Снижение обводненности прибортового массива с использованием технологии гидродинамической прочистки закрытого трубчатого дренажа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт горного дела УрО РАН

СНИЖЕНИЕ ОБВОДНЕННОСТИ ПРИБОРТОВОГО МАССИВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ПРОЧИСТКИ ЗАКРЫТОГО ТРУБЧАТОГО ДРЕНАЖА

Усанов С.В., Мельник В.В., Усанова А.В.

Екатеринбург

Аннотация

гидродинамический дренаж карьер водоприток

Объектом исследования являются водопритоки из верхних водоносных горизонтов прибортового горного массива Соколовского карьера и состояние закрытого трубчатого дренажа. Цель работы - исследовать изменение водопритоков после гидродинамической прочистки горизонтального трубчатого дренажа, оценить протяженность и частоту засоров труб. Методы исследования: анализ горного-геологических условий прибортового массива Соколовского карьера, замеры водопритоков на выходах из горизонтального трубчатого дренажа до и после прочистки труб, гидродинамическая прочистка труб. В результате исследований установлены протяжённые закольматированные участки труб, увеличена пропускная способность дренажа, осуществлен прогноз водопонижения в прибортовом массиве верхних горизонтов Соколовского карьера и даны рекомендации по поддержанию эффективного водоотлива на верхних горизонтах.

Ключевые слова: водоносный горизонт, водопритоки, горизонтальный трубчатый дренаж, водосбросная скважина, засоры, гидродинамическая промывка, открытые горные работы, деформации уступов, повышение устойчивости уступов.

Annotation

REDUCED WATER FLOW RATE OF ADJACENT ROCK MASS WITH THE USE OF TECHNOLOGY OF HYDRODYNAMIC CLEANING OF CLOSED PIPE DRAINING

Usanov S.V., Melnik V.V., Usanova A.V.

Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Yekaterinburg, Russia

The object of the study is water inflows from the upper water-bearing layer of the instrument mountain massif of the Sokolovsky quarry and the state of closed pipe draining. The purpose of the work is to look into the change in water inflows after hydrodynamic cleaning of horizontal pipe draining, to evaluate the extent and frequency of blockages of pipes. Research methods: Analysis of the mountain-geological conditions of the Sokolovsky open pit mine array, measurements of water inflows at the exits from horizontal pipe draining before and after pipe cleaning, as well as hydrodynamic pipe cleaning. As a result of the studies, extended, clogged sections of pipes were established, drainage capacity was increased, a forecast of water reduction in the instrument array of the upper horizons of the Sokolovsky quarry was made, and recommendations were made for maintaining effective drainage at the upper horizons.

Keywords: water-bearing layer, water inflow, horizontal pipe draining, spillway hole, block, hydromatic cleaning, open-cut mining, deformation of dropwall, increasing the rigidity of dropwall.

Введение

Горные работы на Соколовском карьере начаты в январе 1955 года [1]. К 2017 году вынуто более 1 млрд. м³ горной массы, а глубина карьера достигла 525 м. Доработка карьера с учетом разноски и углубки продлится порядка 20 лет.

Соколовское месторождение относится к числу наиболее сложных в горно-геологическом отношении железорудных месторождений. На месторождении выделяются два инженерно-геологических комплекса пород: 1) комплекс слабых и средней крепости пород; 2) комплекс крепких и средней крепости палеозойских пород, включающий рудные залежи.

Комплекс рыхлых пород, представлен покровными мезокайнозойскими отложениями и глинами коры выветривания палеозойских пород, имеет повсеместное распространение. Породы залегают практически горизонтально на глинах коры выветривания. Мощность рыхлых отложений в среднем составляет 100 м. Мезокайнозойские отложения представлены разновозрастными осадочными породами: суглинками, глинами, песками, глинистыми опоками и песчаниками.

Комплекс крепких и средней крепости палеозойских пород представлен осадочными, эффузивными, осадочно-вулканогенными и метасоматическими породами, интрузиями диорит-порфиритового состава, контактово-метаморфическими образованиями.

Гидрогеологическая характеристика месторождения

Гидрогеологические условия отработки месторождения весьма сложные [2]. Рудные тела залегают в водоносном комплексе скальных пород палеозоя и перекрыты мощной толщей песчано-глинистых отложений мезокайнозоя, содержащих три, повсеместно расположенных, водоносных горизонта (комплекса):

- водоносный горизонт четвертичных и неогеновых отложений;

- водоносный горизонт олигоценовых отложений;

- водоносный комплекс мел-палеогеновых отложений.

Региональным водоупором в пределах месторождения являются чеганские глины

Верхняя зона - грунтовые воды над толщами указанных водоупорных глин, приуроченные к пескам олигоцена, неогена или четвертичным супесям. Она характеризуется преимущественно благоприятными условиями инфильтрационного питания, 80-95 % которого обеспечивается за счет поступления снеготалых вод.

К нижней зоне относятся подземные воды, приуроченные к породам опоковой толщи, пескам и песчаникам мела (палеоген-меловой водоносный горизонт) и к трещиноватым породам фундамента (палеозойский водоносный комплекс). Эта зона характеризуется ограниченностью питания, обеспечиваемого главным образом за счет перетекания вод верхней гидродинамической зоны на участках размыва глин регионального водоупора.

На Соколовском карьере действует сложная система водопонижения [3], [4], которая развита по всему периметру месторождения и охватывает четыре водоносных горизонта Соколовского месторождения: 1) водоносный горизонт четвертичных отложений; 2) водоносный горизонт неогеновых отложений; 3) водоносный горизонт олигоценовых отложений; 4) водоносный комплекс мел-палеогеновых отложений.

Водопонизительная система Соколовского карьера состоит из внутрикарьерных дренажных устройств и подземного дренажного комплекса. Внутрикарьерные дренажные устройства включают в себя: горизонтальные трубчатые дренажи по меловому и неоген-олигоценовому водоносным горизонтам, дренажные канавы, 2 зумпфа, ливнесточную систему, ливне-приемники. Подземный дренажный комплекс Соколовского карьера включает два шахтных ствола шахта «Южная-2» и «Южная-Вентиляционная», расположенных за пределами карьера и 12 км подземных горизонтальных дренажных выработок по периметру карьера. С поверхности в штреки пробурены сквозные фильтры, оборудованные фильтрами на меловой водоносный горизонт, а также есть система водосбросных скважин. Из штрека на меловой водоносный горизонт пробурены восстающие скважины.

Конструкция горизонтального трубчатого дренажа представлена канавой, пройденной в водоупоре, по дну которой смонтированы перфорированные асбоцементные трубы диаметром 300 мм [5], [6]. В качестве фильтрующего слоя использован щебень фракции 5 - 20 мм, которым покрыты канава и асбоцементные трубы. После ввода в эксплуатацию в семидесятых годах прошлого века дренаж ни разу не прочищался.

Дренаж четвертичного и олигоценового водоносных горизонтов расположен на отметках 165 - 170 м по периметру карьера. В северо-восточной части он представлен открытой дренажной канавой. Сброс воды производится в подземную дренажную систему самотеком.

Дренаж мелового водоносного горизонта построен по кровле коры выветривания и по кровле темно-серых пылеватых песков. Вода из дренажа и юге-восточного зумпфа гор. +90 м сбрасывается по водосбросным скважинам в подземную дренажную систему самотеком.

При длительной эксплуатации дренажа, более 10 лет, происходит заиливание асбоцементных труб мелкозернистым песком и глинистыми частицами [7], [8], [9]. При выходе воды из водоносного горизонта происходит ее обогащение кислородом, окисляются ионы железа, меди и алюминия, которые выпадают в осадок, происходит кольматация дренирующего слоя, перфорация асбоцементных труб зарастает отложениями.

В связи с этой проблемой целью работы является исследование водопритоков из горизонтального трубчатого дренажа, который расположен на верхних уступах западного и северного бортов Соколовского карьера для определения участков кольматации труб и оценка эффективности водоотдачи мелового водоносного горизонта в горизонтальную дренажную систему, оценка протяженности и частоты засоров труб.

Средние значения водопритоков за последние 15 лет по меловому и неоген-олигоценовому горизонтам уменьшились на 15-30 %, что свидетельствует о снижении притоков к восстающим скважинам, сквозным фильтрам и недостаточной компенсацией притока к прибортовым дренажам при сохраняющихся значительных напорах подземных вод. Эффективность работы дренажной системы Соколовского карьера по Северному и Западному борту от ввода их в эксплуатацию до настоящего времени снизилась десятки раз. Этим и продиктована необходимость проведения мероприятий по очистке дренажных устройств в условиях продолжения эксплуатации карьера на 20 лет.

Неогеновые суглинки, супеси и олигоценовые пески в осушенном состоянии устойчивы, в обводненном - приобретают текучее состояние. Чеганские глины легко выветриваются под действием атмосферных явлений и в откосах выполаживаются до угла естественного откоса в 27 - 30°.

Откосы опоковой толщи весьма устойчивы, при отработке требуют предварительного рыхления взрывом. На постоянных бортах опоковая толща в откосах растрескивается и осыпается под углом 27 - 30°. Меловые пески в осушенном состоянии устойчивы, а при интенсивных выходах воды уступы подвержены размыву.

В бортах карьера по состоянию на 2017 год зарегистрировано 38 деформационных участков, различного масштаба (Рисунок 1). В палеозойском фундаменте деформационные процессы менее развиты по сравнению с рыхлой мезо-кайнозойской толщей [10], [11]. Только шесть деформаций из тридцати восьми произошли в палеозойских породах. Деформации проявляются концентрировано, на одних и тех же участках карьера, которые можно условно объединить в группы: 1) северная; 2) восточная; 3) южная; 4) западная.

Водопропускная способность дренажных выработок (сквозных фильтров, восстающих скважин, закрытого трубчатого дренажа и др.) значительно сократилась, в связи с чем вырос уровень обводненности прибортовых массивов карьера. Прочистка закрытого трубчатого дренажа, находящегося на западном и северном бортах карьера повысит фильтрационные характеристики действующей дренажной системы и снизит обводненность рыхлых отложений неоген-олигоценогого и мелового водоносных горизонтов, выходящих непосредственно в борта карьера, а, следовательно, в перспективе повысит устойчивость уступов [12].

Методика исследований

Трубчатый дренаж расположен на горизонтах: 1) гор. +170 м/+165 м - олигоценовый водоносный горизонт; 2) гор. +100 м/+80 м - меловой водоносный горизонт. Для определения протяженности закольматированных участков горизонтального трубчатого дренажа и влияния кольматации на водопритоки выбрано несколько обособленных участков на верхних горизонтах западного и северного бортов, которые не подлежат разноске. Общая длина экспериментального участка составляет 6000 м (Рисунок 1), а всего выбрано 7 обособленных участков дренажной системы на горизонтах +170 м и +85 м. Работы проводились с августа по октябрь.

Рис. 1 Схема расположения экспериментальных участков гидродинамической промывки горизонтального трубчатого дренажа Соколовского карьера

Прямые замеры водопритоков в трубчатом дренаже можно производить только в случае установки расходомеров по его протяжению, однако таковые на рассматриваемом объекте отсутствуют. Поэтому эффективность прочистки труб можно проследить только по работе скважинных фильтров и восстающих скважин [13], [14]. На данном этапе, основным является визуальное обследование дренажных труб до очистки и после ее проведения, которое показало значительное повышение скорости движения жидкости по очищенному дренажу.

Гидродинамическая очистка позволяет очистить трубопровод без повреждений и расстыковок [15]. Мощные струи воды под высоким давлением создают гидродинамическую ударную нагрузку на очищаемый участок, при этом давление в самом трубопроводе не создается. В зависимости от конкретных условий загрязнения или кольматации горизонтального трубчатого дренажа на сопло агрегата одевается одна из форсунок - роторная, пробивная и др. Илососное оборудование применяется для очистки колодцев - элементов горизонтального трубчатого дренажа.

В ходе гидродинамической прочистки на плане отмечались наиболее закольматированные участки и протяженность засоренного участка в трубе. Измерения протяженности засоров выполнены по длине гибкого шланга, погруженного в колодец или трубу.

Прочистка горизонтального трубчатого дренажа ведется в сторону противоположную направлению водотока в сухой трубе. После удаления засора и прочистки трубы контроль прочистки ведется по возобновлению или увеличению водотока в трубе. Контроль качества промывки и выявление разрушения трубопровода выполнен с помощью инспекции специальным телевизионным оборудованием.

Результаты исследований

Вертикальные колодцы трубчатого горизонтального дренажа, состоящие из четырех бетонных колец, заполнены водой в нижней части на большинстве обследованных участков (Таблица 1). Максимальная глубина заполнения колодцев водой на меловом горизонте составляет 2,5 м от дна, а по олигоценовому 1,5 м. Максимальная глубина заиленности колодцев достигала 0,5 м.

Таблица 1

Данные по уровню воды в дренажных колодцах до прочистки

В некоторых местах материал, которым заполнены трубы, превратился в монолитные твердые куски (Рисунок 2). Наиболее распространены засоры из корней растений, которые при гидродинамической промывке очищаются от минеральных наростов, но продолжают препятствовать прохождению воды по трубе. В таких случаях для среза корней использованы фрезерные насадки. В среднем закольматированные участки в трубах дренажа составляли первые метры. Наиболее протяженные участки кольматации находятся в юго-западной части карьера на горизонте +170 м, где их длина достигала 10 м.

Рис. 2 Фрагмент органо-минерального материла, из которого состоит засор трубчатого дренажа

Скорость заиливания колодцев довольно низкая. С учётом эксплуатации дренажа около 50 лет скорость заиливания составляет порядка 0,01 м в год.

По результатам наблюдений за три месяца до и после прочистки дренажа по всем объектам водопонижающего комплекса выявлено, что в октябре после проведения прочистки закрытого дренажа в объеме 6,0 км, водопритоки в карьер снизились, а водопритоки шахтных вод в подземном дренажном штреке через водосбросные скважины заметно увеличился, что говорит о повышении эффективности работы дренажной системы. При общем снижении водопритоков в карьер сезонные в связи с осенними дождями увеличились.

Общие водопритоки в карьер с августа (начало работ) по октябрь (окончание работ) 2018 года снизились на 47 000 м³/мес. при увеличении паводковых осадков за этот период на 8 184 м³/мес. Водоприток шахтных вод за счет увеличения водопритоков в сбросные скважины из горизонтального трубчатого дренажа увеличился на 14 000 м³/мес. (Таблица 2).

Таблица 2

Изменение водопритоков в карьер за август - октябрь 2018 (до и после гидродинамической прочистки горизонтального трубчатого дренажа)

Заключение

Методом гидродинамической очистки повышена эффективность работы горизонтальный трубчатого дренажа. За счет увеличения водотока по дренажным канавам снижена обводненность бортов Соколовского карьера. При проведении исследований протяженности закольматированных участков из труб и колодцев удалены иловые отложения, грязь, корневища растений.

По результатам исследований рекомендовано, что проводить прочистку горизонтального трубчатого дренажа и колодцев не реже одного раза в два года [16]. Методом гидродинамической прочистки можно реконструировать имеющиеся сквозные фильтры и восстающие скважины для повышения водоотдачи прибортового массива и приведения его в устойчивое состояние.

Список литературы

1. Кусков А.П. Минерально-сырьевая база предприятий объединения / Кусков А.П., Алехин С.Н. // Горный журнал. 2004. №7. С. 24-32

2. Едигенов М.Б. Гидрогеология рудных месторождений Северного Казахстана / Едигенов М.Б., Костанай, 2013, 308 с.

3. Едигенов М.Б. Рекомендации по осушению горных выработок, ведению мониторинга и охране окружающей среды на Ломоносовском месторождении железных руд / М.Б. Едигенов // Геология и охрана недр. № 1 (54). С. 54-64.

4. Усанов С.В. Обеспечение промышленной безопасности при разработке Соколовского железорудного месторождения подземным способом в условиях обводненной налегающей толщи / Усанов С.В., А.В. Крутиков, Д.Е. Мельник // Сетевое периодическое издание Проблемы недропользования. 2018.№ 4, с. 82 - 89 - DOI: 10.25635/2313-1586.2018.04.082

5. Slavinska O. S. Optimization of engineering solutions: the case of comparison of comparison of shallow drainage constructions / Slavinska O. S., Styozhka V. V. //Avtomobilni dorohy i dorozhnie budivnytstvo. 2016. Issue 98. P. 228-237.

6. Multiple rainfall event pollution transport by sustainable drainage systems: the fate of fine sediment pollution/Allen D., Arthur S., Haynes H., Olive V.//International Journal of Environmental Science and Technology. 2016. Vol. 14, Issue 3. P. 639-652 DOI: 10.1007/s13762-016-1177-y

7. Кузнецов В.С. Состояние трубчатого дренажа грунтовых плотин нижегородской ГЭС после 60 лет эксплуатации / Кузнецов В.С., Ладенко С.Ю. // Известия всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева, 2017. том 285. С. 51-61

8. Янко Ю.Г. Работа закрытого трубчатого дренажа в ленинградской области. / Янко Ю.Г. // 2011, №2. С.31-34

9. Митрахович. А.И. Процессы заиления дрен и их самоочистка / Митрахович. А.И., Казьмирук И.Ч. // Мелиорация. Минск. 2017. №4 (82). С. 5-11

10. Усанова А.В. Мониторинг сдвижения земной поверхности при разработке Соколовско-Сарбайского месторождения методом радарной интерферометрии / А.В. Усанова, С.В. Усанов// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. № 4. С. 28-33.

11. Бермухамбетов В.А. Современное развитие идей “гармонии недр” А. Ж. Машанова в решении геомеханических проблем на предприятиях Казахстана / В. А. Бермухамбетов, А. Д. Сашурин, В. В. Мельник и др. // Сетевое периодическое издание Проблемы недропользования. - 2017. - № 3. (14) - C. 44 - 48., - DOI: 10.18454/2313-1586.2017.03.044

12. Мельник В.В. Осушение рудных тел в условиях повышенной обводненности и закарстованности налегающей толщи / В.В. Мельник, А.Л. Замятин // Сетевое периодическое научное издание «Проблемы недропользования», 2018г. Вып. 1, С.105-111. - DOI: 10.25635/2313-1586.2018.01.105, ISSN: 2313-1586.

13. Femanaez D. Mine water drainage / Femanaez D // Mine water and the enviroment, vol.12, annual issue, 2003 - p. 107-130.

14. Fernandez R. Water in mining and underground works / Femanaez D // Siamos-95 preamble. vx. Granada. 1995. - p. 97-100.

15. Кожевников В.А. Гидродинамическая прочистка трубопроводных систем / Кожевников В.А. // Энергоменеджер. 2003, № 31, С. 17-19.

16. Босых О.С. Рекомендации по очистке дренажных систем ГБУ РХ / Босых О.С. // «Управление инженерных защит». №1-2. С. 29-31

Размещено на Allbest.ru