The assessment of susceptibility on drainage in an aquifer on the basis of pumping tests in a lignite mine

• Autorzy: Polak K. , Kaznowska-Opala K. , Pawlecka K. , Różkowski K. , Klich J.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2015-0008

Warianty tytułu

PL

Ocena podatności ośrodka wodonośnego na odwodnienie na podstawie próbnych pompowań w kopalni węgla brunatnego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Drainage of the rock mass is a key component affecting the safety of mining operations and is associated with the removal of the overburden, dumping and excavation of useful minerals. The primary method of drainage in lignite coal mines are bored wells. The efficiency of drainage of rock mass depends on their accurate positioning and quality of workmanship. The paper presents the current state of knowledge concerning the distribution of the components of drawdown (1) in pumping well (Walton, 1955; Bruin & Hudson, 1961; Kruseman & de Ridder, 1991; Avci, 1992; Atkinson, 1994; Helweg, 1994; Kawecki, 1995; Singh, 2002; Dufresne, 2011) and their dependence on the hydrogeological parameters of the drained aquifer (Fig. 2). The results of pumping tests conducted in drainage wells operating in lignite mines are also presented. The subject of analysis was the geohydraulic resistance coefficient B, describing the resistance of the aquifer under laminar flow. This coefficient also takes the hydrogeological parameters into account which determines the dynamics and range of influence of drainage (12, 13). The value of the parameter and its spatial variability can be used for planning, designing and evaluating the effectiveness of wells drainage In view of the results of the pumping tests, classification of aquifer susceptibility to drainage was proposed, which can be used to support decision-making in the scope of expansion of the drainage system, the necessary timing and dynamics of pumping water. The classification is preliminary and is the starting point for the development of methods to rationalize functioning costs of the drainage systems.

PL

Zadaniem studni odwadniających jest obniżenie zwierciadła wody podziemnej możliwie w jak najkrótszym czasie. W zależności od przeznaczenia studni oraz wymagań technicznych ich czas „życia” jest zróżnicowany. Studnie zlokalizowane w obrębie wyrobiska, tj. studnie nadkładowe i podłożowe (pomocnicze), mają z założenia względnie krótki czas pracy, gdyż są likwidowane wraz z postępem robót górniczych odkrywkowych. Studnie w barierach zewnętrznych oraz wewnętrznych utrzymywane są niekiedy przez kilkadziesiąt lat. Z upływem czasu w pompowanych otworach obserwuje się przyrost depresji roboczego zwierciadła wody oraz spadek wydajności. Mniejsza wydajność studni spowodowana jest zmniejszoną wydajnością warstwy wodonośnej wskutek słabnącej przewodności hydraulicznej, co wynika z obniżenia zwierciadła wody, a także w wyniku zmian w dopływie wody spowodowanych procesami starzenia otworów studziennych. Za niekorzystne zmiany parametrów eksploatacyjnych studni odpowiedzialne są m.in. procesy fizyczne i chemiczne zachodzące w bezpośrednim sąsiedztwie studni np. procesy korozji, powstawania powłok zabezpieczeniowych oraz powłok śluzowych, ochry, wytrącania się osadów związków chemicznych oraz kolmatacji. Kolmatacja jest zjawiskiem złożonym, wywołanym przez procesy mechaniczne, fizyczne, chemiczne i biologiczne, który towarzyszy przepływowi przez ośrodki porowe i szczelinowe. Straty ciśnienia wynikające z przepływu wody w warstwie wodonośnej, czyli kształtowane przez własności hydrogeologiczne warstwy wodonośnej są określane mianem depresji rzeczywistej, która uwidacznia się pomiędzy poziomem piezometrycznym i depresją w strefie przyotworowej. Straty te oznaczane są jako BQ, gdzie: B oznacza oporność hydrauliczną ośrodka wodonośnego przy przepływie laminarnym. Z kolei straty ciśnienia wywołane przepływem wody przez filtr turbulencją przepływu wody w strefie otworowej i przyotworowej określane są mianem zeskoku hydraulicznego CQn, gdzie C oznacza oporność hydrauliczną strefy przyotworowej, natomiast n – wykładnik potęgowy charakteryzujący rodzaj przepływu. Określenie własności filtracyjnych warstwy wodonośnej wyrażanych przez przewodność hydrauliczną T oraz współczynnik zasobności sprężystej S, pozwala na wyznaczenie najbardziej korzystnych warunków eksploatacji studni. Wspomniane parametry hydrogeologiczne są składowymi równania opisującego hydrauliczną oporność ośrodka wodonośnego (12). Uogólniając, parametr B, może być kryterium wykorzystanym przy planowaniu i projektowaniu systemu odwodnienia studziennego, a także bieżącej oceny skuteczności współpracy systemu. Na rysunku 3. przedstawiono ideowo metodykę oznaczania tego parametru, za pomocą testu próbnego pompowania. Dotychczas interpretacja wyników próbnych pompowań koncentrowała się na ocenie technicznych warunków pracy otworów studziennych. W tym celu wykorzystywano współczynnik C występujący we wzorze Jacoba, który stanowił kryterium odbioru studni od wykonawcy. Zdaniem autorów niniejszej pracy wyniki próbnych pompowań należy interpretować w szerszym ujęciu, zwracając uwagę na parametr B, opisujący oporność hydrauliczną przy przepływie laminarnym wody w ośrodku wodonośnym. Analiza rozkładu przestrzennego zmian tego parametru pozwala na racjonalizację systemu odwodnienia studziennego w tym ocenę niezbędnych wyprzedzeń w zakresie wykonawstwa studni. W praktyce, ocenę geohydraulicznych warunków prowadzonego odwodnienia przeprowadzono przy wykorzystaniu zmodyfikowanej metody próbnych pompowań wielostopniowych opracowanych przez Klicha (1997). W pracy niniejszej przedstawiono wyniki próbnych pompowań w 27 studniach pracujących w kopalni odkrywkowej węgla brunatnego. Na rysunkach 5-9 przedstawiono wyniki oceny parametru B dla podstawowych kompleksów wodonośnych, dla których wykonano próbne pompowania badawcze. Podział wykresów wynika z przeznaczenia studni, co odpowiada podziałowi przedstawionemu na rysunku 4. Uzyskane wyniki pozwalają na sformułowanie wstępnych uogólnień. W tabeli 1. zaproponowano wstępną klasyfikację podatności ośrodka wodonośnego na prowadzone odwodnienie. Klasyfikacja może być wykorzystana do celów planowania, projektowania oraz bieżącej oceny skuteczności odwadniania studziennego. Wyniki oceny parametru B wskazują na zmienne warunki hydrogeologiczne w badanych kompleksach wodonośnych. W utworach wodonośnych o strukturze porowej oporność hydrauliczna B wykazuje stosunkowo małą zmienność (Rys. 7 i 8). Natomiast dużą zmienność własności wykazują utwory szczelinowo-krasowego kompleksu mezozoicznego. Odwodnienie prowadzone przez system studzienny może zatem charakteryzować się zmienną efektywnością w poszczególnych rejonach kopalni odkrywkowej (Rys. 5 i 6).

Słowa kluczowe

EN

drainage; bored wells; laminar flow; turbulent flow; hydraulic resistance; aquifer; pore structure; fractured-karst structure

PL

odwadnianie; studnie wiercone; przepływ laminarny; przepływ turbulentny; oporność hydrauliczna; ośrodek wodonośny; struktura porowa; struktura szczelinowo-krasowa

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, no. 1
• Strony: 107--121
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Polak K.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Department of Environmental Engineering and Mineral Processing, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Kaznowska-Opala K.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Department of Environmental Engineering and Mineral Processing, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Pawlecka K.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Department of Environmental Engineering and Mineral Processing, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Różkowski K.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Department of Environmental Engineering and Mineral Processing, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Klich J.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Department of Environmental Engineering and Mineral Processing, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Atkinson L.C., Gale J.E., Dudgeon C.R., 1994. New Insight into the Step-Drawdown Test in Fractured-Rock Aquifers. Applied Hydrogeology, Vol. 2, No. 1, p. 9-18.
• [2] Avci C.B., 1992. Parameter Estimation for Step-Drawdown Tests. Ground Water, Vol. 30, No. 3, p. 338-342.
• [3] Bruin J., Hudson Jr., H.E., 1961. Selected Methods for Pumping Test Analysis. Illinois State Water Survey W.C. Ackermann, Urbana.
• [4] De Zwart A.H., Currie P.K., de Boer J., Vafaie Naeini A., Schotting R.J., 2008. Experimental and Theoretical Investigation of Clogging Processes Near Production Wells Using X Ray Tomography. Society of Petroleum Engineers. doi:10.2118/116411-MS.
• [5] Dufresne D.P., 2011. Developing Better Regional Groundwater Flow Models with Effective Use of Step-Drawdown Test Results. Florida Water Resources Journal, Vol. 63, No. 2, p. 36-40.
• [6] Helweg O.J., 1994. A General Solution to the Step-Drawdown Test. Ground Water, Vol. 32, No. 3, p. 363-366.
• [7] Houben G., Treskatis Ch., 2003. Regenerirrung und Sanierung von Brunnen. Oldenbourg Industrieverlag GmbH, Munchen.
• [8] Kawecki M.W., 1995. Meaningful Interpretation of Step-Drawdown Tests. Graund Water, Vol. 33, No. 1, p. 23-32.
• [9] Klich J., Motyka J., Hajdo S., Marek A., Sobczyński E., 1997. Metoda oceny i doboru parametrów technologicznych studni odwadniających i ujęć wodnych. Załącznik do raportu końcowego z realizacji projektu badawczego KBN – Nr 9S 601 021 06, Poltegor-Instytut Wrocław / AGH Kraków.
• [10] Kruseman G.P., de Ridder N.A., 1991. Analysis and Evaluation of Pumping Test Data. Second Etition. International Institute for Land Reclamation and Improvement, Publication 47, Wageningeg, The Netherlands.
• [11] Motyka J., Wilk Z., 1986. Zastępczy promień strefy nieliniowej filtracji wokół studni zgłębionej w skałach szczelinowokrasowych. Archiwum Górnictwa, Vol. 31, No. 2, p. 90-94.
• [12] Matthews C.S., Russel D.G., 1967. Pressure buildup and flow tests tests in well. Soc. Petrol. Engrs. of Am. Inst. Min. Met. Enger., Monograph.
• [13] Pazdro Z., 1983. Hydrogeologia Ogólna. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.
• [14] Singh S.K., 2002. Well Loss Estimation: Variable Pumping Replacing Step Drawdown Test. Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 128, No. 3, p. 343-348.
• [15] Trzaska A., Broda K., 2000. Possibility of Determining Colmatage Parameters and Functions Basing on the Theory of Colmatage and Experiment. Arch. Min. Sci., Vol. 45, No 4, p. 527-542.
• [16] Trzaska A., Broda K., Filipek W., Sobowska K., 2005. The Phenomenon of Colmatage and its Effect on the Environment. Arch. Min. Sci., Vol. 50, Special Issue, p. 43-56.
• [17] Walton W.C., 1955. Ground-Water Hydraulics as an Aid to Geologic Interpretation. The Ohio Journal of Science, Vol. 55, No. 13, p. 13-20.
• [18] Williams D.E., 1985. Modern techniques in well design. Journal American Water Works Association, Allocating Water Supplies, Vol. 77, No. 9, p. 68-74.