PROGNOZA PRILIVA VODA U RUDARSKE RADOVE

Transcript

1 Osnovi hidrogeologije XV POGLAVLJE PROGNOZA PRILIVA VODA U RUDARSKE RADOVE

2 PROGNOZA PRILIVA VODA U RUDARSKE RADOVE OSNOVNI ZADACI HIDROGEOLOŠKIH PRORAČUNA ZA POTREBE ODVODNJAVANJA Hidrogeološki proračuni, vezani za veličinu inu priliva u buduće e rudarske radove, vrše e se u cilju: određivanja opšteg priliva u drenažne ne objekte i rudarske radove, ocene raspodele priliva među drenažnim nim objektima i rudarskim radovima (takav raspored obično proističe e iz tehnoeko-nomske nomske analize), određivanja trajanja odvodnjavanja i vremena neophodnog za postizanje potrebnog efekta odvodnjavanja, određivanja položaja nivoa vode u neposrednoj blizini radova (ovo drugo je posebno važno obzirom da odvodnjavanje rudarskih radova može e izazvati posledice na vodozahvatnim objektima za vodosnabdevanje, a koji se nalaze u širem području) i ocene kvaliteta voda koje se ispumpavaju i bezopasnost njihovog odstranjivanja van zone radova.

3 FAKTORI KOJI USLOVLJAVAJU FORMIRANJE PRILIVA VODA U RUDARSKE RADOVE Na formiranje priliva rudničkih voda utiče e niz faktora, koji se mogu podeliti u dve grupe: grupa prirodnih i grupa vešta tačkih faktora. U grupu prirodnih faktora spadaju: osnovne zakonomernosti kretanja podzemnih voda u uslovima rudarskih radova, moguće e izmene vodopropusnosti stena u granicama datog ležišta, osobenosti geološke strukture ispitivanog dela rudnog polja, karakter toka podzemnih voda, koji se javlja u procesu odvodnjavanja anja iz sistema rudarskih radova, konture oblasti hranjenja i veličina ina radijusa depresije rudarskih radova, konfiguracija dela rudarskih radova i polja i njihov fiktivni prečnik, veličina ina dela zone isticanja podzemnih voda u konturama rudarskih radova. U grupu vešta tačkih faktora spadaju: primenjena metoda eksploatacije i uticaj nagiba rudarskih radova na prilive.

4 METODE PROGNOZIRANJA PRILIVA RUDNIČKIH VODA U zavisnosti od hidrogeoloških uslova i odgovarajućih podataka, određivanje priliva u rudarske radove vrši i se sledećim metodama: metoda hidrogeološke analogije, hidraulička metoda, metoda vodnog bilansa, hidrodinamička metoda sa korišćenjem analitičkih proračuna i hidrodinamička metoda matematičkim modeliranjem.

5 HIDRODINAMIČKA METODA SA KORIŠĆENJEM ANALITIČKIH PRORAČUNA Pored određivanja opštih priliva voda, hidrodinamička metoda omogućava i prognoze razvoja depresionih i pijezometarskih linija. Ovom metodom je moguće odrediti parcijalne prilive u objektima za odvodnjavanje kao i u samim rudarskim radovima. Pri oceni opšteg priliva u sistem rudarskih radova neophodno je uporedo sa hidrogeološkim faktorima definisati i rudarske osobenosti kao što su: kapacitet proizvodnje rude, način eksploatacije, intenzitet eksploatacije i sl. Analitički proračuni. Baziraju se na zavisnostima dinamike podzemnih voda. Na osnovu rezultata analize tehnogenih i hidrogeoloških uslova treba uraditi filtracionu računsku šemu izučavanog objekta, koji karakteriše e granice filtracije toka u planu i profilu u narušenim uslovima. U osnovne tipske računske šeme u praksi eksploatacije rudnih ležišta spadaju: sloj neograničen en u planu koji ima značajnu ajnu površinu rasprostranjenja, sloj poluograničen u planu sa jednom granicom hranjenja (postojan pritisak, na primer u reci), sloj sa različitim itim uslovima hranjenja i dreniranja u granicama rasprostranjenja a i sloj-krug koji ima ograničenu površinu rasprostranjenja prvenstveno sa nepropusnim konturama.

6 U praksi se često u određenim uslovima grupa bunara zamenjuje jednim velikim bunarom sa ekvivalentnim poluprečnikom i sumarnim proticajem (Qsum). Za slučaj da se taj bunar nalazi u centru zamišljenog prstena, a grupa bunara po obodu kružnog prstena (sl. XV.1), na udaljenju: onda je: x =x 1 2 =x 3 =x 4 =x 5...=x n =r v Q sum =n Q Za slučaj izdani sa slobodnim nivoom (slika( XV.1.a), sumarni doticaj u veliki bunar se može e sračunati iz sledeće e formule: gde su: S 0 - depresija u centru velikog bunara (m), R v - radijus uticaja velikog bunara u smislu Dipija (m) i r v Q sum ( = 1,36 k 2H lg R - radijus (poluprečnik) velikog bunara (m), H - statički nivo podzemnih voda (m) i k - koeficijent filtracije vodonosne sredine (m/s). v S 0 ) S lg r v 0

7 Slika XV.1. Šema za proračun priliva podzemnih voda u veliki bunar (Trojanski i dr., 1960) a). vodonosni horizont sa slobodnim nivoom; b). vodonosni horizont sa nivoom pod pritiskom

8 Za slučaj izdani sa slobodnim nivoom (slika( XI.2.a), sumarni doticaj u veliki bunar se može e sračunati iz sledeće e formule: gde su: S 0 - depresija u centru velikog bunara (m), R v - radijus uticaja velikog bunara u smislu Dipija (m) i r v Q sum ( = 1,36 k 2H lg R - radijus (poluprečnik) velikog bunara (m), H - statički nivo podzemnih voda (m) i k - koeficijent filtracije vodonosne sredine (m/s). v S 0 ) S lg r v 0

9 PRIMENA METODE MATEMATIČKOG MODELIRANJA ZA PROGNOZE PRILIVA U RUDARSKE RADOVE Rešavanje prognoznih hidrogeoloških zadataka pomoću u metode matematičkog modeliranja vezanih sa mogućim prilivima u rudarske radove, bez obzira na složenost hidrogeoloških uslova u kojima se nalaze rudna ležišta, ima niz preimućstava u odnosu na analitičke proračune. Ono pre svega omogućava: preciznije izučavanje konfiguracije složenih graničnih nih uslova filtracionog toka u planu i profilu, određivanje uslova hranjenja podzemnih voda, određivanje prostorne filtracione nejednorodnosti vodonosnih stena, povećanje tačnosti proračuna hidrogeoloških parametara vodonosnih onosnih stena i stena koje razdvajaju vodonosne horizonte, kvantifikaciju elemenata bilansa i izvršavanje viševarijantnog rešenja enja primenjenih prognoznih zadataka i izbor najoptimalnije varijante koja omogućava najefektnije odvodnjavanje rudarskih radova i uspostavljanje racionalnih mera zaštite prirodne sredine.

10 POJAM MATEMATIČKOG MODELA STRUJANJA PODZEMNIH VODA U zavisnosti od različitih itih kriterijuma, matematički modeli se mogu grupisati na različite ite načine: determinističke modele, ako se modelom simulira strujanje podzemnih voda u sklopu sa fizičkim procesima (koji je kao zakon strujanja izražen odgovarajućom om diferencijalnom jednačinom) i stohastičke modele koji u sebi sadrže e više e ili manje slučajnu komponentu (odstupanje neke veličine ine ili pojave od onih datih zakonom, odnosno o utvrđenim funkcionalnim vezama). Dakle stohastički model obavezno sadrži i i određeni stepen verovatnoće pojave. Numeričke metode rešavanja sistema jednačina mogu biti: metoda konačnih nih priraštaja, metoda konačnih nih elemenata, metoda graničnih nih elemenata itd.

11 Takođe postoje i različite ite metode rešavanja sistema jednačina: eksplicitna, implicitna, Gausova metoda eliminacije, metoda alternativnih pravaca, metoda konjugovanih gradijenata itd. U rešavanju praktičnih problema korišćenjem metode matematičkog modeliranja, dolaze do izražaja aja dva konceptualno različita ita pristupa rešavanja. To je rešavanje: direktnog zadatka i inverznog zadatka.

12 ELEMENTI MATEMATIČKOG MODELA Osnovni elementi matematičkog modela se mogu predstaviti na sledeći i način: Skup jednačina ina - ustvari to je kompjuterski program, kom-pletan matematički aparat, koji pored sistema jednačina kojima se opisuje analizirano strujanje, uključuje uje u sebi i numeričke metode njihovog rešavanja, postupke zadavanja ulaznih parametara i izbore i načine prezentacije dobijenih rezultata. Reprezentativni parametri prirodne sredine obično su to geometrija, filtracione karakteristike oblasti strujanja (poroz-ne sredine), hidrogeološke pojave, objekti, itd. Početni i konturni (granični) ni) uslovi stanje režima podzem-nih voda u odnosu na koje se proračun nadovezuje. U stacionarnim uslovima strujanja, konturni uslovi su fiksni, dok u nestacionarnim oni mogu m da se menjaju tokom vremena.

13 FAZE IZRADE MATEMATIČKOG MODELA U formiranju matematičkog modela strujanja podzemnih voda i radu sa njim može e se razlikovati više e faza, od kojih se neke ponavljaju ili međusobno prepliću. Generalno se mogu izdvojiti: faza izrade matematičkog modela, faza eksploatacije modela (simuliranje i prognoza režima podzemnih voda). Definisanje problema, teorijska razmatranja, izbor karakteristika modela Priprema ulaznih podataka Šematizacija, diskretizacija. Neophodne podloge. Izbor graničnih nih uslova. Istorijat promene pojedinih parametara. Izbor proračunskog intervala, njegova diskretizacija.

14 Slika XV.2. Diskretizacija strujnog polja na primeru hidrodinamičkog modela PK Drmno (Pušić i Polomčić,, 1999)

15 IZRADA MATEMATIČKOG MODELA PRVA APROKSIMACIJA (VERZIJA) Identifikacija reprezentativnih parametara i verifikacija modela Identifikacija reprezentativnih parametara. Etaloniranje modela. Parametarska analiza Analiza stepena greške

16 EKSPLOATACIJA MODELA SIMULACIJA I PROGNOZA REŽIMA PODZEMNIH VODA Izrada rešenja enja po varijantama Noveliranje matematičkog modela, praćenje i prognoza eksploatacije Prognoza efekata eksploatacije u narednom periodu

17 Slika XV.3. Karta rasporeda pijezometarskog nivoa istražnog područja na osnovu prognoznih proračuna na primeru hidrodinamičkog modela PK Drmno (Pušić i Polomčić,, 1999)

18 Zaključne konstatacije Bitne karakteristike matematičkog modela su: mogućnost relativno lakog sprovođenja obimnih hidrodinamičkih proračuna, simulacija procesa u hidrogeološkom sistemu, prognoza režima izdani u različitim itim uslovima i mogućnost obezbeđenja dovoljno pouzdanih podloga za optimizaciju istraživanja ivanja i samog tehničkog rešenja enja postavljenog zadatka. Prednosti, primene matematičkog modeliranja u odnosu na druge metode istraživanja ivanja izdanskih voda ogleda se u mogućnosti simulacije složenih uslova i oblika filtracije i prognozi efekata planiranog tehničkog rešenja, enja, za praktično neograničen en broj proračunskih šema. Mogućnost sprovođenja velikog broja hidrodinamičkih proračuna na hidrodinamičkom modelu filtracije izdanskih voda, omogućava optimizaciju istražnih radova u svim fazama hidrogeoloških istraživanja, ivanja, kao i dobijanje optimalnog tehničkog rešenja. enja.

19 PRORAČUN VELIKIH VODA U GRAVITACIONIM PODRUČJIMA POVRŠINSKIH KOPOVA Atmosferske padavine u pojedinim slučajevima predstavljaju veći i problem u ovodnjenosti površinskih kopova od samih podzemnih voda. Taj uticaj je posebno izražen kod dubokih kopova. Proces formiranja površinskog oticaja na račun atmosferskih padavina na dubokim površinskim kopovima,, u suštini reprezentuje genezu oticaja sa slivnih površina različitih itih geomorfoloških karakteristika. Slivne površine koje gravitiraju postojećim površinskim kopovima,, kao i sami kopovi, pripadaju kategoriji hidrološki neizučenih enih slivova. Karakterišu u se velikim padovima kosina, gde je vreme koncentracije veoma malo. METODOLOGIJA PRORAČUNA HIDROGRAMA VELIKIH VODA NA POVRŠINSKOM KOPU Slika XV.2. Šematski prikaz položaja izohrona na slivu vreme putovanja (Prohaska,, 2003) a) položaj izohrona b) dijagram površina vreme putovanja

20 Metodologija proračuna merodavnih velikih voda u gravitaciono područje površinskih kopova bazira se na korišćenju genetičke formule oticaja,, koja u opštem obliku glasi: k = t p p Qt = m ( ϕ P ) t k + 1 fk k = 1 gde su: p Q t - vrednost površinskog oticaja u trenutku t verovatnoće p, p P - suma padavina u intervalu od (t-δt) t) do t verovatnoće e p, t fk - elementarna slivna površina između izohrona (k-1) i k, ϕ - koeficijent površinskog oticaja, k - redni broj izohrone, Δt - period diskretizacije vremena i m - koeficijent razmere.

21 U suštini predložena ena metodologija za proračun merodavnih hidrograma velikih voda na dubokim površinskim kopovima sastoji se u sledećem: em: određivanju koeficijenta razmere, definisanju morfoloških karakteristika slivne površine površinskog kopa, usvajanju željenog stepena zaštite površinskog kopa od velikih voda, određivanju merodavnih padavina, određivanju merodavnih parametara, određivanju hidromorfološkog parametra i merodavnog vremena doticanja po padini, određivanju ukupnog broja i vrednosti elementarnih površina iz genetičke formule oticaja, definisanju redosleda Δt suma padavina i proračunu hidrograma površinskog oticaja.