РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПОТОКОВ
В ПОДРАБАТЫВАЕМОМ ГОРНОМ МАССИВЕ
2.1. Изменение параметров фильтрации в подрабатываемом массиве
На проседающей территории совмещаются одновременно четыре фактора, влияющие на
положение уровня грунтовых вод:
1) если проседающий участок находится внутри области фильтрации, то
расположенная в нем дрена оседает вместе с ним, благодаря чему ее заглубление
относительно неподвижных границ области фильтрации увеличивается и при этом
достигается больший дренирующий эффект (рис. 2.1);
2) при проседании внешних границ участка (водотоки) и снижении уровня воды в
них прослеживается изменение уровня грунтовых вод на прилегающей территории
(рис. 2.1);
3) снижение земной поверхности на участке проседания приближает ее к уровню
грунтовых вод, уменьшая глубину его залегания;
4) при уменьшении глубины залегания уровней грунтовых вод возрастает величина
расхода воды на испарение, что ведет к снижению уровня грунтовых вод.
Таким образом, суммарное влияние первого, второго и четвертого факторов
приводит к снижению уровней грунтовых вод и увеличению его глубины залегания от
поверхности земли; влияние третьего фактора – уменьшает ее, иногда до размеров,
меньших первоначального.
Задача состоит в том, чтобы количественно оценить роль каждого из
вышеперечисленных факторов и учесть их при выполнении гидродинамических
расчетов дренажей на подрабатываемых территориях.
Рис. 2.1. Характерные случаи высотного положения границ области фильтрации при
просадке: 1 – поверхность земли до подработки; 2 – то же, после подработки; 3 –
подошва водоносного горизонта до подработки; 4 – то же, после подработки; 5 –
положение естественного уровня грунтовых вод; 6 – то же, при изменении
высотного положения области фильтрации; 7 – зона оседания земной поверхности.
2.1.1. Влияние увеличения мощности водоносного горизонта в связи с проседанием
водоупора на положение уровня грунтовых вод
Рассмотрим участки с большой мощностью зоны аэрации, где изменение расхода
влаги на испарение с уровня грунтовых вод не происходит. Расчеты будут
заключаться в определении уклона депрессионной кривой уровня грунтовых вод при
различных просадках водоупора и связанной с этим величиной и (рис. 2.2).
При этом будем предполагать, что величина расхода потока является величиной
постоянной (т.е. расхода влаги на испарение с уровня грунтовых вод в
естественном состоянии нет и он не возникает при просадке, а инфильтрация
атмосферных осадков сохраняется постоянной) как во времени, так и по потоку.
Расход потока определяется по известной формуле Дарси [57]
, (2.1)
где - коэффициент фильтрации водовмещающих пород;
- средняя мощность водоносного горизонта;
- гидравлический уклон потока.
В естественных условиях величина единичного расхода потока для данных
приведенных на рис.2.2 (= 4 м/сут; = 10 м; = 7 м; = 0,003), будет равна 0,102
м2/сут, что отвечает характерным условиям в Западном Донбассе.
При просадке поверхности расход потока сохраняется. Исходя из этого положения
расход потока в пределах расчетных участков 1 и 2 будет равен
= =
или
, (2.2)
Рис. 2.2. Схема к расчету изменения положения уровня грунтовых вод При
увеличении мощности водоносного горизонта и проседании водоупора,
. (2.3)
Расчеты величины гидравлического уклона () по формуле (2.3) и перепада напоров
водоносного горизонта () в пределах участка проседания производились для
различных значений величины просадки и соответственно . Результаты этих
расчетов приведены в табл. 2.1.
Анализ табличных данных позволяет сделать следующий вывод – проседание
осадочной толщи приводит к опусканию водоупора и связанному с этим возрастанию
мощности первого от поверхности водоносного горизонта, что сказывается на
изменении гидравлического уклона грунтовых вод в пределах участка проседания.
При изменении величины просадки от 1 до 5 м, перепад напоров на границах
проседающего участка за счет его мощности изменяется от 0,3 до 0,5 м.
Таблица 2.1
Изменение уклона грунтовых вод и перепада напоров водоносного горизонта при
изменении величины проседания подрабатываемой территории
Еденичный расход грунтового потока, м2/сут
Коэффициент фильтрации, м/сут
Длина проседающего участ- ка , м
Средняя мощность водоносного горизонта, м
Уклон потока, J2
Перепад напоров на границах проседающего участка, Dh, м
Dh, м
2
Величина просадки p, м
0,102
4,0
400
8,5
9,5
10,0
10,5
12,0
12,5
13,0
14,0
14,5
15,0
0,003
0,0027
0,0025
0,0024
0,0021
0,0020
0,0019
0,0018
0,0017
0,0017
1,07
1,00
0,97
0,85
0,82
0,78
0,73
0,70
0,68
0,53
0,50
0,48
0,42
0,41
0,39
0,37
0,35
0,34
0,0
1,0
1,5
2,0
3,5
4,0
4.5
5,5
6,0
6.5
2.1.2. Влияние проседания границ области фильтрации на формирование уровня
грунтовых вод
Исследуем формирование уровня грунтовых вод в однородной толще, когда
происходит проседание части области фильтрации вместе с внешней границей,
расположенной в пределах этого участка. Для этого выполним расчеты уровня
грунтовых вод как в неустановившемся, так и в стационарном режиме.
Для расчета неустановившегося режима грунтовых вод используем метод конечных
разностей Г.Н. Каменского [29].
Рассмотрим профиль протяженностью = 1537 м (что соответствует ширине шахтного
поля), сложенный однородным песком с коэффициентом фильтрации = 4 м/сут и
водоотдачей = 0,1. Профиль с двух сторон ограничен реками № 1 и № 2 (рис. 2.3).
В момент = 0 происходит проседание участка поверхности земли протяженность