- •119991, Москва, гсп-1, Ленинский проспект, 6; Издательство мггу; тел. (095) 236-97-80; факс (095) 956-90-40 «ата»
- •Глава 1. Физические основы динамики
- •Глава 4. Исследование задач плановой
- •Глава 7. Применение принципов и методов динамики подземных вод при гидрогеологических опытных работах и наблюдениях 392
- •Глава 8. Использование методов динамики подземных вод при решении гидрогеологических и инженерногеологических проблем разработки месторождений твердых полезных ископаемых 451
- •Глава 1
- •Элементы гидростатики
- •Гидростатический напор
- •Элементы гидродинамики идеальной жидкости
- •Элементы гидродинамики реальной жидкости
- •О режимах движения
- •Общая физическая характеристика водонасыщенных горных пород
- •Геометрия пор и трещин в горных породах
- •Виды воды в горных породах с позиций задач динамики подземных вод
- •Водонасыщенные горные породы как сплошная среда
- •Подземная гидростатика (напряжения в водонасыщенных горных породах)
- •Емкостные свойства горных пород
- •Гравитационная емкость
- •Упругая емкость
- •Основной закон фильтрации и проницаемость горных пород
- •Коэффициент фильтрации и коэффициент проницаемости
- •Ограничения на закон Дарси
- •Общие представления о статистической теории фильтрации
- •О напряженном состоянии горных пород в фильтрационном потоке (гидродинамическое давление)
- •Общая физическая характеристика
- •Физические основы моделирования геофильтрационных процессов
- •Глава 2 | математические основы теории
- •Гидродинамическая типизация условий движения подземных вод
- •Построение основных дифференциальных уравнений геофильтрации и математические основы моделирования фильтрационных процессов
- •Дифференциальные представления исходных физических закономерностей
- •Расчетная модель жесткого режима фильтрации
- •Расчетная модель упругого режима фильтрации
- •Основные дифференциальные уравнения плановой фильтрации
- •Плановая фильтрация в изолированном напорном пласте
- •Плановая напорная фильтрация при наличии перетекания
- •Плановая фильтрация в безнапорном пласте
- •Раздел 1.4), выражением р
- •Математическая модель плановой фильтрации — условия применимости и основные расчетные схемы
- •Об условиях применимости расчетной модели плановой фильтрации
- •Основные расчетные схемы плановой фильтрации
- •Глава 3
- •Плоскопараллельная (одномерная) стационарная фильтрация
- •0 Формуле Дюпюи и промежутке высачивания
- •Безнапорная фильтрация в слоистом пласте между двумя бассейнами (реками) при отсутствии, инфильтрации
- •Напорно-безнапорная фильтрация между двумя
- •Движение в планово-неоднородном напорном пласте
- •Безнапорное движение между двумя бассейнами (реками) в однородном пласте с наклонным водоупором при отсутствии инфильтрации
- •Плоскорадиальная (одномерная) стационарная фильтрация
- •Задача о фильтрации к скважине в круговом пласте
- •Задача о скважине в пласте с перетеканием
- •Решение задач двухмерной установившейся
- •Метод эквивалентных фильтрационных сопротивлений
- •Общие принципы моделирования задач плановой стационарной фильтрации
- •Сплошные модели из электропроводной бумаги
- •Дискретные модели - сетки электрических сопротивлений
- •Простейшие одномерные решения и пути
- •Фундаментальное решение (задача о подпоре вблизи водохранилища)
- •Задача о плоскорадиальной фильтрации к скважине
- •О возможностях распространения решений
- •Аналитическое исследование нестационарных фильтрационных процессов методами интегральных преобразований
- •Моделирование нестационарных плановых потоков
- •Конечно-разностная форма дифференциальных уравнений
- •Аналоговое моделирование нестационарной фильтрации
- •Исходные представления о схемах численного
- •I 4 I Записать и объяснить математические выражения для граничных условий на скважинах, работающих с постоянным расходом и с постоянным напором.
- •Особенности задач, связанных
- •Общая гидродинамическая характеристика
- •Изменения в подземной гидростатике и гидродинамике при опытной откачке
- •Особенности фильтрационных процессов при опытных откачках
- •Основные расчетные схемы
- •Специфика геофильтрационных процессов в различных типовых условиях проведения опытных опробований
- •О некоторых гидрогеоиеханических эффектах
- •Особенности фильтрационного процесса при откачках из планово-ограниченных и планово-неоднородных пластов
- •Анализ влияния технических факторов
- •Значение несовершенства центральной скважины по степени вскрытия пласта
- •Значение несовершенства наблюдательных скважин по степени вскрытия пласта
- •Значение непостоянства расхода откачки
- •Роль скин-эффекта центральной скважины
- •Роль скин-эффекта центральной скважины
- •Инерционность наблюдательных скважин
- •Принципы диагностики данных офр
- •Глава 6 I теория миграции подземных вод 1и основы теории влагопереноса
- •Конвективный перенос в подземных водах
- •Конвективный перенос, осложненный физико-химическими процессами
- •6.1.4. Задача об определении скорости фильтрации скважинной резистивиметрией (термометрией)
- •Молекулярная диффузия и гидродисперсия
- •0 6.2.2. Задана о диффузион
- •Конвективно-дисперсионный перенос в однородных водоносных пластах
- •Фундаментальное решение
- •Задача о запуске пакета индикатора
- •Особенности массопереноса в гетерогенных водоносных системах
- •Общие представления о макродисперсии
- •Макродисперсия в гетерогенных системах упорядоченного строения
- •Макродисперсия в гетерогенных системах неупорядоченного строения
- •Процессы теплопереноса в подземных водах — общие представления и простейшие задачи
- •Об аналогии между процессами тепло- и массопереноса
- •Определение миграционных параметров лабораторными методами
- •Опыты с относительно хорошо проницаемыми грунтами
- •Опыты с относительно слабопроницаемыми грунтами
- •Полевые опытно-миграционные работы
- •Общие вопросы индикаторного опробований водоносных пластов
- •Методика полевого индикаторного опробования
- •11 Мгновенный подъем концентрации индикатора и
- •3 Импульсный ввод — создание больших концентрации индикатора за весьма малый промежуток времени, в течение которого весь индикатор поступает в пласт.
- •Физические основы влагопереноса в горных породах при неполном водонасыщении
- •Общая энергетическая характеристика процесса влагопереноса
- •Закон движения влаги*
- •Постановка и решение простейших задач вертикального влагопереноса
- •Дифференциальное уравнение и граничные условия
- •(Третье равенство); тогда
- •Простейшая задача вертикального просачивания
- •Особенности движения влаги при опробовании пород зоны аэрации наливами в шурфы
- •Глава 7
- •Методика постановки и проведения опытно-фильтрационных работ
- •Виды офо и области их применения
- •Постановка опытных опробований
- •Конструкция и расположение опытных скважин при откачке
- •Режим опытной откачки
- •Продолжительность опытной откачки
- •Определение фильтрационных параметров по данным режимных геофильтрационных наблюдений1
- •Общие представления
- •Прямое определение параметров
- •Прямое определение параметров на основе
- •Об интерпретации данных режимных наблюдений на эвм методами целенаправленного поиска
- •На модели проводится прогнозный расчет первоочередного водоотбора;
- •Методика опытно-миграционных работ1
- •Планирование миграционных опытов
- •Конкретные примеры
- •Общие положения
- •Геофильтрационные наблюдения вблизи бассейнов промышленных стоков
- •Наблюдения за качественным составом подземных вод
- •Общие принципы гидрогеологической схематизации в связи с постановкой опытных работ и наблюдений
- •Принцип непрерывности ггс
- •Принцип адаптации
- •Принцип обратной связи
- •Анализ деформаций и устойчивости пород при горных разработках
- •Осадка толщ горных пород при глубоком водопонижении
- •Оползни бортов карьеров, вызыванные напорными водами
- •Фильтрационные деформации пород вблизи горных выработок
- •Изучение деформаций горных пород над выработанным пространством
- •Обоснование дренажа как метода борьбы
- •Влияние дренажа на напряженное состояние пород в откосах
- •Раздел 8.3.3), нетрудно свести такой расчет к простейшей одномерной задаче о бесконечной цепочке скважин. Для этого используется метод эквивалентных фильтрационных сопротивлений (см. Раздел
- •Дренаж как метод борьбы с фильтрационными деформациями откосов
- •8.2.3. Водопонижение при проходке шахтного ствола
- •8.3.1. Обцая характеристика прогнозной ситуации
- •Прогноз процессов загрязнения подземных вод в горнодобывающих районах
- •Цели прогноза и элементы предварительной схематизации
- •Прогнозные оценки процессов загрязнения подземных вод аналитическими методами
- •Основные представления о математическом ¥ моделировании процессов загрязнения подземных вод
- •Краевые условия фильтрации
Принцип обратной связи
Этот принцип определяет важнейшую позицию схематизации как связующего звена между гидрогеологическими изысканиями и наблюдениями, с одной стороны, и характером работы инженерного сооружения — с другой. Из него следует, что эффективность гидрогеологической разведки решающим образом зависит от степени учета (при ее постановке и проведении) требований, вытекающих из предполагаемого гидродинамического и гидрохимического режима подземных вод в процессе возведения в эксплуатации инженерного сооружения. Так, при разведке месторождения вблизи крупной реки основная задача опытных опробований сводится к определению проводимости на участке между рекой и будущей горной выработкой: ввиду предполагаемой быстрой стабилизации режима фильтрации определению емкостных свойств пласта может отводиться подчиненная роль. Наоборот, при разведке пластового месторождения, приуроченного к закрытой мульдообразной структуре, надёжность оценки именно емкостных свойств пород должна иметь решающее значение для прогноза динамики водопритоков в горные выработки (см. раздел 8.1).
Другой пример относится к угольному месторождению, где ниже пласта угля под мощным пластом водоупорных аргиллитов залегает слой песчаников с напорными водами. Если месторождение будут разрабатывать подземным способом, то опытно-фильтрационные исследования в песчаниках можно вообще не проводить, так как этот водоносный горизонт не будет влиять ни на водопритоки в шахту, ни на устойчивость горных выработок. Наоборот, при разработке карьером именно этот водоносный горизонт, способный вызвать крупные оползни (см. раздел 8.2), будет нуждаться в проектировании специальных дренажных мероприятий и, следовательно, разведка должна обеспечить определение его фильтрационных параметров. -
На этих примерах мы проиллюстрировали значение схематизации, учитывающей условия работы сооружения, для постановки изысканий. Еще более ясно, что и сама схематизация не может быть эффективной, если она не учитывает эти условия: грубо говоря, схематизация «вообще», схематизация геологического объекта как такового, в инженерной гидрогеологии во многом лишена смысла.
Важнейшим аппаратом для реализации принципа обратной связи является анализ чувствительности. В простейшем варианте он сводится к сопоставительной оценке условий работы сооружения при независимых вариациях расчетных параметров. Например, если, согласно предварительной схематизации, основные притоки к карьеру определяются наличием ограниченной по простиранию зоны высокопроницаемых карбонатных пород, то проводят серию «прикидочных» расчетов по средним значениям параметров этой зоны (найденных к данному моменту изысканий) и их усредненным отклонениям в неблагоприятную сторону. По различиям в результирующих значениях водопритока оценивают полноту и качество исходной информации. Так, благодаря анализу чувствительности расчетной модели выделяются участки, на которых необходимо первоочередное наращивание информации, причем ясно указывается, какие именно расчетные параметры нуждаются в серьезном уточнении, а какие являются малозначащими. И здесь мы приходим к идее самообучения гидрогеологических изысканий и наблюдений, реализация которой имеет решающее значение для их оптимизации. Последнее особенно справедливо для гидрогеологических наблюдений, когда принцип «двигаясь, учись» оказывается обязательным условием эффективного инженерного решения.
На рис. 7.6 представлен схематический разрез водоносных комплексов, которые могут принимать участие в обводнении горных выработок при добыче железной руды на одном из месторождений КМА. Верхний комплекс, представленный горизонтально залегающими карбонатными породами, является наиболее водообильным, проводимость его составляет около 100 м2/сут. Нижний комплекс крутопадающих руднокристаллических пород имеет относительно высокую проницаемость только в пределах рудной полосы шириной около 400 м — здесь его проводимость достигает 70 м2/сут. Водоносные комплексы отделены друг от друга толщей относительно водоупорных пород, которая, однако, практически выклинивается в пределах рудной полосы.
При разработке месторождения карьером оба водоносных горизонта будут вскрыты горной выработкой, и фильтрация к ней будет носить преимущественно плановый характер (см. рис. 7.6,а). Поэтому опытно-фильтрационные исследования могли бы, как обычно, ограничиться оценкой горизонтальной проницаемости водоносных комплексов , которая и отражена в приведенных выше значениях проводимости. Однако при подземной разработке добычные горные выработки будут вскрывать лишь руднокристаллическую толщу, так что карбонатный комплекс будет обводнять их не непосредственно, а за счет вертикального перетока — в основном в пределах рудной полосы (см. рис. 7.6,6). Оценить этот процесс можно лишь при наличии данных о вертикальной проницаемости разделяющих, а также руднокристаллических пород, определение которых по результатам ОФР весьма затруднительно. По крайней мере на рассматриваемом месторождении эти данные отсутствовали. Оценим возможные отрицательные последствия, связанные с отмеченной неполнотой информации; при этом будем ориентироваться на проектный вариант дренажа, согласно которому по карбонатной толще проходятся дренажные штреки — для предотвращения поступления воды из нее в добычные выработки в руде (согласно схеме на рис. 7.6,в).
поп 1
московский 2
ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ 4
вод 4
О, = ос-G„ =(Д„ — Д0)(1 -n)-z=y,-z, 44
/=^а«..с.й, ш 85
шшшш 145
^(4^)+f,(r'5)+£=°- 176
1±шл ' 280
ДШш§ 443
2 // /v/Wv/y/WWv/v/Vi
v / IV I b/£yj^vjv^.
г ” ЕЭ<
~~ raz
73;J-7-J-T -XT-X^-L: 'T, -f-T ~1 ХПХ.—я,
ДШш§
Рмс. 7.6. Схемы фильтрационных потоков к горным выработкам: а - при вскрытии месторождения карьером; б-г - при подземной выемке руды; 1 - карбонатный водоносный комплекс; 2 - относительно водоупорные породы; 3 - руднокристаллический водоносный комплекс; 4 - породы рудной полосы; 5 - преобладающие направления движения подземных вод. цифрами на рисунке обозначены: 1 - карьер; 2 - подземные добычные выработки; 3 - дренажные штреки
Если параметры вертикальной проницаемости окажутся низкими, то профильная структура потока, действительно, будет соответствовать проектным представлениям. В противном же случае горные выработки, пройденные в руднокрйсталлической толще, кардинально изменят эту структуру — за счет интенсивного вертикального перетока (см. рис. 7.6,г); тоща выработки в карбонатной толще окажутся практически бесполезными.
Следовательно, в создавшейся ситуации проект не может считаться окончательным без дополнительной информации о параметрах вертикальной проницаемости. Так как эту информацию могут принести лишь дорогие (крупномасштабные и длительные) эксперименты , то разумно ориентироваться на специальное водопониже- ние, придав ему одновременно и опытные, и эксплуатационные (т.е. целесообразные по условиям отработки месторождения) функции. Например, проводя откачку из руды группой эксплуатационных скважин, можно с их помощью добиться необходимого снижения напоров на участке первоочередного вскрытия рудного тела. Если же при этом будет должным образом оборудована также дополнительная группа наблюдательных скважин, то такое водопонижение одновременно выполнит роль эксперимента, направленного на оценку искомых параметров вертикальной проницаемости. Обработав результаты опытно-эксплуатационного водопонижения, можно будет принять окончательные проектные решения относительно схемы дренажа месторождения.
В целом последовательная реализация трех рассмотренных здесь принципов схематизации позволяет подойти к проведению изысканий и наблюдений как к элементам единого процесса моделирования гидрогеолоигческих условий изучаемого объекта. Роль собственно схематизации в этом процессе весьма многогранна. В частности, важно, что она позволяет увязать разнородную информацию в рамках единой расчетной модели, оценить полноту и качество информации, достоверность модели в целом (точнее — возможность модельного представления объекта на требуемом уровне адекватности). Наконец, ясно, что именно посредством последовательной схематизации, поэтапного построения расчетной модели осуществляется управление разведочным процессом.
Можно надеяться, что простейшие примеры этого раздела помогли вам убедиться в том, насколько большое значения для эффективности гидрогеологической схематизации имеет компетенция гидрогеолога в сфере динамики подземных вод. Обратим внимание, что примеры эти были выбраны из области гидрогеологических исследований на месторождениях полезных ископаемых, благодаря чему содержание данного раздела позволяет теснее связать эту главу с последующей.
Имея в виду большие глубины залегания водоносных пород (более 400 м).
| ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ДИНАМИКИ
I
I ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ РЕШЕНИИ | ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ | И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ | ПРОБЛЕМ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ | ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Продолжая начатое в гл. 7 ознакомление с возможными эффективными приложениями теории ДПВ, мы рассмотрим ряд достаточно сложных инженерных задач, возникающих при гидрогеологическом и инженерно-геологическом анализе условий разработки месторождений твердых полезных ископаемых. Такой выбор объясняется как исключительной практической и, в частности, экономической важностью этого направления гидрогеологических и инженерно-геологических исследований [9, 26 ], так и сложностью и большим разнообразием решаемых задач. В первых двух разделах рассматриваются задачи смешанного — гидрогеомеханического — характера, имеющие прямое отношение и к гидрогеологическим, и к инженерно-геологическим исследованиям (впрочем, то же можно сказать и о последнем разделе гл. 7). В заключительных двух разделах разобраны методы прогноза гидродинамического и гидрохимического режима подземных вод, поэтому раздел 8.3 полезно прочитать сразу после гл. 4, а раздел 8.4 — после 6.4.
Остается еще заметить, что, за редкими исключениями, анализируемые здесь задачи представляют интерес не только для горного дела, но и для многих других отраслей народного хозяйства, применительно к которым ведутся гидрогеологические и инженерно-геологические исследования.