Исследование гидрогеологических условий угольных месторождений на постэксплуатационным этапе с использованием гидродинамического моделирования (на примере Кизеловского угольного бассейна, Западный Урал, Россия)

Добыча угля в Кизеловском угольном бассейне сопровождалась интенсивным шахтным водоотливом, осушением как угольных толщ, так и гидравлически связанных с ними водоносных горизонтов пород, формированием обширных депрессионных воронок в районах отрабатываемых шахт, перемещением больших масс горных пород, образованием провалов над выработанным пространством. Эти процессы привели к существенным изменениям фильтрационных характеристик водоносных горизонтов и условий питания подземных вод по сравнению с естественными условиями. После прекращения водоотлива сформировалось 19 участков разгрузки кислых шахтных вод, которые являются источником загрязнения гидросферы. Для выбора инженерных мероприятий, направленных на улучшение экологической обстановки, потребовалось оценить балансовые составляющие, участвующие в формировании этих очагов разгрузки подземных вод. Необходимая точность прогноза при оценке балансовых составляющих вод, участвующих в формировании участков разгрузки как в настоящее время, так и при реализации инженерных мероприятий, может быть достигнута путем воспроизведения методами математического (геофильтрационного) моделирования гидродинамической истории отработки месторождений. Подземные воды на территории Кизеловского угольного бассейна формируются в пределах изолированных бассейнов поверхностного стока. Для определения внешних границ моделей использовался подход, основанный на анализе геологического, тектонического строения территории, фильтрационных свойств пород с учетом геоморфологического положения бассейна для обеспечения корректного сопряжения границ локальных моделей. Исходными данными для выполнения работы послужили результаты многолетних режимных наблюдений при отработке угольных шахт, обобщение я геолого-гидрогеологической информации (материалы из 202 отчетов и источников 1937—2017 годов, информация по 23,4 тыс. м горных выработок). На основании анализа выполнено обоснование основных параметров восьми геофильтрационных моделей, определены внешние и внутренние граничные условия, проведена стратификация каждой из моделей. Значение инфильтрационного питания для рассматриваемой территории было принято на основании оценок, выполненных в разные годы при изучении естественного режима подземных вод в процессе эксплуатации шахтного водоотлива, и анализа расходов очагов разгрузки подземных вод после затопления. Разработанные гидродинамические модели использованы для оценки эффективности реализации инженерных мероприятий путем анализа изменения балансовых составляющих вод, участвующих в формировании очагов разгрузки подземных вод в настоящее время и при осуществлении планируемых инженерных мероприятий. Рассмотрены такие варианты: тампонаж скважин и шахтных стволов, устройство перемычек в шахтных выработках, закачка реагента в подземное пространство, отвод поверхностного стока, откачка подземных вод выше по потоку.

Рыбников П.А., Рыбникова Л.С., Максимович Н.Г., Деменев А.Д. Исследование гидрогеологических условий угольных месторождений на постэксплуатационным этапе с использованием гидродинамического моделирования (на примере Кизеловского угольного бассейна, Западный Урал, Россия) // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 3-1. — С. 475–487. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-475-487.

Исследования выполнены в рамках Программы фундаментальных научных исследований РАН, тема 0328—2019—005 в соответствии с планом 2019—2021 гг. и при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19—05—50073.

Рыбников Петр Андреевич^1,2 — канд. геол.-минерал. наук, зав. Лабораторией геоинформационных и цифровых технологий в недропользовании, доцент кафедры инженерной экологии, ribnikoff@yandex.ru,
Рыбникова Людмила Сергеевна¹ — докт. геол.-минерал. наук, главный научный сотрудник лаборатории экологии горного производства, luserib@mail.ru,
Максимович Николай Георгиевич³ — канд. геол.-минерал. наук, заместитель директора по научной работе, nmax54@gmail.com,
Деменев Артем Дмитриевич³ — канд. геол.-минерал. наук, старший научный сотрудник лаборатории геологии техногенных процессов, demenevartem@gmail.com,
¹ Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58,
² Уральский государственный горный университет, 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30,
³ Естественнонаучный институт «Пермский государственный национальный исследовательский университет», г. Пермь, Россия, 614990, ул. Генкеля 4.

1. Ежов Ю.А. Карст и гидрогеология Кизеловского угольного района в связи с отработкой глубоких горизонтов месторождений: дисс. канд. геол.-мин. наук. АН СССР, Уральский филиал, Кунгурский стационар, 1962. — 237 с.

2. Копылов И.С. Подземные воды западного склона Среднего Урала и их перспективы для водоснабжения // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 6—3. С. 460—464.

3. Максимович Н.Г., Пьянков С.В. Кизеловский угольный бассейн: экологические проблемы и пути решения // Перм. гос. нац. иссл. ун-т. Пермь, 2018. 288 с.

4. Щербаков О.А., Щербакова М.В., Головин В.П. Государственная геологическая карта СССР масштаба 1:200000. Серия Пермская. Листы О-40-X и О-40-XYI. Пермский филиал ФГУ «ТФИ по Приволжскому федеральному округу». 1989.

5. Имайкин А.К., Имайкин К.К. Гидрогеологические условия Кизеловского угольного бассейна во время и после окончания его эксплуатации, прогноз их изменений // Перм. гос. нац. иссл. ун-т. Пермь, 2013. 112 с.

6. Chiang W.H., Kinzelbach W. 3D-Groundwater Modeling with PMWIN. First edition. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 2001. 346 р.

7. Zheng C., Wang P.P. MT3DMS: A Modular Three-Dimensional MultiSpecies Transport Model for Simulation of Advection, Dispersion and Chemical Reactions of Contaminants in Groundwater Systems; Documentation and User’s Guide, Report no : SERDP-99—1, U.S. Army Engineer Research and Development Center, Vicksburg, MS. 1999.

8. Корнилков С.В., Рыбников П.А., Ведерников А.С., Панжин А.А. О концепции создания геоинформационной системы «Безопасность природои недропользования» // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2017. № 523. С. 32—42.

9. Рыбникова Л.С., Рыбников П.А. Гидрогеологические исследования в горном деле на постэксплуатационном этапе // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2018. С. № 4. С. 25–39.

10. Maksimovich N., Khmurchik V., Demenev A., Sedinin A., Berezina O. The General Concept of Kizel Coal Basin Remediation // Mine Water: Technological and Environmental Challenges: proceedings of International Mine Water Association Conference 2019, 15—19 July 2019, Perm, Russia, 2019. pp. 736—740.

11. Skousen, J., Zipper, C.E., Rose, A., Ziemkiewicz P.F., Nairn R., McDonald L.M., Kleinmann R.L. Review of Passive Systems for Acid Mine Drainage Treatment (2017). Mine Water Environment. V 36. pp. 133—153.

12. Wolkersdorfer C. Water Management at Abandoned Flooded Underground Mines. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008. 465 p.

13. Печеркин И.А. Подземные и шахтные воды Кизеловского каменноугольного бассейна: дисс. канд. геол.-мин. наук, г. Молотов, 1955. Молотовский государственный университет им. А.М. Горького. 313 с.

14. Герасименко Б.Н. Оценка обеспеченности населения Пермской области ресурсами подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения (II этап). ПермьМосква, «ГИДЭК». 2002.

15. Rybnikov P., Rybnikova L., Maksimovich N. Post mining hydrodynamics of the karst aquifers in Kizel coal basin (the West Urals, Russia) // Toward Sustainable Management of Groundwater Resources: proceedings of 4th Conference of the IAH CEG (Central European of IAH), 19—20 June, 2019, Donji Milanovac, Serbia, 2019. pp. 70—71.

16. Rybnikova L.S., Rybnikov P.A. Ecological and Hydrogeological Problems of the Old Industrial Regions of the Middle Urals (Russia) IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 272 022209. 2019. doi:10.1088/1755—1315/272/2/022209