности, выхода "мертвого" воздуха на дневную поверхность. Прогнозные данные, в свою очередь, позволяют осуществлять обоснованное планирование мероприятий по предотвращению и ликвидации негативных последствий затопления шахт.

Таким образом, оценивая организацию методики, средства и результаты режимных наблюдений за уровнем затопления угленосной толщи на площади ликвидируемых шахт Восточного Донбасса и учитывая значимость влияния гидродинамических процессов на всю эколого-гигиеническую ситуацию, можно сделать вывод, что перечисленные элементы могут составить научно обоснованное и практически апробированное ядро региональной мониторинговой геолого-геофизической информационной системы.