Применение ГИС-систем при решении экологических проблем в районах угольных шахт

И.А. Пасечник

ПРИМЕНЕНИЕ ГИС-СИСТЕМ ПРИ РЕШЕНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ В РАЙОНАХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Названы наиболее частые экологические проблемы угольных шахт постсоветского пространства и угрозы, которые они несут. Приведены пути решения данных задач путем использования передовых геоинформационных систем. Названы принципы, на основе которых построен блок моделирования деформации горного массива в ГИС-системе «ГЕО+» и проведены параллели показывающие принципы предотвращения экологических проблем или их минимизации при использовании ГЕО-систем на угольных шахтах.

Ключевые слова: угольные породные отвалы, оседание грунта, шахтные воды, метан угольных пластов, геоинформационных системы, компьютерное моделирование, горный массив, деформация, свита пластов, угольная шахта.

Угольная промышленность России остается жизненно важной составляющей национальной экономики. При постоянно растущих потребностей современной экономики в энергоресурсах в нашей стране наблюдается стабильный рост объемов добычи угля, нефти и природного газа. Кроме всего прочего, она вносит свой вклад в работу металлургической промышленности страны за счет коксующихся углей, сектора производства тепловой энергии за счет энергетического угля, а также обеспечивает химическую промышленность, как сырьем, так и энергоносителями. Угольные запасы России огромны и находятся, практически, во всех регионах страны, крупнейшие разрабатываемые запасы находятся в Кемеровской области (Кузбасс).

Однако, несмотря на это, экологические и социальные последствия для страны являются огромными. Кемеровская область является одной из самых экологически неблагополучных областей страны. Сотни шахт были основным источником разрушения и истощения окружающей среды. Многие шахты ведут свою деятельность без разработки необходимых планов, которые учитывают вопросы безопасности, экологической и социальной ответственности. Среди прочих можно выделить такие проблемы как:

- Угольные породные отвалы, влекущие за собой:

Образование пыли - не покрытые и не озелененные отвалы;

Выбросы токсических веществ - горящие отвалы;

Стоки, попадающие в поверхностные воды и почву, содержащие взвешенные частицы, соли, кислоты и тяжелые металлы;

Стоки, попадающие в подземные воды, содержащие соли, кислоты и тяжелые металлы;

Физическая угроза, связанная с морфологией и устойчивостью отвалов;

Негативный визуальный эффект и изъятие земель

- Оседание грунта:

Оседание грунта [2], эквивалентное 90 % глубины извлеченного слоя, является распространенным следствием угледобычи «старых» угольных районов, например район Урала, Донбасс или Курская магнитная аномалия; для более поздних районов, таких как Ковдор или Кемерово, данное значение порядка 60 %. Характерные негативные последствия в регионе включают в себя 2 компонента. Первый - физическое нарушение инфраструктуры (зданий, дорог, прочее). Второй - подтопление. Если позволить грунтовым водам подняться до первоначального уровня после закрытия шахты (отработки пласта), тогда около 35 % поверхности многих поселков и городов могут быть подтоплены.

- Шахтные воды:

Поскольку добыча угля включает в себя одним из принципиальных элементов откачку подземных вод, которые могли бы затопить шахты, то всегда следует учитывать, что шахтные воды содержат ионы тяжелых металлов и солей, особенно №+ и сульфиды. Шахтные воды откачиваются в пруды-отстойники, где они оседают и проходят необходимую очистку. Но, тем не менее, большое количество шахтных вод просачивается в почву и загрязняет грунтовые воды, а также повышает уровень водоносных горизонтов.

- Метан угольных пластов:

Значительная концентрация метана характерна для многих угольных пластов, разрабатываемых в любом угольном бассейне нашей страны. Управление этим легковоспламеняющимся и взрывоопасным газом является одним из основных вопросов безопасности при ведении добычи. При увеличении объемов добычи опасность просачивания метана из угольных пластов на поверхность возрастает и становится одной из значимых проблем. Движение га-

за может осуществляться через пустоты, такие как стволы, а также разломы и трещины, идущие от пластов и до поверхности.

В контексте функционирования шахт вопрос утечки метана должен всегда находиться под контролем, так как есть опасность явления подземных пожаров, взрывов (ш. Распадская, 2009 г). В некоторых случаях остаточный газ в закрытых шахтах может представлять собой потенциальный экономический ресурс.

Для предупреждения названных проблем или минимизации ущерба от последствий их наступления, в настоящее время, крупнейшие угольно-добывающие организации страны начинают использовать геоинформационных системы (ГИС-систем). ГИС-системы, способные с высокой долей точности прогнозировать развитие процессов, протекающих на шахте с момента ее создания до момента закрытия (прекращения активных геомеханических процессов - оседания почвы, смещения горных пород и т.д., в шахтных полях и выработках после закрытия шахты), дают возможность заблаговременно предупредить возникновение экологических проблем или снизить их возможный ущерб.

На основе современных ГИС-систем возможно построение моделей лав и выработок с окружающим их массивом горных пород. Отразив в таких математических моделях взаимосвязи между геомеханическими процессами, протекающими внутри горных пластов и учитывая оказываемые на угольные пласты непосредственные физические воздействия, возможно построение интегральных компьютерных моделей, способных прогнозировать развитие различных процессов внутри шахты. Имея вероятностные данные о изменениях напряженно-деформированного состояния массива, ослабленного очистными выработками и используя их в компьютерных моделях, можно прогнозировать процессы развития деформаций в массивах горных пород горного отвода предприятия

[3, 4].

В качестве отправной точки исследований нами принята разработка ООО «Геоинфосистем» и Московского государственного горного университета - программный комплекс формирования горно-геологических моделей месторождений полезных ископаемых «Гео+» (Геолог /АРМ-геолога). Данная разработка дает возможность построения геологических компьютерных дискретных моделей горного массива в отводе горного предприятия. В этой среде нами ведутся работы по созданию нового программного при-

ложения, главная цель которого - прогнозирование развития гео-механических процессов вблизи очистного забоя при ведении добычных работ.

Принято за аксиому положение о том [1], что любой массив горных пород изначально при отсутствии выработок всегда находится в равновесном напряженном состоянии (коэффициент тектонических подвижек равен 1). В качестве главной побудительной причины начала процесса деформаций (вплоть до обрушений) принимаются очистные работы - выемка полезных ископаемых и образующиеся пустые полости (при использовании технологий добычи с обрушением вмещающих пород).

Зона моделирования деформаций массивов горных пород вблизи очистной выработки разделена на четыре части (рис. 1).

____________________________________________I

з

I

Рис. 1. Схематический рисунок зоны вблизи очистного забоя:

1 - горный массив ниже забоя; 2 - зоны, в которых наиболее заметно протекание процессов деформации; 3 - угольный пласт и его непосредственная кровля впереди очистного забоя; 4 - зона покрывающих подрабатываемых свит пластов до дневной поверхности

Полагаем: первое - что ниже рассматриваемой зоны нет выработок и, следовательно, отрабатываемая в этой зоне часть угольного пласта не является подрабатываемой. Второе - наиболее заметным протекание процесса деформаций будет в зонах

непосредственно за добычным комплексом (обрушение основной и ложной кровли) и в свите вышележащих пластов, которые подрабатываются при движении очистной выработки на площади вынимаемого участка уголь-ного пласта.

Третье - Влияние очистных работ будет происходить в виде деформаций горного массива в свитах вышележащих пластов и впереди добычного комплекса (отжатие угля, формирование зон опорного давления и т.п.).

Четвертое - деформация затрагивает все вышележащие пласты до дневной поверхности (образование мульды) над вынутым участком угольного пласта.

Процессы деформации во всех моделируемыхя зонах объединяются, во-первых, общими причинами их начала (выемочные работы и сопутствующие им процессы), и, во-вторых, изменения их параметров во времени определяются основными характеристиками пластов и технологических процессов в очистном забое.

Обобщая вышесказанное, можно сказать, что использование передовых ГИС-систем способно существенно помочь в решении минимум трех экологических проблем из числа вышеприведённых:

- Оседание грунта. ГИС-система (речь идет о «Гео+», т.к. ряд ГИС-систем ориентирован на принципиально другие задачи) дает возможность изначально оценить размеры деформации вышележащей над забоем свиты пластов и заранее определить параметры мульды на дневной поверхности.

Это становится достижимым за счет моделирования деформации свиты пластов от ложной кровли очистного забоя до дневной поверхности (обрушение пород кровли вблизи забоя, вид обрушения, обрушение и оседание вышележащих пластов вслед за перемещением забоя);

- Шахтные воды. Имея геологические данные о водоносности пластов, а также о водных линзах в шахтных полях, становится возможным оценить движение подземных вод и места их концентрации, а также возможных мест выхода на поверхность через трещины до дневной поверхности, возможность затопления выработок шахт;

- Метан угольных пластов. ГИС-система, располагая данными о трещиноватости пластов, дает возможность оценить параметры перехода метана в процессе ведения очистных работ в газообразное состояние и моделировать процессы его дальнейшего рас-

пространения. Моделирование процессов обрушения вслед за перемещением очистного забоя позволяет определять размещение так называемых «куполов обрушения» горных пород, в которых и концентрируется большая часть высвобождаемого метана. Зная места концентрации метана, направления воздушных потоков, возможные места выхода газа на поверхность (трещины, сколы, выработки, стволы), можно максимально эффективно прогнозировать процессы перемещения метана, определять вероятности появления чрезвычайных ситуаций или проектировать системы использования этого газа в экономических аспектах.

Использование компьютерного моделирования позволяет решать технические, организационные и экономические задачи в описываемой области исследований, которые ранее были не решаемыми или решались с очень невысокой точностью.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шехурдин В.К. Горное дело. - М.: Недра, 1978 г.

2. Филипп Пек. Оценка рисков в Донецком бассейне. Работа в рамках инициативы ЕЪТГОЕС, 1987.

3. Букринский В.А., Орлова Г.В. Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках.- М.: Недра, 1984 г.

4. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах - М.: Недра, 1986 г.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ ----------------------------------------------

Пасечник Иван Александрович - аспирант кафедры АСУ Московского государственного горного университета, pasechnik_05@list.ru;