Bányászati vízszintsüllyesztések numerikus modellezésének tanulságai

Átírás

1 Bányászati vízszintsüllyesztések numerikus modellezésének tanulságai Dr Kovács Attila MAGYAR FÖLDTANI ÉS GEOFIZIKAI INTÉZET FAVA konferencia Siófok, 2014

2 Bányászati modellezés céljai Vízbeáramlás számítása: a víztelenítési rendszer tervezéséhez A vízszintsüllyesztés környezeti hatásának előrejelzése: környezetvédelmi és vízgazdálkodási okokból (gyökérzóna, öntözőkutak) Oldott szennyező anyagok és radioaktív részecskék terjedésének modellezése: környezetvédelmi okokból

3 Modellezett jelenségek Erősen heterogén és anizotróp közeg Időben változó geometria Felszíni üregek Felszín alatti üregek Hirtelen változó potenciálviszonyok (nagy víztömegek mozgatása bányagödrök között) Üregek feletti rogyászóna Szivárgó felszínek Üregek a telített zónában Vertikális és horizontális nyomásterjedés Párolgó és visszatöltődő bányatavak Oldott szennyezőanyagok és radioaktív részecskék terjedése

4 Speciális elvárások bányászati modellezésnél Részletes és rugalmas diszkretizáció Kondicionált és időben változó peremfeltételek Időben változó hidraulikai paraméterek Telítetlen zóna modellezése Szabadfelszín szimulációja (bányatavaknál)

5 1. Esettanulmány: Külszíni szénbánya, Hunter Valley, NSW, Ausztrália Szituáció: Folyó melletti felszíni szénbánya tovább bővítése a folyó irányába Földtan: Permi szénrétegek Művelés: Külszíni Probléma: Feltételezett átszivárgás a folyóból a bányagödörbe Kérdés: Mi a szivárgás mechanizmusa? Mik az áramlási irányok? Előrejelzés? Alkalmazott szoftver: FEFLOW

6 Hunter River HV #1 Void Barry's Pit Cheshunt Pit HVO Lease Extent of Leases Region HVO Faults Identified Faults Point Line HVO Dykes Identified Dykes Point Line HVO Sills Identified Sills Region Hunter Valley Operations Barry's Pit

7 Szivárgó felszínek Szivárgó felszín Mt Arthur Seam Piercefield Seam

8 Koncepciómodell

9 Modell geometria Layer Geology No. 1-2 Alluvium 3 Interburden 4 Warkworth Seam (WK) 5 Interburden 6 Mt Arthur Seam (MA) 7 Interburden 8 Piercefield Seam (PF) 9 Interburden 10 Vaux Seam (VA) 11 Interburden Broonie Seam (BR) Interburden

10 Diszkretizáció

11 Alkalmazott paraméterek és peremfeltételek Model layers Geology Kxy (m/s) Kz (m/s) 1-2 Alluvium 1.7e-4 1.7e Unconsolidated 3.0e-5 3.0e-6 sediments 3,5,7,9,11,16- Interburden 8.0e-8 1.8e ,6,8,10 Coal seams 6.0e-7 2.0e BR seam 2.0e-7 5.6e-10 Slice No. Geology Boundary Conditions 1 Top of alluvium Constant head set to 56 mahd along Hunter River 11 Base of Vaux Seam (VA) Constant head set at 50, 56 and 58 mahd within Barry s Pit Broonie Seam (BR) Seepage face conditions at base of BR4C within Cheshunt Pit

12 Eredmények Particle tracking 1. H pit < H river 2. H pit = H river 3. H pit > H river

13 Eredmények Vízhozamok Flow rate (m3/d) Flow from Flow to Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 All sources Cheshunt Pit All sources Barry's Pit Hunter River Cheshunt Pit Barry's Pit Cheshunt Pit Hunter River Barry's Pit Hunter All River destinations

14 2. Esettanulmány: Külszíni rézbánya, QLD, Ausztrália Helyszín: QLD, a Nagy Vízválasztótól keletre Földtan: Zn-Cu-Ag szkarn ércesedés szilúr arkóza/permi gránit határán Művelés: Külszíni Szituáció: Feltöltődő zagytározó, növekedő vízszintek és romló vízminőség a monitoring kutakban. Probléma: Feltételezett szivárgás a zagymedencéből Kérdés: Mi a szivárgás mechanizmusa? Mik az áramlási irányok? Előrejelzés? Alkalmazott szoftver: MODFLOW SURFACT + GW VISTAS

15 A helyszín Zagytározó

16 GW Elevation (mahd) Kúthidrogramok GW_MG_GWB02 GW_MG_GWB03 GW_MG_GWB04 GW_MG_GWB05 GW_MG_GWB06 GW_MG_GWB07 GW_MG_GWB08 GW_MGGWB10 GW_MGGWB12 pond AHD /01/2003 1/01/ /12/2004 1/01/2006 1/01/2007 1/01/2008 1/01/2009 1/01/2010 1/01/2011 2/01/2012 1/01/2013 Date

17 Koncepciómodell

18 Numerikus modell geometriája Unit lay. K (m/d) Ss (1/m) Sy (-) Weat hered rock Base ment e e

19 A zagytározó feltöltődésének szimulációja RIVER cellák alkalmazása a zagytározó kiterjedésének és növekvő szintjének szimulációjára

20 Hidraulikai paraméterek Paraméter zónák lehatárolása modell kalibráció útján Unit layers K(m/d) Ss (1/m) Sy (-) Chillagoe F e Halls Reward F e Colluvium clay e Colluvium sand e

21 Szimulált vízszintek

22 Particle tracking

23 Szimulált hidrogramok

24 Következtetések A zagytározóból való szivárgás okozza a vízszint növekedést és a vízminőség romlását A szivárgó hozam m3/nap Permeábilis homoktest feltételezhető a modell alapján a zagymedencétől keletre A homoktestbe intenzívebb az átszivárgás (GWB048, GWB08) További 3-6 méteres vízszint emelkedés várható az elkövetkező 5 évben A homoktest és a víztározó között elnyúló agyagtest jelentősen csökkenti a környezeti hatásokat Javaslat: Transzport modellezés!

25 3. Esettanulmány: Külszíni és felszín alatti szénbánya, QLD, Ausztrália Helyszín: Galilee Basin NSW, Australia Földtan: Permi kőszén Művelés: Külszíni + felszín alatti (30 megatonna/év) Szituáció: Bányanyitás előtti felderítő kutatás Probléma: Potenciális környezeti hatás (GAB=Nagy Artézi Medence), jelentős vízbeáramlás Kérdés: Vízbeáramlás mértéke? Depresszió tér és időbeli alakulása? Bányatavak szintjének alakulása a projekt befejezése után? Alkalmazott szoftver: FEFLOW

26

27 A GAB utánpótlódása

28 Hidrosztratigráfia

29 Modell geometria

30 Longwall bányászat

31 Longwall bányaterv

32 Időbeli változások Mining stage Financial years ending 30 June Years from start

33 Hidraulikai paraméterek Scenario 1 (base case ) 2* 3* 4* 5* Bandan D-E Sub E Baseme GAB Rewan D seam E seam Joe Joe Unit na sands sands nt Property Kxy (ms -1 ) 5.80E- 1.00E- 1.60E- 1.00E- 3.00E- 1.00E- 1.00E- 1.60E E Kz (ms -1 ) 5.80E- 1.00E- 1.60E- 1.00E- 3.00E- 1.00E- 1.00E- 1.60E E Ss (m -1 ) n (-) Kxy factor Kz factor Ss factor n factor x2 x2 x2 x2.5 x2 x2.5 x2 x2 x2 Kxy factor x2 x2 Kz factor x2 x2 Ss factor n factor Kxy factor x5 Kz factor x5 Ss factor n factor Kxy factor Kz factor Ss factor n factor

34 Felszín alatti bányászat geotechnikai hatásai

35 Felszín alatti bányászat hatásai a hidraulikai paraméterekre

36 Időben változó hidraulikai paraméterek kezelése FEFLOW-ban

37 Szimulált potenciál szelvény t=31 év

38 Víztükör szimulált depressziója t=31 év

39 Szimulált nyomásdepresszió t=31 év, Bandanna F.

40 Szimulált vízbeáramlás

41 Bányatavak hatásának modellezése (final void) P csapadék, Ap üreg kerülete, R lefolyási együttható, Ac vízgyűjtő terület, Qgi felszín alatti vízbeáramlás, A üreg területe, Qgo felszín alatti víz elfolyás, h üreg vízszintje, E párolgás, C pan-to-lake együttható

42 Szimulált vízszintek a bányatavakban

43 Egyensúlyi depresszió, t=300 év

44 Modellezési Tanulságok A felszíni bányaüregek szimulációjára FEFLOW: seepage BC (fixed H=Z + kondicionált q>0) MODFLOW: Drain BC Üregek paraméterei: K >> 1, Sy=1 Időben változó geometria: FEFLOW: Time-dependent parameters, time-dependent BC MODFLOW: szakaszos modellezés Felszín alatti bányák: FEFLOW: telítetlen zóna modellezése MODFLOW: nem alkalmas (surfact: pszeudo-telítetlen modellezés?) Bányatavak modellezése: FEFLOW: egyenletszerkesztő modul MODFLOW: LAKE package

45 Köszönöm a figyelmet!