|
| ||
| Бурение скважин | Технология | Оборудование | Цены | Фото и видео | Техническая литература | ||
 | ||
|
Техническая литература: Колодцы Схема гидрогеологических областей и районов СССР Словарь по гидрогеологии А-Г Словарь по гидрогеологии Д-О Словарь по гидрогеологии П-Я Станок для бурения БУР-50:  | Гидрогеология, учебник
ОглавлениеПредисловие, введение3 ОСНОВЫ ДИНАМИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД 4 ОСУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ4.1 Факторы обводненности шахтных полей и горных выработок Обводнение шахт в процессе ведения горных работ усложняет вскрытие и эксплуатацию полезного ископаемого и создают неблагоприятную обстановку для работы механизмов и условий труда шахтеров. В некоторых угольных бассейнах и на отдельных шахтах затраты на водоотлив и осушение составляют 30-40% стоимости по добыче полезного ископаемого, а иногда не окупаются стоимостью добываемого угля. Поступление воды в шахты обусловлено пересечением водоносных горизонтов, залегающих в кровле и почве разрабатываемого пласта. По характеру, величине и продолжительности притоки подземных вод в шахту весьма разнообразны. Количественно это может быть выражено коэффициентом водообильности (кв), который представляет собой отношение количества воды (Q) в м3, откачиваемой из шахты за определенный период (обычно за год), к количеству добытого за этот период полезного ископаемого (Р). Код водообильности определяется формулой м3/т год, (4.1) где kв – коэффициент водообильности, м3/т год; Q – количество откачиваемой воды, м3/год; P – количество добытого полезного ископаемого, т/год. Как правило, количество откачиваемой из шахты воды в несколько раз превышает количество добытого полезного ископаемого. Для шахт Донбасса коэффициент водообильности колеблется от 85 0,8 м3/т год до 12,3 м3/т год; средний – 2,8-5,6 м3/т год. Изменение во времени обводненности шахтных полей и горных выработок зависит от ряда природных и искусственных факторов. Природные факторы включают: а) климатические (количество выпадающих атмосферных осадков, температура, испарение, степень влажности и др.). Установлено, что в период паводков притоки воды в горные выработки увеличиваются на 30-40% по сравнению со среднегодовыми при горизонтальном залегании и иногда на 200-300% при развитии карста или наличии дизъюнктивных нарушений. Для гидрогеологических условий ведения горных работ Донбасса поверхностные воды оказывают существенное влияние до глубины 100-250 метров. б) геоморфологические (рельеф местности, степень обнаженности коренных пород, наличие многолетней мерзлоты, поверхностных текущих вод и др.). Как правило, наиболее обводненными горными выработками являются те, которые расположены под долинами рек и оврагов. Шахтные поля Донбасса по характеру рельефа [9] подразделяют на три группы: 1) расположенные на водоразделах со слабо расчлененным рельефом с незначительной обводненностью; 2) на склонах водоразделов с широко развитой овражно-балочной системой со значительной обводненностью; 3) в долинах рек с инфильтрацией из водотоков и значительными статическими запасами подземных вод в аллювиальных отложениях и дизъюнктивных нарушениях, достигающих поверхности. При наличии мерзлотных пород также возможно проникновение подземных вод в выработку после оттепления пород под воздействием горных работ. в) геологические (литологический состав вмещающих уголь пород, структурные особенности, тектоническая нарушенность). Замечено, что наиболее сложные гидрогеологические условия наблюдаются на месторождениях, где пласт полезного ископаемого залегает между рыхлыми водопроницаемыми породами. Крепь горных выработок испытывает при этом горное давление во много раз большее, чем если бы в кровле выработки залегали скальные породы. Пески-плывуни также создают весьма неблагоприятные условия при ведении горных работ, даже при малой общей обводненности месторождения. Притоки здесь зависят от степени вскрытия пород горными выработками, мощности и состава покровных отложений. В скальных породах при равномерной их трещиноватости даже значительная обводненность не осложняет ведение горных работ, тогда как зоны тектонических нарушений (отдельные крупные тектонические трещины) или закарственность пород могут неожиданно весьма осложнить ведение горных работ и при малих общин ресурсах подземных вод. В таких случаях характерны большие водопритоки в горные выработки, внезапные прорывы, обрушение кровли, образование провалов на поверхности и пр. г) гидрогеологические (количество водоносних горизонтов, их мощность, напоры, гидравлическая связь с поверхностными водами, изменение водопроницаемости пород с глубиной и др., т.е. необходима количественная оценка гидрогеологических русловий). Для условий Донбасса водоносними являються песчаники и известняки карбона и покрывающие их мезакайнозойские отложения, которые наряду с поверхностными водами участвуют в обводнении горных выработок. Например, в северной части Донецкого бассейна [9]. Наиболее водоносны известняки и песчаники среднего карбона (свиты С25 и С26 – K6SK7 с притоками 1200 м3/час; K9SL1 - >1000 м3/час и l6Sl7 – 323 м3/час), разделенных мощными толщами аргиллитов и алевролитов. Песчаники дают постоянные притоки, известняки – кратковременные. Имеющиеся в настоящее время данные по шахтам Донбасса показывают, что средние водопритоки составляют до 100 м3/час – 41 %; 100-200 м3/час – 33 %; 200-500 м3/час – 24 % и более 500 м3/час – 2 %, т.е. в основном характерны небольшие водопритоки, не превышающие 200 м3/час [16]. Искусственные факторы К числу искусственных факторов обводненности горных объектов относятся: а) вскрытие горными выработками незатампонированных Сквжины">скважин или старых заброшенных выработок. Обычно после окончания буровых работ, из скважин извлекаются обсадные трубы и производится их тампонаж вязким глинистым раствором или цементом. При плохом тампонаже Сквжины">скважин вода может прорваться в горные выработки, сопровождаясь выносом обломочного материала, разрушением кровли и оборудования. В целях безопасности ведения горных работ бурение технических скважин прекращают за 2-3 метра до встречи с горной выработкой. В старых заброшенных выработках может скапливаться большое количество воды. Как правило, такие воды кислые и агрессивны по отношению к оборудованию. Прорывы воды в действующие горные выработки весьма опасны и носят катастрофический характер. б) способ и системы разработки. При проведении горных работ с обрушением кровли на поверхности образуются локальные понижения в рельефе (воронки, трещины), которые способствуют скоплению застойных вод и проникновению их в более глубокие горизонты и непосредственно в горные выработки. При таких условиях посадку лавы можно производить только при мощной толще пластичных пород (глин, аргиллитов, пластичных глинистых сланцев), в которых в зоне обрушения не возникают открытые трещины. Особую роль этот фактор приобретает, если горные выработки расположены в долинах рек и балок. в) не рекомендуется отводить шахтные воды по поверхности шахтного поля канавами и по балкам, производить орошение сельскохозяйственных угодий, строить плотины, если породы водопроницаемы. Все это в совокупности обязывает при оценке условий обводненности месторождения учитывать характер взаимодействия каждого из природных и искусственных факторов в формировании режима шахтных вод и необходимость проведения современного осушения шахтного поля. 4.2 Типы угольных месторождений по гидрогеологическим условиям Для систематизации материалов гидрогеологических исследований и правильной их оценки необходима гидрогеологическая типизация угольных месторождений. Общая обводненность месторождений полезных ископаемых, шахтных и карьерных полей может быть оценена следующими показателями: а) суммарным притоком воды, м3/ч; б) удельным притоком воды на 1 м2 обнаженной поверхности горных выработок, л или м2/ч; в) коэффициентом водообильности, м3/т год; г) коэффициентом фильтрации пород, м/сут и другими водными их свойствами. Положив в основу оценки степени обводненности месторождения вышеперечисленные показатели, М.В. Сыроватко [18] предложил следующую классификацию (таблица 4.1). Таблица 4.1 – Классификация месторождений твердых горючих полезных ископаемых по степени обводненности (по М.В. Сыроватко) Показатели общей обводненности месторождений Степень обводненности месторождений весьма обводненные обводненные умеренно обводненные слабо обводненные Суммарный приток воды (Q), м3/час 1000 1000-300 300-100 100 Удельный приток воды (q), л или м2/час 4 4-0,4 0,4-0,05 0,05 Коэффициент водообильности (kв), м3/т год 25 25-8 8-3 3 Коэффициент фильтрации горных пород (К), м/сут 100 100-5 5-0,5 0,05 К весьма обводненным месторождениям относятся Кизеловское месторождение каменных углей (150 м3/ч) при коэффициенте водообильности равном 8, к обводненным – месторождения Донецкого, Подмосковного, Кузнецкого, Карагандинского, Челябинского, Канско-Ачинского и Ангренского бассейнов. Здесь средние притоки воды в горные выработки изменяются от 175 м3/час до 650 м3/час – 900 м3/час и более. К умеренно и слабо обводненным можно отнести Черемховское, Экибастузкое и др. со средними притоками, не превышающими 100 м3/час и коэффициенте водообильности меньше 3 м3 на 1 т. При типизации угольных месторождений Донецкого бассейна по степени обводненности определяющими факторами являются: а) мощность покрывающих карбон водоносных пород; б) связь водоносных горизонтов карбона с поверхностными водотоками и водоемами; в) структурно-тектонические условия каменноугольных отложений. По первому признаку выделены типы, по структурно-тектоническим особенностям – подтипы месторождений [16]. Типы месторождений, выделяемые по мощности покровных отложений: а) карбон обнажен или в покрывающих его отложениях (супеси, суглинки и глины) водоносные горизонты либо отсутствуют, либо имеют мощность до 10-15 м (открытая часть Донбасса). Здесь характерны значительные сезонные водопритоки в горные выработки, превышающие нормальные в 1,5-2 и более раза; б) в покрывающих карбон отложениях водоносные горизонты локально развиты и их мощность не превышает 10-15 м. Шахтные поля этого типа распространены в пределах Красноармейской моноклинали и в Северной зоне мелкой складчатости. Здесь покровные отложения сложены водоносными песками, песчаниками и известняками мезозоя и кайнозоя мощностью 100-150 м. Средние притоки составляют от 35-40 м3/ч до 600-860 м3/ч. Коэффициент водообильности 4-7 м3/т. в) в покрывающих карбон отложениях водоносные породы имеют повсеместное распространение мощностью более 15 м. Такой тип шахтных полей развит в закрытой части бассейна к северу и востоку от границ открытого карбона (северные части Луганского и Краснодонского угленосных районов, закрытые площади Восточного Донбасса). Отличительной особенностью гидрогеологического разреза является наличие мощной покровной толщи мело-мергельных пород. Водоносность их наблюдается лишь в верхней трещиноватой и закарстованной зоне, до глубины 60-70 м, редко до 100 м. Подтип А (рисунок 4.1) характеризуется следующими особенностями: 1) рабочие пласты угля отдалены друг от друга и поэтому, как правило, вскрываются отдельными шахтами; 2) в обводнении выработок участвует незначительное количество водоносных горизонтов, которые обычно дренируются горными выработками на большой площади 3) в зависимости от наличия или отсутствия в кровле пласта водоносного горизонта отмечаются весьма большие колебания суммарных притоков по отдельным шахтам. Средний приток в шахту составляет 150 м3/г, максимальные 500-850 м3/г, средний коэффициент водообильности до 4 м3/т. 4) с крутым падением слоев (более 45?) (рисунок 4.2) распространены в Центральном районе Донбасса. Здесь вертикальными стволами вскрываются до 10 пластов угля с вмещающими породами, а квершлагами пересекаются все водоносные горизонты угленосных свит. Здесь приток в шахту из отложений карбона составляет до 100 м3/ч, иногда 200-300 м3/ч. Коэффициент водообильности – 1,5-2,5 м3/т. По геолого-структурным признакам в породах Донецкого бассейна выделяются [18] следующие подтипы шахтных полей (или участков): А- месторождения, приуроченные к районам крупной складчатости; Б – расположенные в зонах мелкой складчатости и купольных структур; В – перекрытые толщей более молодых образований. Подтип А. Здесь различают две группы шахтных полей. С пологим и наклонным падением (рисунок 4.1) почти все месторождения Чистяково-Снежнянского, Боково_хрустальского, Должанско-Ровенецкого, Шахтинско-Несветаевского, Сулино-Садкинского, Гуково-Зверевского и Задонского районов. При относительно равномерном обнажении водоносных пород системой горных выработок, притоки по отдельным шахтам между собой почти не отличаются и составляют 150-200 м3/ч, иногда до 650 м3/ч при наличии связей водоносных горизонтов с поверхностными водами. Б – шахтные поля, расположенные в зонах мелкой складчатости и купольных структур с частыми дизъюнктивными нарушениями (рисунок 4.2): Донецко-Макеевский, Алмазно-Марьевский, Лисичанский и Селезневский угленосные районы и открытые части Луганского, Краснодонского и Каменско-Гундоровского районов обводнены весьма неравномерно. Площадь питания водоносных горизонтов ограничена, в связи с чем ресурсы подземных вод невелики. Внезапное увеличение притоков наблюдается при вскрытии открытых нарушений надвигового типа. Средний приток в шахты составляет около 150 м3/ч, максимальный – 600 м3/ч, средний коэффициент водообильности до 4 м3/т, максимальный – около 7 м3/т. В – шахтные поля, где угленосные отложения перекрыты более молодыми образованиями (рисунок 4.4): западный и южный Донбасс, Старобельско-Миллеровская моноклиналь, Красноармейский район, т.е. преимущественно закрытого и полузакрытого типов. Мощность покровных отложений достигает 40 м, из которых 10-20 могут проявлять плывунные свойства. где 1 – песчаники; 2 – известняки; 3 – угли; 4 – аргиллиты; 5 – дизъюнктивные нарушения Рисунок 4.3 – Подтип Б шахтных полей Донбасса, расположенных в зонах мелкой складчатости и купольных структур с дизъюнктивными нарушениями. Отличаются высокой угленосностью (разрабатывают по несколько угольных пластов и ряд водоносных горизонтов, что приводит к поступлению в выработки значительных и устойчивых суммарных притоков, превышающих средние показатели по бассейну (более 200 м3/ч). 4.3 Водоприток. Шахтный водоотлив Водоприток – поступление подземных и поверхностных вод в горные выработки. Различают общий, участковый и забойный водопритоки. Общий водоприток в шахты и карьеры складывается: из притока подземных вод (водоносных горизонтов, дренируемых горными выработками); шахтных вод, поступающих из затопленных выработок и соседних шахт, технических вод, подаваемых для орошения, бурения скважин и др.; поверхностных вод и атмосферных осадков. Режим поступления воды в выработки зависит от совокупности взаимодействия природных (климатических, геоморфологических, геологических и гидрогеологических) и технологических (форма и размеры участка горных работ, глубина и интенсивность разработки месторождений, системы разработки) факторов. Участковый водоприток на шахтах складывается из притоков в подготовительные выработки и в выработанное пространство выемочного участка. В подготовительные выработки вода поступает из залежей полезного ископаемого, водоносных горизонтов, залегающих непосредственно в кровле и в почве выработок или из дренажных скважин. В выработанное пространство вода поступает в основном из водоносных горизонтов, попадающих в зону водопроводящих трещин, из соседних отработанных участков и иногда с поверхности земли. Забойный водоприток на шахтах складывается из притоков подземных вод и вод, поступающих из выработанного пространства 97 непосредственно в призабойное пространство подготовительных и очистных выработок. Наибольший забойный водоприток наблюдается в случае, когда забой находится гипсометрически ниже, чем выработанное пространство. Шахтный водоотлив Водоотлив – удаление шахтных и карьерных вод из шахтных выработок. При подземной разработке месторождений твердых горючих ископаемых различают главный водоотлив, предназначенный для откачки общешахтного притока воды и участковый - для перекачки воды из отдельных участков шахты к водосборникам главного водоотлива (реже на поверхность земли). В редких случаях применяются центральный водоотлив, когда несколько шахт имеют общую водоотливную установку и региональный, обеспечивающий водоотлив всего района в целом. По схеме откачки воды на поверхность водоотлив подразделяется на прямой, когда откачка воды из главного водосборника производится сразу на поверхность, и ступенчатый, когда из нижних горизонтов через стволы (реже скважины) вода перекачивается в промежуточные водосборники вышележащих горизонтов и затем на поверхность (рисунок 4.5). В систему шахтного водоотлива входят: устройства для регулирования внутришахтного стока (водоотводные канавки, трубопроводы, перекачные насосы), водосборники, насосные трубопроводы, перекачные насосы), водосборники, насосные станции с водозаборными колодцами и отливными установками, с всасывающими и нагнетательными трубопроводами. Водоотливные установки оборудуются аппаратурой автоматизации, контроля и защиты [7]. Рисунок 4.5 – Схемы водоотлива на шахтах: прямой с одним горизонтом (а) и с несколькими (б), ступенчатый с насосными камерами вышележащих горизонтов (в). 4.4 Методы прогнозирования водопритоков в горные выработки Определения возможных водопритоков к шахтным полям и горным выработкам должны осуществляться методами, позволяющими в наибольшей мере учитывать природные условия, степень их изученности и опыт эксплуатации месторождений в аналогичных условиях. При определении водопритоков к горным объектам используются различные методы: 1) гидрогеологической аналогии; 2) гидравлический; 3) метод водного баланса; 4) методы моделирования, которые выбираются в зависимости от конкретных гидрогеологических условий и наличия исходных материалов. 1) метод гидрогеологической аналогии основан на аналогии гидрогеологических и горнотехнических условий проектируемой и эксплуатационной шахт. Аналогия должна быть по геологическому разрезу участков работ, условиям формирования ресурсов подземных вод и обводнению горных выработок, а также по способу и системе разработки. Метод аналогии впервые стал применяться в Донбассе, затем на угольных месторождениях Кузбасса, Урала и др. Метод дает хорошие результаты для месторождений, сложенных плотносцементированными осадочными породами с равномерной трещиноватостью. Если же гидрогеологическая обстановка сложена дизъюнктивной тектоникой, наличием карста, рек или покровных аллювиальных отложений, метод аналогии неприемлем. Для выяснения водообильности проектируемого горного предприятия можно использовать эмпирические зависимости, выведенные для данного промышленного района. Для условий Донбасса предложен ряд эмпирических зависимостей для расчетов водопритоков в выработки, следующего вида , (4.1) 100 , (4.2) , (4.3) где Q П – ожидаемый общий приток воды в проектируемую шахту, м3/ч; Q Э – фактический приток в действующую шахту – аналог, м3/с; S П,S Э – понижения уровня соответственно на проектируемой и эксплуатационной шахтах; F П – отработанные площади на участках проектируемой и эксплуатационной шахт, м2. При этом если в расчет вводятся не общие площади разработок, а приращения их за год, они могут быть заменены производительностью шахт. Необходимо иметь в виду, что в приведенных выше формулах не учитывается фактор времени, т.е. продолжительность разработок, что в значительной мере может сказываться на расчетных значениях водопритоков. Водопритоки при проходке шахтных стволов в условиях Донбасса рассчитываются по приближенной эмпирической формуле , (4.4) 101 где Qств. – водоприток в ствол, м3/ч; Qскв. – водоприток в скважину, м3/ч; rств. – радиус ствола, м; rскв. – радиус скважины, м. Методом аналогии можно рассчитывать также водопритоки, основанные: а) на гидродинамической зависимости; б) на единицу длины выработки. Водоприток, основанный на гидродинамической зависимости рассчитывается по формуле: , (4.5) где Q П – приток воды в проектируемую шахту, м3/ч; Q Э – приток воды в шахту – аналог, м3/ч; H П, H Э – мощность водоносного горизонта проектируемой шахты и шахты – аналога, м; S П, S Э – понижение уровня в проектируемой шахте и шахте – аналоге, м. Определение водопритоков по дебиту на единицу длины выработки применим при условии большой протяженности системы выработок по отношению к их поперечным размерам, по формуле: , (4.6) 102 где q – удельный водоприток на единицу длины выработки, шахты – аналога, м2/ч; L – протяженность выработок, м. 2) гидравлический метод основан на экстраполяции опытных данных (экстраполяция на глубину, т.е. с увеличением понижения уровня или с учетом изменения площади горных выработок) с использованием гидродинамической зависимости. Поэтому здесь могут применяться приведенные выше для метода аналогии формулы. 3) метод водного баланса основан на учете всех составляющих питания и разгрузки подземных вод при их водозаборе в процессе осушения месторождений. Оценка притоков по этому методу производится с помощью различных приемов, зависящих от конкретных условий как в качестве дополнительного, корректирующего гидродинамические расчеты или для определения ориентировочных притоков. При использовании метода необходимо помнить, что соотношение между приходной и расходной частями водного баланса, установившееся в естественных условиях, будет резко нарушено после проходки горных выработок. Поэтому, балансовый метод дает ответ лишь о максимально возможном суммарном притоке подземных вод к шахтному полю или карьеру. Метод моделирования используется при решении многих задач, связанных с вопросами водоснабжения, осушения карьеров и шахтных полей со сложными гидрогеологическими условиями с использованием приборов, моделирующих природные гидрогеологические условия. Наибольшим распространением пользуется метод ЭГДН (электрогидродинамических аналогий). Этот метод позволяет моделировать как установившиеся, так и не установившиеся потоки по линейному закону фильтрации. Основан на аналогии между явлением ламинарной установившейся фильтрации воды и прохождением тока в электропроводящей среде. Впервые метод был разработан Н.Н. Павловским [17]. 4.5 Ресурсы и запасы подземных вод Подземные воды в отличие от других полезных ископаемых (твердых, жидких и газообразных) не только расходуются в процессе эксплуатации, но во многих случаях происходит их дополнительное формирование или питание. Следует учитывать также, что их рациональный отбор зависит не только от запасов воды в пласте и условий питания водоносного горизонта, но и от фильтрационных свойств водовмещающих пород. Эти особенности определили необходимость выделения понятий запасы и ресурсы подземных вод. Термином «запасы» обычно обозначают объем подземных вод в водоносном пласте; термином «ресурсы» - расход подземных вод в единицу времени. Выделяют естественные (статические) и упругие запасы. Статические (естественные) запасы – это объем гравитационной воды, заключенной в порах и трещинах водовмещающих пород в ее естественных условиях. Такие запасы имеют размерность объема. Упругие запасы – количество воды, полученное при вскрытии водоносного горизонта и снижении пластового давления в нем при откачке или самоизливе. В практике гидрогеологических исследований обычно производят оценку естественных и эксплуатационных ресурсов подземных вод. Естественные ресурсы или динамические запасы – это количество воды, стекающее из водоносного горизонта за определенный промежуток времени, м3/сек, час, сут. Включают инфильтрацию, сток и перетекание воды из одного водоносного горизонта в другой, суммарно выраженные величиной расхода водного потока или толщиной слоя воды. Эксплуатационные запасы (ресурсы) подземных вод – это количество воды (м3/сек, час, сут.), которое может быть получено в единицу времени из водоносного горизонта рациональным в технико-экономическом отношении водозабором при заданном режиме эксплуатации и качестве воды, удовлетворяющем в течение всего расчетного срока водопотребления. Эксплуатационные запасы (ресурсы) подземных вод в зависимости от степени разведанности месторождений, изученности качества подземных вод и условий эксплуатации подразделяются на категории А, В, С1, С2. К категории А относятся запасы, разведанные и изученные с детальностью, обеспечивающей полное выяснение условий залегания строения, величин напора и фильтрационных свойств водоносных горизонтов, условий их питания, возможностей восполнения эксплуатационных запасов, установления взаимосвязи между водоносными горизонтами и с поверхностными водами, изучение качества подземных вод с достоверностью, подтверждающей возможность их использования на весь расчетный срок водопотребления. Категория В – запасы, разведанные и изученные с детальностью, обеспечивающей выяснение основных особенностей залегания, строения и питания водоносных горизонтов, установление взаимосвязи отдельных горизонтов и с поверхностными водами, определения приблизительного количества естественных ресурсов с детальным изучением качества подземных вод. Запасы категории С1 изучаются с детальностью, обеспечивающей выяснение в общих чертах строения, условий залегания и распространения водоносных горизонтов. Качество подземных вод выясняется в той мере, чтобы можно было предварительно решить вопрос об их использовании. К категории С2 относятся запасы, установленные на основании общих геолого-гидрогеологических данных, подтвержденных опробованием водоносного горизонта в отдельных точках или по аналогии. Оценка качества подземных вод производится по тем же параметрам. 4.6 Способы осушения угольных месторождений Осушение месторождений твердых горючих полезных ископаемых производится в том случае, если пласт полезного ископаемого располагается ниже уровня грунтового водоносного горизонта или под пластом располагается напорный водоносный горизонт, пьезометрический уровень которого устанавливается выше кровли пласта. Необходимость проведения защитных мероприятий в период строительства горного предприятия обуславливается снижением уровней подземных вод с целью безопасного проведения подготовительных горных выработок, а также ограждением их от поступления атмосферных осадков и других поверхностных вод. В период эксплуатации такие мероприятия необходимы в целях предупреждения деформации горных выработок, нормальных условий для работы горно-транспортного оборудования, соблюдения технических условий качества полезного ископаемого и создание нормальных условий для работы горнорабочих. Поэтому все работы, связанные с осушением шахтных и карьерных полей по времени проведения подразделяются на: а) предварительное или опережающее и б) параллельное или эксплуатационное осушение. Предварительное осушение осуществляется путем откачки воды из буровых скважин, заложенных с поверхности. Иногда проходят специальные дренажные шахты и штреки. Применяются при проходке стволов шахт и горизонтальных горных выработок с коэффициентом фильтрации пород более 5 м/сут. Параллельное осушение производится одновременно с проходкой горных выработок с целью полного осушения водоносных пластов кровли и снижения напоров подземных вод до почвы выработок. Осушение производят при помощи забивных и сквозных фильтров, дренажных колодцев и пр. На практике часто объединяют оба способа. По характеру производства работ при подземной добыче угля выделяют внешахтное (поверхностное), подземное и комбинированное осушение. Для защиты горных выработок от подземных вод используются различные системы вертикальных и горизонтальных дренажных устройств. По расположению дренажных устройств в плане выделяют контурные и линейные системы, определяемые формой и размерами осушаемых участков и гидрогеологическими условиями. Контурные системы – это системы дренажных уствройств, расположенные по замкнутому контуру (по периметру прямоугольника или окружности). Применяются для осушения стволов шахт, сопряжений выработок околоствольного двора и выемочных участков. При взаимодействии контурных систем между собой, например при одновременной работе на обеих стволах или на участках лав и околоствольном дворе, составляют двух-, трех- и четырехконтурные системы. Линейные системы – это системы линейно расположенных вертикальных устройств, применяемых при защите от подземных вод околоствольных выработок, штреков главных направлений, разрывных и выездных траншей и бортов разреза и на месторождениях, расположенных вблизи открытых водоемов или водотоков. При этом дренаж располагается на более или менее равных расстояниях друг от друга. Все вертикальные дренажные устройства оказывают влияние друг на друга и работают по принципу взаимодействующих колодцев. 4.6.1 Расчет одноконтурных групп вертикальных дрен Одноконтурные группы применяются для осушения сравнительно небольших участков шахтного поля. Для безнапорных вод определение дебита совершенных дрен, расположенных по контуру, применяется преобразованная формула В.Н. Щелкачева: , м/с, (4.7) где k – коэффициент фильтрации, м/с; H – мощность безнапорного водоносного пласта, м; S – требуемое снижение уровня, м; R – радиус влияния, м; rc – радиус дрен, м; r0 – радиус контрольной группы дрен, м; n – число дрен в группе. Уровень снижения подземных вод и построение депрессионных кривых по различным направлениям (в пределах радиуса депрессии) производят по формуле Ф. Форхгеймера: , м (4.8) 109 где x1, x2, x3, …xn – расстояние от искомой точки депрессионной кривой до группы соответствующих дрен, м. В условиях напорных вод: а) определение дебита вертикальных совершенных дрен (рисунок 4.6), расположенных по контурам различных форм производим по формуле В.Н. Щелкачева: , м3/сут., (4.9) где Q01 – дебит каждой из взаимодействующих дрен, м3/сут.; R – радиус влияния (депрессии), образующейся при работе группы дрен, м; N – число дрен в группе; rc – радиус дрен, м; r0 – радиус равновеликого круга, к которому приводятся реальные контуры групп дрен, м , (4.10) где r1, r2, r3,…rn – расстояние от середины каждой из сторон многоугольника и угловых дрен (рисунок 4.7) до центра тяжести, м; p – число точек, для которых определяются эти расстояния. Рисунок 4.7 – Схема приведения площади дрен к равновеликому кругу б) определение сниженного напора и построение пьезометрических депрессионных кривых по различным направлениям (в пределах радиуса депрессии) производят по формуле Ф. Форхгеймера: ,м, (4.11) где Н – мощность водоносного горизонта (высота непониженного уровня подземных вод в месте расположения групп дрен, считая от почвы пласта), м; х1, х2, х3, …хn – расстояние от искомой точки депрессионной кривой до группы соответствующих дрен, м. Для прямоугольного контура вместо величины в формулу можно подставить расстояние от центра контура до искомой точки. 4.6.2 Расчет линейного ряда водопонижающих скважин Расчет приводится для случая, когда при работе линейного ряда дрен формируется устойчивая во времени депрессионная воронка, границы которой определяются величиной радиуса депрессии. а) для условий безнапорных вод при определении дебита ряда совершенных вертикальных дрен (рисунок 4.8) применяется формула А.В. Романова: , м3/сут (4.12) где HS – мощность водоносного горизонта (непониженный уровень водоносного горизонта), м; k – коэффициент фильтрации , м/сут; S – понижение уровня воды в дренах, м; ? - половина расстояния между дренами, м; rc – радиус дрен, м; R1 – расстояние от ряда дрен до области питания, м; R2 – расстояние от ряда дрен до области естественного дренажа, м; L=R1+R2 – расстояние между областями питания и естественного дренажа, м. Рисунок 4.8 – Схема расчета линейного ряда совершенных вертикальных дрен при их работе в условиях безнапорных вод Депрессионную кривую по линии, направленной нормально к линейному ряду и проходящей через каждую из дрен можно определить по формуле С.Ф. Аверьянова: , м (4.13) 113 где Нх – высота депрессионной кривой (Нх) на расстоянии х метров в направлении, перпендикулярном ряду линейных скважин; НS – мощность водоносного горизонта (до понижения), м; а – коэффициент, значения которого могут быть подсчитаны по формулам: в сторону области питания ; (4.14) в сторону естественного дренажа ; (4.15) (4.16) определяется по графику (рисунок 4.9) в зависимости Рисунок 4.9 – График зависимости коэффициента А от отношения ? rc б) в условиях напорных вод определение дебита совершенных вертикальных дрен (рисунок 4.10) производится по формуле А.С. Романова: , м3/сут, (4.17) где k – коэффициент фильтрации, м/сут; m – мощность водоносного горизонта напорных вод, м; S – требуемое снижение пьезометрического уровня (величина депрессии), м; R – радиус влияния водопонижающей скважины, м; 2? - расстояние между скважинами, м; rc – радиус скважины, м. Депрессионная кривая (Нх), направленная по нормали к линейному ряду дрен и приходящей через каждую из дрен , м (4.18) где а – коэффициент, определяемый по формуле (стр. 114), а величину А находим по графику (рисунок 4.9). Высота остаточного столба воды (hост.) определяется формулой , м, (4.19) где М – высота подъема воды над кровлей водоносного горизонта 115 Рисунок 4.10 – Схема к расчету линейного ряда совершенных вертикальных дрен при их работе в условиях напорных вод Рисунок 4.11 – График для определения величины ln(1-e -?x) ? 116 Для определения сниженного напора посередине между дренами точка а (рисунок 4.10) на расстоянии х метров используется формула С.Ф. Аверьянова: , м, (4.18) где выражение - логарифм модуля, находим по графику (рисунок 4.11). 4.7 Дренажные системы и устройства, применяемые при водопонижении и осушении шахтных полей и горных выработок Дренажные системы и устройства представляют собой совокупность технических средств, применяемых с целью дренажа карьерных и шахтных полей. К ним относятся водопонижающие скважины, оборудованные погружными насосами; стволы дренажных шахт; штреки с системами сквозных и забивных фильтров и др. Выбор систем дренажа зависит от гидрогеологических условий и горнотехнических особенностей разработки. Дренажные устройства могут закладываться непосредственно с поверхности, находиться в горных выработках, а также представлять собой системы специальных капитальных горных выработок, необходимых для осушения. В соответствии с этим дренажные устройства разделяются на поверхностные, подземные и комбинированные. К поверхностным относятся вертикальные водопонижающие, водопоглощающие скважины, иглофильтровые установки и опережающие поверхностные траншеи. Водопонижающие скважины (рисунок 4.12) диаметром 200-800мм проходят для снижения уровня (напора) в водоносных горизонтах, залегающих на глубинах 25-500 м, мощностью свыше 10 м, с коэффициентом фильтрации более 1 м/сут, пробуренные до почвы водоносного горизонта. Такие скважины оборудуются погружными насосами. При пересечении водоносных горизонтов устанавливают фильтры в зернистых породах или перфорированные трубы (в трещиноватых породах). Скважины могут дренировать один или несколько водоносных горизонтов. Применение водопонижающих скважин возможно для осушения нескольких надугольных водоносных горизонтов и снятия напора в подугольных. Целесообразно дренировать одной скважиной не более двух водоносных горизонтов. При ведении горных работ водопонижающие скважины располагают в один или два параллельных ряда в пределах осушаемого участка или по его периметру. Водопонижающие скважины предназначены для пропуска воды из верхних горизонтов (с низкими фильтрационными свойствами и сравнительно малой мощностью) в нижние (с более высокими фильтрационными свойствами) при условии, когда величина напора воды в нижнем горизонте ниже почвы разрабатываемого угольного пласта. По конструкции поглощающие скважины представляют собой самотечные устройства, работающие при наличии разности напоров. 1 – суглинки; 2 – пески мелкозернистые; 3 – песчаные глины; 4 – известняки; 5 – глины; 6 – уровень безнапорных вод; 7 – уровень напорных вод; 8 – фильтры в дренажных скважинах; 9 – направление движения воды в дренажных скважинах и осушаемых пластах Рисунок 4.12 – Схема дренажа подземных вод системой водопонизительных скважин при проходке шахтного ствола Однако, необходимо учитывать, что такие водоносные горизонты могут служить источником питьевого водоснабжения, поэтому возможность сброса шахтных вод, нередко загрязненных продуктами разложения органических веществ и др. должна решаться после тщательного анализа сбрасываемых вод. Иглофильтровые установки применяются для временного или локального понижения уровня подземных вод в песчаных или песчано-глинистых породах с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 50 м/сут. Рисунок 4.13 – Схема работы забивного фильтра Иглофильтры – это скважины малого диаметра с небольшой глубиной заложения. Принцип их действия основан на создании и поддержании вакуума с помощью насосов, погруженных в водонасыщенную породу иглофильтров, через которые подземные воды засасываются в коллектор и откачиваются за пределы осушаемого участка. Такие установки позволяют снизить уровень воды до 7-8 м, иногда до 24 м. Длина иглофильтровых установок достигает 50-100 м. Опережающие поверхностные траншеи сооружаются для снижения уровня воды в маломощных (до 10 м) и неглубоко залегающих (до 15 м) водоносных горизонтах. Откачка воды из траншей производится центробежными насосами низкого давления. Подземный способ осушения месторождений угля осуществляется при помощи специальных дренажных горных выработок (дренажных штреков), в почву и кровлю которых устанавливают забивные или сквозные фильтры, аэрирующие скважины, дренажные колодцы и др. Дренажные штреки предназначены для осушения пласта полезного ископаемого и водоносных горизонтов, расположенных вблизи кровли и почвы пласта угля. На шахтах роль дренажных штреков выполняют подготовительные выработки, которые служат для сбора воды из забивных или сквозных фильтров и закладки водопонижающих дренажных колодцев и скважин. Забивные или сквозные фильтры – это скважины диаметром 100-500 мм, пробуренные с земной поверхности до кровли горной выработки или дренажного штрека, обсаженные трубами и оборудованные фильтрами в интервале водоносных горизонтов (рисунки 4.13, 4.14). Их применяют для дренажа водоносных горизонтов, залегающих на расстоянии 2-30 м от кровли выработки и мощностью более 15 м. Длина забивных фильтров обычно соответствует расстоянию от кровли штрека до почвы водоносного горизонта плюс 0,5-1,5 м, установленных на расстоянии 10-30 м друг от друга (в зависимости от водных свойств горных пород). Одновременно могут работать до 20 забивных фильтров с дебитом 5-7 м3/час и более и радиусом влияния 50-100 м. 1 - сквозной фильтр; 2 – забивной фильтр; 3 – восстающая скважина; 4 – штрек; 5 – отводная канава; I, II, III – водоносные пласты Рисунок 4.14 – Подземная система дренажа Забивные фильтры эффективно действуют в течение одного-полутора месяцев с общей продолжительностью 9-12 месяцев. При необходимости дренировать несколько глубоколежащих водоносных горизонтов лучше применить сквозные фильтры (рисунки 4.14, 4.15), т.е. скважины большого диаметра (25-50 см) с двухслойной фильтрующей засыпкой. Для более интенсивного осушения пласта полезного ископаемого между забивными фильтрами сооружают аэрирующие скважины, которые давлением воздуха ускоряют поступление воды из пласта к забивному фильтру. С целью интенсификации осушения слабопроницаемых пород (КФ 0,05 м/сут) используют электроосмотический способ водопонижения, основанный на явлении электроосмоса – направленного движения воды 1 – двухслойная в породы при пропускании через нее фильтрующая постоянного электрического тока. засыпка; Дренажные колодцы – вертикальные горные 2 – перфорированная выработки, служащие для снижения напора в труба; водоносных горизонтах, залегающих ниже 3 – отводная труба подошвы выработок. Закладывают их на Рисунок 4.15 – Схема пониженных участках почвы выработок на сквозного фильтра глубину 1-3 м и более. Откачка воды из них осуществляется в течение всего периода работы горной выработки с помощью центробежных насосов. Производительность их должна быть на 10-15 % выше притока воды в колодец. Дренажные канавы – служат для дренирования почвы горной выработки и рабочего пласта и транспортирования воды по горным выработкам. Располагают их в штреках под людским проходом, а на двухпутьевых штреках – под одним из путей. Дренажные канавы располагаются под уклоном к водосборнику или перекаточному колодцу, глубиной 0,5-1,0 м. Чем больше уклон дренажной канавы, тем на большее расстояние они располагаются друг от друга. Для повышения эффективности работы дренажных устройств и сокращения срока осушения месторождения полезного ископаемого разработаны различные способы интенсификации дренажа. В скальных породах применяют гидравлический разрыв пласта, торпедирование скважин и их прострел, проходят многозабойные скважины. При приуроченности водоносных горизонтов к карбонатным породам используют кислотную обработку скважин. Подземные способы осушения наиболее эффективны для месторождений со сложными гидрогеологическими условиями при наличии в кровле и почве пласта полезного ископаемого водоносных горизонтов. Комбинированные способы осушения месторождений состоят в одновременном применении элементов поверхностного и подземного способов в различных сочетаниях. Наиболее применимы комбинированные способы осушения при открытой разработке полезного ископаемого. Контрольные вопросы 1. Назовите типы и подтипы каменноугольных месторождений Донбасса по гидрогеологическим признакам; 2. Сформируйте понятие «коэффициент водообильности»; 3. Как подразделяются месторождения твердых горючих полезных ископаемых и шахтных полей по степени обводненности? 4. Назовите факторы обводненности горных объектов; 5. Назовите и охарактеризуйте способы определения прогнозных водопритоков к горным объектам; 6. Назовите и охарактеризуйте виды водопритоков в горные выработки; 7. Охарактеризуйте шахтный водоотлив; 8. Назовите виды и категории запасов подземных вод; 9. Назовите и охарактеризуйте способы осушения МПИ. 7 ОХРАНА И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ В УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ РАЙОНАХ |
|