Водоприток к горным выработкам

1. Месторождение

Месторождение водоприток горный

Месторождение - это "такое природное скопление полезного ископаемого, которое в количественном и качественном отношении может быть предметом промышленной разработки при данном состоянии техники и в данных экономических условиях (промышленное месторождение). Другие скопления, которые по своим данным могли бы разрабатываться лишь при изменившихся технико-экономических условиях, относят к непромышленным

Состав, методика и объем гидрогеологических и инженерно - геологических работ при региональной оценке, поисках, разведке и эксплуатации месторождений определяются последовательностью этапов и стадий, представляющих собой единый геологоразведочный процесс.

Выделяют три этапа и пять стадий проведения геологоразведочных работ с выделением эксплуатационных запасов:

Этап I. Работы общегеологического назначения (стадия 1 - региональное геологическое изучение недр: на этой стадии определяют ресурсы (Р) и, возможно, частично выявление запасов по категории С2).

Этап II. Поиски и оценка месторождения (стадия 2 -- поисковые работы: на этой стадии выделяют запасы по категориям С2+С1; стадия 3 -- оценка месторождения: на этой стадии оцениваются запасы по категории С1+B).

Этап III. Разведка и освоение месторождений (стадия 4 - разведка месторождения по категориям B+С1; стадия 5 - эксплуатационная разведка по категориям А+В).

В соответствии с народно - хозяйственным значением выделяется две группы запасов : балансовый и забалансовый. К балансовым относятся такие запасы, использование которых в соответствии с кондициями экономически целесообразно с соблюдением требований по рациональному использованию недр и геоэкологическим условиям. Забалансовыми считаются запасы, которые в настоящее время использовать экономически не целесообразно или технически не возможно, но в будущем он могут быть переведены в балансовые.

Наиболее важными факторами, обусловливающими гидрогеологиче-ские и инженерно-геологические условия разработки месторождений, являются: характер и степень водоносности пород, количество и мощность водоносных горизонтов, их фильтрационные свойства (коэффициент филь-трации, уровнепроводимость, пьезопроводность), расположение, размеры, условия питания и дренажа водоносных горизонтов, связь подземных вод с поверхностными водоемами и водотоками, величины гидростатического и гидродинамического давления на кровлю и почву полезного ископаемого, литологический состав и мощность покровных отложений, степень изоля-ции полезного ископаемого водоупорными слоями, химический состав подземных и поверхностных вод и пр.

2. Водоприток к горным выработкам

К основным природным факторам обводнения месторождений твердых полезных ископаемых относятся: атмосферные осадки, рельеф местности, фильтрация воды из поверхностных водотоков и водоемов, состав покровных пород, степень обнаженности коренных пород, литологический состав пород, вскрываемых горными выработками, изменение водопроницаемости пород с глубиной, тектоника района и формы древнего погребенного рельефа.

В процессе эксплуатации месторождения вода поступает в горные выработки из водонасыщенных пластовых трещин и более крупных пустот, вскрываемых подземными или открытыми выработками. Количество воды, поступающей в горные выработки, обуславливается рядом естественных и искусственных факторов, влияющих на обводнение неодинаково.

Конкретные данные о характере и степени обводненности месторождений получают в результате наблюдений над притоками воды в горные выработки и над различными проявлениями водоносности при разработке месторождений.

Очень важное значение имеют физико-геологические явления, возникающие в процессе притока воды в горные выработки и осложняющие их проходку и разработку залежей полезных ископаемых; сюда относятся прорывы плывунов, оползней откосов карьеров, пучение почвы или кровли выработок и т. д.

Водопритоки к горным выработкам зависят от принятой системы разработки месторождения, от формы, глубины и объема горных выработок, их ориентировки (вертикальные, наклонные, горизонтальные) и ряда других факторов.

В процессе разработки месторождения происходит систематическое снижение уровня подземных вод. Это изменение естественного режима подземных вод продолжается в течение всего периода выемочных работ на осушаемом участке.

Изменение естественного режима подземных в результате откачек из горных выработок при эксплуатации залежей и при продолжении проходки с водоотливом начинает развиваться воронка депрессии, которая будет увеличиваться по мере роста объема горных выработок.

При водоотливе наиболее низкий уровень подземных вод большей частью приходится на забой проходимой выработки. С углублением выработки при откачке воды уровень подземных вод будет понижаться. В результате длительных откачек из горных выработок и действия дренажных устройств уровень подземных вод снижается на площади, превышающей площадь разработки месторождения иногда в десятки и даже сотни раз.

Все это приводит к резкому изменению естественного режима подземных вод, а иногда и к частичному нарушению режима поверхностных вод. На поверхности земли это нарушение нередко проявляется в полном осушении заболоченных участков, неглубоких колодцев и скважин, в истощении источников или же в снижении уровня воды в глубоких скважинах, в уменьшении дебита мощных источников.

Общее количество воды, которое будет поступать в горные выработки, определяется в процессе разведки месторождения в целях выявления степени его обводненности и установления необходимой производительности насосных установок. Определение количества воды, которое может поступать в горные выработки, является одной из самых сложных и ответ-ственных задач рудничной гидрогеологии. Все проводимые на месторождениях гидрогеологические изыскания, нередко сопро-вождаемые значительным объемом опытных полевых работ и ла-бораторными исследованиями, имеют назначением выявить гид-рогеологические условия месторождения и степень его обвод-ненности.

Эксплуатация сильно обводненных месторождений полезных ископаемых открытым или подземным способом в широких мас-штабах возможна только при условии предварительного (т. е. до начала очистных работ) проведения полного объема осушитель-ных мероприятий.

При подземном способе разработки в проекте осушительных мероприятий необходимо учитывать: 1) возможно более полное осушение пород кровли; 2) снижение пьезометрического напора вод на 1-2 м (ниже подошвы горных выработок или до пределов, при которых катастрофические прорывы подземных вод в вы-работки становятся невозможными.

Осушительные мероприятия должны проводиться е некоторым опережением по отношению к горным работам. Сроки осушения шахтных полей обусловливаются как скоростью проходки горных выработок и сооружения дренажных устройств, так и характером водопроводимости геологического разреза.

Для оценки степени обводненности месторождений предложено несколько способов.

Количество воды, поступающей в горные выработки не является постоянной величиной. Суммарный приток воды в выработки зависит не только от водопроводимости вскрытых выработками слоев горных пород, но и от объема выработок, их глубины и других факторов.

Степень обводненности того или иного месторождения можно охарактеризовать общим количеством воды, удаляемой из рудника, но эта характеристика не дает представления об объеме горных выработок, в которые поступает вода, и не отражает количества добываемого полезного ископаемого. Поэтому нередко при оценке водопритока в горные выработки предпочитают пользоваться так называемым коэффициентом водообильности или же относят величину водопритока к объемной, квадратной или линейной величине выработок; на отдельных месторождениях приток воды относят к 100 и 1000 м2 площади горных выработок.

Поскольку в настоящее время отсутствуют какие-то либо законченные сводные работы по теории водопритоков к горным выработкам, в виду разнообразия гидрогеологических обстановок, применяются следующие приближенные методы определения будущих водопритоков:

1) по гидрогеологическим аналогиям на основании наблюдений в действующих шахтах; 2) по коэффициенту водообильности; 3) по водному балансу; 4) по формулам динамики подземных вод; 5) на основе гидродинамического анализа.

В качестве отдельной задачи рассматриваются также притоки в систему затопленных горных выработок и последствия затопления.

Наиболее простой метод оценки водопритоков к горным выработкам по гидрогеологическим аналогиям основан на изучении фактических данных по водоотливу из существующих рудников с учетом гидрогеологических условий. По этому методу обрабатываются все собранные по действующему или старому, закрытому руднику сведения о величине водопритока и его режиме. Собранный и обработанный фактический материал может служить критерием для оценки возможных водопритоков к проектируемому новому горному предприятию. Данный метод оценки будущих водопритоков является приближенным и используется на месторождениях, где эксплуатация ведется продолжительное время, а новые проектируемые участки расположены на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга.

Определение водопритоков по коэффициенту водообильности представляет собой отношение количества откачанной воды (в кубических метрах) к количеству добытого за этот же срок полезного ископаемого (в тоннах).

При определении водопритока по водному балансу основной задачей является установление величины динамических ресурсов, т. е. количество воды, притекающей в горные выработки со стороны постоянных источников питания (инфильтрация атмосферных осадков, поглощение поверхностных вод, приток воды из других водоносных горизонтов). Одной из важных задач является также определение коэффициента подземного стока.

Для определения водопритока к горным выработкам по формулам динамики подземных вод необходимо знать геологический разрез, существующий (непониженный) уровень воды и коэффициент фильтрации каждого пласта. Эти данные определяются путем заложения на месторождениях разведочных скважин и производства опытных откачек.

В каждом конкретном случае для определения водопритоков к горным выработкам в условиях режимов воды (безнапорных или напорных), а также в зависимости от состава и структуры горных пород, применяют соответствующие формулы расчетов: к вертикальным горным выработкам, для понижения уровня в карьере, расчет водопритоков в горизонтальные горные выработки.

Расчет водопритоков к вертикальным горным выработкам

В условиях установившейся фильтрации приток к шахтному стволу, вскрывающему безнапорный водоносный пласт на всю мощность, при расположении шахты у контура питания (река, водохранилище ит. д.), определяют по формуле:

(1)

Где Q - водоприток к шахтному стволу, м3/сут;

К - коэффициент фильтрации, м/сут;

Н - мощность водоносного горизонта, м;

R0 - радиус шахтного ствола, м;

А - расстояние от шахты до контура питания, м.

При нестационарной фильтрации для неограниченного в плане водоносного горизонта водоприток к шахтному стволу можно рассчитать по формулам:

(для напорной фильтрации) (2)

(для безнапорной фильтрации, рис.1) (3)

Рис.1 Схема к расчету водопритоков в шахтный ствол

Где, m и Н - мощность водоносного горизонта, м;

S - заданное понижения уровня, м;

А - коэффициент пьезопроводности или уровнепроводности м2/сут;

T - время сооружения выработки, сут.

Расчет установки для понижения уровня в карьере

Одним из способов понижения уровня в карьере (осушения) явля-ется применение системы водопонизительных скважин. Расчет такой сис-темы скважин, расположенных по периметру карьера в условиях устано-вившегося движения для безнапорного водоносного горизонта, прово-дится следующим образом:

А) определяют радиус карьера, к которому приводится осушаемая площадь (с):

(4)

Где F - площадь карьера, м2;

Б) определяют суммарный водоприток в карьер (Qсум) при задан-ном понижении уровня:

(5)

Где Н - мощность водоносного горизонта, м;

S0 - заданное понижение в центре карьера, м;

К - коэффициент фильтрации, м/сут;

А/ - расстояние до контура питания, реки, м;

В) определяют дебит одной скважины, м3/сут (Qскв):

Где n - заданное количество скважин, производительность которых зависит от гидрогеологических условий;

Г) определяют понижение уровня в скважине (S):

(6)

Где r0 - радиус скважина, м.

В условиях нестационарного режима фильтрации общий водо-приток к карьеру радиусом r0 на расчетный момент времени при неогра-ниченном в плане пласте определяют по формуле:

(7)

Где R = 1,5 ;

T - время, отсчитываемое от момента вскрытия пласта, сут.

При оценке водопритоков в подземные горные выработки можно применять те же аналитические зависимости, что и при расчете водопритока в карьер. При эксплуатации шахт прежде всего определяют водоприток при ведении очистных работ; он слагается из притока в выработанное пространство по контуру (боковой приток) и притока по площади очистных работ. Боковой приток рассчитывают как сумму притоков из всех водоносных пластов, находящихся в зоне трещин над выработанным пространством (зоне обрушения).

Расчет водопритоков в горизонтальные горные выработки

Водоприток в открытые горизонтальные горные выработки может происходить за счет наличия подземных и поверхностных источников.

Для расчета водоотливных установок эти водопритоки оцениваются раздельно.

Водоприток в разрезную траншею за счет подземных вод при неустановившемся режиме рассчитывается по формуле:

(8)

Где Q - водоприток в траншею, м3/сут;

В - протяженность разрезной траншеи, м;

Н - мощность водоносного горизонта, м;

H - величина участка высачивания (вскрытая мощность) водоносногогоризонта.

Для других расчетов следует использовать специальную литературу.

Способы осушения карьерных и шахтных полей

Существует три вида осушения: 1) предварительное; 2) эксплуатационное; 3) комбинированное. В процессе предварительного осушения регулируется поверхностный сток, отводятся реки и водоемы за пределы разработок, осуществляется глубокое водопонижение скважинами (вертикальный дренаж), горизонтальный и поглощающий дренаж. Эксплуатационное осушение обеспечивается откачкой шахтных притоков и подструйным водоотливом на карьерах, заложениями специальных дренажных выработок, различного рода фильтров (забивные, сквозные, иглофильтры), изоляцией горных выработок от подземных вод различными способами.

Комбинированное осушение, наиболее распространенное на практике, представляет собой оптимальную комбинацию различных осуши-эксплуатационном осушении.

Открытый способ разработки применяется чаще всего при эксплуатации бурых углей, железной руды, россыпных месторождений благородных металлов, глин, песков, известняков и других строительных материалов. При открытой разработке полезных ископаемых, залегающих ниже уровня подземных вод, необходимо тем или иным методом искусственно снизить уровень подземных вод до подошвы карьера.

В процессе изысканий, предшествующих открытой разработке месторождений, собираются материалы для освещения следующих вопросов:

- предполагаемые величины водопритоков в горные выработки из надпродуктивных или подпродуктивных водоносных горизонтов; - возможность инфильтрации поверхностных вод из ближайшей реки в карьер; - вероятность возникновения оползневых явлений; - устойчивость откосов карьера.

При открытых разработках применяются следующие меры борьбы с подземными водами: 1) поверхностный горизонтальный дренаж; 2) от-вод русел рек за пределами карьерных полей; 3) глубокое водопонижение; 4) комбинированное осушение.

Поверхностный горизонтальный дренаж применяется при неглу-боко залегающем обводняющем горизонте. Он представляет собой от-крытые канавы (дрены), собирающие воду. Дрены могут быть в плане кольцевыми, опоясывающими участок по всему периметру; контурны-ми, которые закладываются для перехвата основного источника питания на каком-либо участке; системой каналов, предназначенных для допол-нительного перехвата потока, если последний не может быть перехвачен контурным дренажом.

Отвод русел рек за пределы карьерных полей осуществляется в слу-чаях расположения продуктивных залежей на участках эрозионных вре-зов, т. е. долинах рек. Нередко возникает необходимость защиты карье-ров от паводковых вод при помощи дамб.

Глубокое водопонижение (вертикальный дренаж) применяется для снижения напорного или безнапорного уровня до заданной величины при помощи заложения с поверхности системы взаимодействующих скважин. Нередко карьеры осушаются системой специальных выработок в сочетании со сквозными, забивными фильтрами. Осушение карьера при помощи глубоких скважин, расположенных по его периметру можно рассчитать по выше указанным формулам.

В очень сложных гидрогеологических условиях применяют комбинированный способ осушения. Обычно при открытой разработке выделяют два периода: 1) период строительства; 2) период эксплуатации. используют поглощающие скважины или дренажные штреки, пройденные по углю. На Стойленском железорудном карьере КМА используются дренажные штреки и сквозные фильтры, инжекторные иглофильтры и горизонтальный дренаж.

Широкое применение находят системы из водопонижающих скважин, расположенных по периметру карьера, а также горизонтально пробуренные скважины в бортах карьера.

При проведении подземных выработок используются следующиегорных выработок; 2) дренажные устройства; 3) непосредственный водоотлив из рудников; 4) изоляция от поверхностных вод; 5) предварительное водопонижение; 6) специальные методы проходки шахтных стволов; 7) бурение опережающих скважин, проведение передовых штреков и др.

Каждый из перечисленных методов имеет свой набор технических, химических и других способов применения в различных геологических, гидрогеологических, морфологических, литологических и других условиях.

При проведении подземных горных выработок необходимо стремиться расположить их в менее водообильной зоне, особенно это касается районов развития карста. Следует также избегать проходки шахтных стволов в зонах тектонических трещин и т. д.

Количество и расположение дренажных устройств должно обеспечивать интенсивность осушения, что достигается не только увеличением суммарного дебита, но и более быстрым снижением уровня в начальный период.

На практике используются различные способы рудничного водоотлива. При небольших водопритоках применяются бадьи, скипы, вагонетки. При значительных поступлениях воды в горные выработки применяются стационарные установки большой производительности (СУБР).

Под руслами рек и других водоемов разработка полезных иско-паемых должна проводиться с большими мерами предосторожности. Одной из них является оставление охранных целиков, как постоянных, так и временных. Устраивают иногда водозадерживающие плотины, от-водные каналы и др.

При проходке шахтных стволов в неустойчивых обводненных по-родах используются специальные методы: забивные и опускные крепи, кесонный способ (с нагнетанием воздуха в ствол для отжатая воды), хи-мический способ закрепления (жидким стеклом, хлористым кальцием), тампонированием цементным раствором, глинизация, битумизация, ис-кусственное замораживание охлажденным рассолом (t° до -30°С) и др. В процессе эксплуатации широко используется предварительное осушение как с поверхности, так и из горных выработок.

Расчет водопритока в котлован

Условия задачи.

На расстоянии 400м от реки находится котлован паводкового водосброса с размерами 70м и 250м. Котлован отрыт в среднезернистых песках с включениями гравия мощностью 40м с коэффициентом фильтрации 8,5 м/сут.

Для понижения уровня в котловане проектируется контур вертикальных скважин расположенных по контуру с размером 90x270 метров. Глубина котлована 9метров, уровень паводковых вод поднимается на 3 метра выше отметки кровли котлована. Определить:

1. количество скважин водопонизительной установки при производительности поршневого насоса 20 м3/час; 2. необходимое понижение уровня скважины водопонизительной установки при скважинном радиусе 0,150 м.

Решение.

1. по формуле (1) определим радиус "большого колодца"

М,

2. по формуле (2) определим суммарный водоприток в котлован

2а. определим ладанное понижение в центре котлована

2м - глубина уровня в центре котлована, необходимая для работы техники;

- превышение уровня воды в паводок над котлованом, равное 3м.

2б. определим величину эффективного расстояния до контура питания

R=2400=800 м, где

L - расстояние от котлована до реки.

= м3/сут

3а. для контура водопонижения выбираем электро поршневой насос с производительностью 20 м3/час или 480 м3/сут.

Количество водопонизительных скважин выбираем по формуле (4)

= 32 шт

4. определим понижение уровня в скважине по формуле

;

Где Н - мощность вод горизонта, равна 40м;

K - коэффициент фильтрации, равен 8,5 м/сут;

Qскв - дебит одной скважины, равен 480 м3/сут;

N - количество водопонизительных скважин, равно 32 шт;

Rk - радиус "большого колодца", равен 114,6м;

Rскв - радиус скважины, равен 0,15м.

= ==

== 40-20,61=19,39м

Согласно расчетам, что для понижения уровня воды в центре карьера на 14м в скважине при водосборе равном 480 м3/сут необходимо понизить на 19,39м.

Расчет водопритока к вертикальным горным выработкам

Условия задачи.

Шахтный ствол проводится в водоносных песках, содержащих безнапорный водоносный горизонт мощностью 60м, с коэффициентом фильтрации 4 м3/сут. На расстоянии 2 тыс. метров протекает река, гидравлически связанная с водоносным горизонтом. Радиус ствола шахты-2м. Требуется определить приток подземных вод к шахте при глубине ниже естественного уровня подземных вод - 10, 20 и 60м.

Пользуясь схемой к расчету водопритоков в шахтный ствол, определим приток подземных вод к шахте при пониженных уровнях на 10 и 20м по формуле 6.

По таблице 1 найдем значение