ГЛАВА 2
ОБОСНОВАНИЕ И АПРОБАЦИЯ МОДЕЛЕЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ГОРНОМ МАССИВЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
2.1. Концепция моделирования гидродинамических процессов
на шахтных полях
Предлагаемый подход [104] базируется на применении аналитических, численных и имитационных моделей, использующих феноменологические законы и статистические методы для описания многофакторных процессов в массиве, нарушенном горными работами (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Принципы классификации моделей гидрогазодинамических (ГГД) процессов в ГТС горнопромышленного региона
Созданный комплекс моделей предназначен для составления прогнозов нестационарных физико-химических процессов, протекающих в геотехнических системах, а также долговременных последствий, затрагивающих их наиболее подвижные элементы: гидросферу, атмосферу, агроэкосистемы.
Связь между параметрами моделей выражается функциональными (обычно нелинейными), либо стохастическими соотношениями. Характеристики распределенных параметров определяются по результатам статистической обработки измерений, а вид распределения выбирается исходя из анализа горно-геологических условий на реальном объекте и оцениваемого параметра.
Обобщенно связи между исходными параметрами и расчетными характеристиками можно представить в табличном виде (табл. 2.1). Необходимость учета разномасштабных процессов приводит к тому, что те же параметры в различных моделях могут рассматриваться как детерминированные (обычно статистически усредненные) или как распределенные. Предложенные зависимости между параметрами соответствуют современному состоянию мониторинга в горнопромышленных районах и степени подготовки исходных данных.
При высоком уровне компьютерных моделей возможность сопоставления результатов расчетов с данными наблюдений зависит главным образом от полноты и достоверности экспериментов. Среди указанных в табл. 2.1 параметров наиболее представительны измерения фильтрационных характеристик (напора, расхода), в меньшей степени - миграционных и газодинамических процессов, что связано с приоритетом и спецификой ведения горных работ.
Ряд параметров и расчетных характеристик задаются в виде многомерных случайных величин или случайных полей. Для таких параметров в любой точке массива P в момент времени t выделяются закономерная и случайная ?? составляющие
. (2.1)
Пусть ?(t) - случайный многомерный процесс, описывающий пространственно-временные изменения ГГД параметров или расчетных характеристик, ?i=?(ti) - фактические значения этих параметров в моменты времени ti, ?i,m - измеренные в системе опорных точек - пунктов наблюдения с некоторой погрешностью в те же моменты, ?i,c - значения, рассчитанные на основании моделирования. Задача оптимального прогнозирования на основе неполных исходных данных состоит в минимизации математического ожидания погрешностей прогнозируемых величин на интервале времени :
. (2.2)
В качестве ограничений используются распределения параметров, области их изменения и достоверного определения, а также внешние, плохо прогнозируемые факторы. При решении вычислительной задачи (2.2) приходится выполнять часто не поддающуюся формализации процедуру оптимизации модели с точки зрения способа реализации и адаптации (рис. 2.1).
В табл. 2.1 приняты следующие обозначения: H - напор (уровень) подземных вод; Hm - уровень шахтных вод; Q - водоприток в шахту; Qtr - расход перебрасываемых вод из одной шахты в другую; Cgw, Cm и Cgr - концентрации веществ в подземных, шахтных водах и в поровом растворе верхних слоев грунта; qgw и qsw - массопотоки в грунтовые и в поверхностные воды; Pw - давление рудничного газа в выработках; Qg - его поток через массив и систему вентиляции; Catm - концентрация газообразных примесей и пыли в атмосфере. Обозначения для параметров, задаваемых для расчета, следующие: K - коэффициент фильтрации; ? - раскрытие трещин, ? и ? - азимут и угол их падения; n и Vf - пористость (трещиноватость) и объем трещин в части массива; m - мощность водоносных и водоупорных слоев; Hb - напор на границе области фильтрации; ? - инфильтрация; Df и Dg - коэффициенты диффузии водных растворов и газов в горных породах; ne и ? - параметры сорбции и нейтрализации (распада) веществ в горных породах; ?g - плотность газа в выработках; ? - водонасыщенность пород, Vw - объем выработанного пространства, dw - размер выработок; pg - газоносность пород; qex - темпы добычи углесодержащих пород; ? - концентрация метана в рудничном газе, Cs, qs - концентрация веществ в шахтных породах и скорость их выщелачивания; u - скорость ветра, ?g - параметр осаждения и поглощения примесей из атмосферы на поверхности земли; dp - гранулометрический состав пылевых выбросов; V - скорость фильтрации.
Таблица 2.1
Взаимосвязь основных параметров ГГД процессов
Рассчитываемые
параметры
СДПараметры, задаваемые для расчетаK?, ? ?n, VfmHb?Df, Dgne??g?pgVw, dwqex?Cs, qsu?gdpH, VHС+?+?+?+++?------+!-----?HmВ+?+?+++?------+!-----+?QВ+?++++?------+!-+---+?QtrВ++?++++------+!-+---+?CgwН+?+?++-++++-+?-+--+?-+++CmС+?+?++-+?+++-+-++-+?---+?CgrС++?++-+?+++-+?--+-+?++-+qswН+-+++++++------+?---+qgwН+-+++++++-+--+-+?---+PwН+?+?+++-+--!+!+!+----+QgН+?+?+++----!+!+!+----+CatmВ-----++----+-!++?+?++-
В табл. 2.1 также обозначено: "!" - достоверно определяемый параметр, "?" - распределенный параметр или случайная величина (функция, процесс), "+" - статистически оцениваемый параметр; "-" - определение не обязательно; СД - возможность сопоставления с исходными данными: "Н" - низкая, "С" - средняя, "В" - высокая
На этапе построения гидрогазодинамических моделей решаются следующие основные задачи: 1) разбиение массива на структурные элементы (слои, блоки), 2) построение полей проницаемости, пор
- Київ+380960830922