Борьба с подземными водами при карьерных разработках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образование учреждение высшего профессионального образования

«Астраханский государственный университет»

Курсовая работа

«Борьба с подземными водами при карьерных разработках»

Астрахань-2010

Содержание

Введение

1. Подземные воды в открытых месторождениях4

1.1 Обводнённость месторождений

1.2 Изменение режима подземных вод при карьерных разработках

1.3 Определение притоков подземных вод в карьер

2. Методы предотвращения притока воды в горные выработки

2.1 Поверхностные дренажные системы

2.2 Подземные дренажные системы

2.3 Водонепроницаемые завесы

2.4 Открытый водоотлив

3. Организация защиты Лебединского карьера

Заключение

Список литературы

Введение

При проектировании карьеров необходимы гидрогеологические исследования в том месте, где будет располагаться будующий карьер. Эксплуатационные гидрогеологические исследования проводятся для выявления в натурных условиях фактических водопритоков из вскрываемых при разработке водоносных горизонтов, изучения их динамического режима в зависимости от природных и горнотехнических условий; также для определения химического состава подземных и техногенно изменённых вод. Всё это необходимо для безопасной и экономически выгодной разработки карьера.

Изучение в натурных производственных условиях режима водопритоков из вскрываемых горизонтов позволяет при необходимости скорректировать ранее принятые проектные решения. Это касается, например, мощности оборудования стационарного водоотлива, мощности и размещения дренажных устройств, типа и конструкции крепи выработок, углов откосов бортов карьера.

Эксплуатационные гидрогеологические исследования почти полностью исключают возможность прорыва воды и плывунов в горные выработки, деформации крепи, стенок выработок и бортов карьеров.

Целью данной работы является изучение методов защиты карьеров от негативного действия подземных вод.

1. Подземные воды в открытых месторождениях

1.1 Обводнённость месторождений

Обводнённость месторождения показывает степень влияния подземных и поверхностных вод на условия ведения горных работ при вскрытии и разработке месторождения. При расположении уровня подземных вод ниже залежи полезного ископаемого они не оказывают влияния на ведение горных работ. Обводненньми называются месторождения, на которых подземные воды залегают выше пласта полезного ископаемого или под пластом залегает водоносный горизонт с напорной водой, пьезометрический уровень которой стоит выше почвы полезного ископаемого. При карьерной разработке месторождения, вскрываются водоносные горизонты, в результате чего по всему периметру через борта карьера происходит фильтрация воды в выработанное пространство. Обводненность вскрышных пород и пластов полезных ископаемых осложняет ведение горных работ, поскольку создает угрозу внезапного прорыва воды в горные выработки, создает опасность оползней и обвалов бортов карьера.

Следует отметить, что поверхностные и подземные воды тесно связаны, поэтому при оценке обводнённости, следует учитывать факторы, влияющие на оба типа вод.

Приток воды в шахту или карьер характеризуется коэффициентом водообильности, представляющим собой отношение количества откачиваемой воды (в кубических метрах) к количеству добытого полезного ископаемого (в тоннах) за тот же промежуток времени (за год, месяц, сутки). Как показали исследования, проведенные М. В. Масленниковым по 12 угольным карьерам, значения коэффициентов водообильности находятся в пределах 0,3--10,7 (преобладают 0,6--3,4) и зависят от обводнённости месторождения.

Водоприток в карьеры можно оценивать величиной притока на 1 км длины карьера, который обычно изменяется от 200 до 500 м3/ч, а в сильнообводненных карьерах (например, в КМА) может достигать 1000--2000 м3/ч. обводнённость карьерный дренажный вода

Капитальные затраты и эксплуатационные расходы на откачку воды и борьбу с ней в шахтах и карьерах повышают себестоимость добываемого полезного ископаемого. Увеличение себестоимости происходит нередко из-за пониженной в 2--3 раза производительности труда в мокром забое и высокой влажности добываемого полезного ископаемого. Затопление шахты или отдельных выработок приносит большие убытки. Водоотлив, особенно в глубоких шахтах с агрессивной водой, сильно влияющий на срок работы насосного оборудования и трубопроводов, составляет одну из основных статей расходов при эксплуатации месторождения.

Большие осложнения при вскрытии и эксплуатации месторождений создают плывуны. При прорывах плывунов в горные выработки они заносят штреки на десятки метров, а иногда выводят из строя предприятие.

Также, одним из отрицательных проявлений обводненности горного массива является осложнение во взрывной подготовке вскрышных пород и экскавации. Поэтому при проектировании параметров буровзрывных работ, выборе типа взрывчатого вещества, технологии ведения взрывных работ необходимо учитывать обводненность массива.

На обводненность месторождений оказывают влияние естественно-исторические условия развития района, искусственно созданные факторы, а также система разработок.

К основным природным факторам, определяющим обводнение месторождений, относятся: 1) климат; 2) многолетняя мерзлота; 3) рельеф местности; 4) просачивание воды из поверхностных водотоков и водоемов; 5) обнаженность коренных лород и состав покровных слабопроницаемых отложений; 6) литологический состав вмещающих пород; 7) тектоника района; 8) изменение водообильности с глубиной горных выработок; 9) формы погребенного рельефа.

К искусственно созданным факторам относятся: 1) влияние старых затопленных выработок; 2) влияние незатампонированных разведочных скважин; 3) неправильное ведение горных работ.

В задачу геологических и гидрогеологических исследований при разведке месторождений входит выяснение основных факторов, определяющих обводненность месторождения.

По П. П. Климентову все месторождения по степени и характеру обводненности подразделяются на семь типов.

1 тип -- месторождения, в геологическом разрезе которых широко развиты карстующиеся породы (известняки, доломиты, гипсы). Эти месторождения отличаются наиболее высокой водообильностыо. Отдельные притоки иногда достигают 10 000 м³/ч, а коэффициент водообильности 250--300. Особенно значительные притоки наблюдаются при наличии взаимосвязи между подземными и поверхностными водами и водоемами.

2 тип -- месторождения соляные. Обводненность данных месторождений обычно незначительна. Это обусловливается тем, что соляные месторождения сверху перекрываются мощными глинистыми пластами, которые предохраняют залежи соли от размыва. Существенным фактором, также предотвращающим залежи соли от размыва, является высокая степень пластичности солей, в силу чего образующиеся в них при тектонических движениях трещины очень быстро смыкаются, что исключает возможность движения подземных вод непосредственно в соляной залежи.

3 тип -- месторождения, приуроченные к мощной толще рыхлых осадочных пород (песчано-глинистых, песчаных и т. п.). Водообильность месторождений этого типа зависит от общих физико-географических условий (климата, рельефа и т. п.). При наличии благоприятных условий для инфильтрации, водообильность может быть высокой, притоки достигают 100--400 м³/ч и более.) Коэффициент водообильности, разрабатывающих эти месторождения, колеблется от 2 до 15 и более. Особенностью данных месторождений являются также частые прорывы плывунов в горных выработках, что значительно осложняет ведение эксплуатационных работ.

4 тип -- месторождения, приуроченные к скальным трещиноватым породам, перекрытым рыхлыми образованиями, залегающими в верхней части. Водообильность этих месторождений зависит от степени трещиноватости скальных пород и от общих физико-геологических условий. При наличии гидравлической связи с поверхностными водами притоки в горные выработки могут достигать 400--600 м³/ч и более, возрастая с увеличением глубины выработок. Коэффициент водообильности в отдельных случаях достигает 10--15.

5 тип -- месторождения, приуроченные к скальным трещиноватым породам. Водообильность месторождений зависит главным образом от общих физико-географических условий, а также от степени трещиноватости и тектонической нарушенности. Водообильность обычно невелика. Притоки не превышают нескольких десятков кубических метров в час, увеличиваясь до 100--150 м³/ч только при наличии вблизи выработок поверхностных водотоков и водоемов. Коэффициент водообильности изменяется от долей единицы до 1--3.

6 тип -- месторождения с любым геологическим разрезом, расположенные на междуречье с относительно высокими отметками, а также в горных районах выше местных базисов эрозий, в результате чего они хорошо сдренированы. Притоки небольшие и борьба с рудничными водами никаких трудностей не вызывает.

7 тип -- месторождения, расположенные в толще многолетнемерзлых пород. В большинстве своем они безводные или слабоводообильные. Исключением являются месторождения, расположенные на побережье полярных морей и обводняемые морскими водами, температура которых на глубине до 200 м составляет минус 4--5° С; притоки воды в этих случаях могут достигать 100--300 м³/ч и более.

Значительные осложнения при эксплуатации месторождений, приуроченных» к многолетнемерзлым породам, вызывают участки распространения таликов. Основное внимание в подобных случаях должно быть обращено на борьбу с притоками в горные выработки поверхностных вод, которые могут поступать через талые участки, причем вследствие привноса тепла циркулирующими водами их отепляющее действие способствует размораживанию пород, что влечет за собой увеличение притоков с течением времени. В качестве профилактической меры разработку рекомендуется вести начиная с участков, наиболее удаленных от таликов, а в последнюю очередь следует форсированными темпами отрабатывать полезное ископаемое в талых породах. Имеются и другие способы ведения горных работ на месторождениях, где промороженные участки чередуются с талыми, излагаемые в специальных руководствах.

1.2 Изменение режима подземных вод при карьерных разработках

Характер изменения режима подземных вод на прилежащей к месторождению площади и режим водопритоков в горные выработки зависят в первую очередь от общих физико-географических, геологических и гидрогеологических условий и затем от принятой системы разработки месторождения, от формы, глубины и объема горных выработок, их пространственного расположения, скорости ведения горных работ и других факторов.

В дальнейшем, начиная со времени строительства горного предприятия и до конца его существования, природные гидрогеологические условия и естественный режим подземных вод месторождения под влиянием горных выработок и осуществляемых при этом дренажных мероприятий постепенно нарушаются. В результате длительного действия дренажных установок уровень подземных вод понижается на площади, в десятки и сотни раз превышающей площадь шахтного поля, причем по мере углубления горных выработок увеличивается и площадь, на которой проявляется дренирующее влияние водоотлива.

В результате водоотлива, как указывалось, образуется воронка депрессии. В начале откачек она увеличивается сравнительно быстро; в дальнейшем выполаживание и сглаживание форм воронки протекает весьма медленно, в течение ряда лет. При уменьшении фронта горных работ воронка депрессии уменьшается, при расширении, а также при углублении -- увеличивается и особенно быстро достигает значительных размеров (свыше 30 км) при наличии трещиноватых и закарстованных водоносных горизонтов. Развитие депрессионной воронки в напорных водоносных горизонтах при откачках происходит значительно быстрее.

1.3 Определение притоков подземных вод в карьер

Определение притока воды в карьер и шахту является одной из самых сложных задач гидрогеологии. Все существующие методы расчета являются приближенными вследствие многообразия естественных факторов, определяющих приток, и изменений гидрогеологических условий месторождения при проведении горных выработок. В процессе осушения месторождения осушаемая площадь и количество дренажных устройств всё время меняются, зеркало подземных вод резко понижается, при этом могут появляться новые источники обводнения горных выработок в виде вод соседних поверхностных водотоков и смежных водоносных горизонтов, ранее не участвовавших в обводнении.

Вместе с тем практика осушения месторождений показала, что при учете существующих гидрогеологических условий и изменений их при отработке месторождения применяющиеся приближенные методы расчета притоков позволяют с достаточной точностью оценить величину ожидаемого притока и определить количество дренажных устройств для осушения месторождения.

Для оценки обводненности месторождения, разрабатываемого открытым способом, определяется приток воды в карьер, используя полученные при разведке данные о наличии водоносных горизонтов, обводняющих горные выработки, их гидрогеологические параметры (мощность, напор, коэффициент фильтрации, уровнепроводность, пьезопроводность, водоотдача и др.). а также размеры карьера и расстояния до областей питания в стока подземных вод.

Для определения общего протока воды в карьеры применяются различные методы: метод гидрогеологических аналогий, метод водного баланса, аналитический метод и метод моделирования.

Метод гидрогеологических аналогий применяется для приближенных расчетов в районе освоенных месторождений и основывается на фактических величинах понижения уровня подземных вод, коэффициентов фильтрации, мощностей и напоров водоносных горизонтов и коэффициентов водообильности, полученных на действующих карьерах в аналогичных условиях. Наиболее эффективно применение его в тех случаях, когда при разведке не могут быть получены надежные расчетные данные, например в массивах закарстованных и трещиноватых пород. Этот метод дает хорошие результаты при сходстве двух объектов не по абсолютным значениям фильтрационных параметров, а при сходстве граничных условий и закономерностей изменения этих параметров по площади и глубине .

Приток воды в карьер Q по величине понижения уровня подземных вод:

в напорных условиях ,

в безнапорных условиях ,

где Q_l - приток воды в действующий карьер, м ³ /сут; S и S_l - величина понижения уровня подземных вод соответственно на вновь осваиваемом и действующем карьерах, м; h и h_l - мощность водоносного горизонта на вновь осваиваемом и действующем карьерах, м.

Ожидаемый приток воды в карьер по сопоставлению коэффициентов фильтрации k, мощностей m или k и напоров H водоносных горизонтов:

в напорных условиях ,

в безнапорных условиях .

Метод водного баланса учитывает все источники пополнения и истощения запасов подъемных вод на проектируемой территории и применяется для определения общего притока воды в карьеры в районах с фиксированными областями питания и разгрузки подземных вод. Самостоятельное значение этот метод имеет для месторождений с простыми гидрогеологическими условиями. В остальных случаях он применяется в сочетании с другими методами. Ожидаемый приток воды Q в проектируемый карьер (исключая ливневые и талые воды) определяется из уравнения водного баланса

,

где - пополнение запасов дренируемого водоносного горизонта путем инфильтрации, инфлюации, конденсации, перелива из других горизонтов и иными путями, м³/сут; Q_cm - приток за счет статических запасов вод, срабатываемых в пределах площади карьера и депрессионной воронки, м³/сут.

Приток за счёт динамических ресурсов

, или

где О - годовое количество атмосферных осадков, мм вод. ст.; F_г - площадь питания дренируемого водоносного горизонта в пределах развивающейся депрессии, м; - коэффициент подземного стока или коэффициент просачивания; - коэффициент, равный 86,4; М₀ - модуль подземного стока с 1 км² подземной водосборной площади, л/с. Приток за счет статических запасов дренируемых горизонтов

,

Где - коэффициент водоотдачи пород (для песчаников = 0,02); h -средняя мощность безнапорного водоносного горизонта, м; F₁ - площадь карьера, м²; р - периметр но контуру карьера на уровне высачивания подземных вод, м; R - приведенный радиус депрессии, считая от контура карьера:

,

где t - время, в течение которого проходят выработки, плюс 3 месяца их работы, сут; к коэффициент фильтрации, м/сут.

Аналитический метод применяется при относительно простых гидрогеологических условиях и прежде всего при относительно небольшой изменчивости гидрогеологических параметров. При этом природные условия приводятся к типовым расчетным схемам, для которых имеются аналитические решения. По форме области фильтрации в плане выделяются следующие тины водоносных горизонтов: неограниченный пласт, полуограниченный пласт, пласт-полоса, пласт-квадрант, пласт-круг и т. п.

Приток воды в совершенный невытяиутый карьер (при отношении длины к ширине менее 10), удаленный от контура обеспеченного питания и пройденный в однородном по проницаемости безнапорном водоносном горизонте, приближенно может быть определен по методу «большого колодца»:

,

где h - мощность водоносного горизонта, м; h₀ - мощность подземного потока (высота высачивания) у откоса карьера, м; R₀ - приведенный радиус депрессии, считая от центра карьера, м, ; R₀ - приведенный радиус карьера, м.

Величина приведенного радиуса r₀ определяется

- при неправильной, но близкой к круговой форме карьера

;

-при прямоугольной форме карьера по формуле Н. К. Гиринского

,

где F - площадь карьера, м; L - длила карьера, м; В_к - ширина карьера, м; -коэффициент, зависящий от отношения B/L, находится по Табл.1

.

Приток воды в совершенный невытянутый карьер из напорного водоносного горизонта

,

где Н - напор от подошвы водоносного горизонта, м; т - мощность водоносного горизонта, м.

Общий приток воды в карьер из безнапорного водоносного горизонта с учетом фронта подвигания горных работ может быть определен по формуле

,

где t - время дренажа, сут; R - радиус влияния карьера, считая от его борта, м; В - ширина карьера, м; b_э - ширина подвигания фронта горных работ.

Метод моделирования. Для прогноза водопритока и расчета дренажа карьерных полей в сложных гидрогеологических условиях, когда другие методы не дают надежных результатов, применяются приборы, моделирующие природные гидрогеологические условия: прибор ЭГДА, электро-, гидроинтеграторы и ЭЦВМ.

Метод электрогидродинамических аналогий основан на аналогии между явлением ламинарной установившейся фильтрации воды в горных породах и прохождением тока в электропроводной среде в виде электропроводной бумаги, реже в жидких электролитах. На приборах ЭГДА можно определять притоки воды в горные выработки с учетом факторов, осложняющих расчеты фильтрации подземных вод (например, с учетом подвигания бортов карьера, работы дренажных устройств, инфильтрации атмосферных осадков, движения воды в соседних водоносных горизонтах разной проницаемости), выполняя моделирование объектов с любой конфигурацией граничных контуров, что повышает точность расчетов.

Моделирование на сеточных электроинтеграторах ЭИ-12, УСМ-1, МСМ-1, ЭИНП-3 и др. основано на аналогии между движением воды в горных породах и электрическими явлениями в узлах электроинтегратора, в которых сосредоточены электрические сопротивления отдельных участков моделируемого гидрогеологического района.

На первом этапе моделирования устанавливают начальные и граничные условия, удовлетворяющие разведанным природным гидрогеологическим условиям, а на втором этапе, моделируя расположение проектируемых горных выработок и дренажной системы, получают на модели ожидаемый водоприток в карьер и положение снижаемого уровня подземных вод. Для изучения отдельных частей карьерного поля с большей детальностью (например вблизи выработок) на этих участках сетка может сгущаться.

В гидравлических интеграторах В. С. Лукьянова (ИГЛ) вместо электрических сопротивлений применены гидравлические сопротивления и для задания граничных условий применяют установку с подвижными водосливами. По простоте конструкции, удобству эксплуатации и затрате времени на моделирование они уступают электроинтеграторам.

2. Методы предотвращения притока воды в горные выработки

Защита карьеров от попадания воды в горные выработки должна осуществляться в зависимости от конкретных условий, например открытым водоотливом, осушением или водопониженисм, противофильтрационными завесами.

В идеальном варианте разумное сочетание методов защиты должно обеспечить осушение всех водоносных горизонтов, залегающих над полезным ископаемым.

В реальных условиях часть поверхностных и подземных вод скапливается в водосборниках горных выработок, вызывая необходимость сооружения водоотливных систем.

Защита от подземных вод в основном осуществляется за счет их перехвата на пути движения к карьеру. По способу сооружения дренажные системы разделяются на поверхностные, подземные и комбинированные.

2.1 Поверхностные дренажные системы

Поверхностные дренажные системы сооружаются с поверхности земли или с поверхности уступов карьеров. Основными элементами этих систем являются: водопонижающие скважины; водопоглощающие скважины; горизонтальные скважины; иглофильтровые установки; дренажные щели.

Водопонижающие скважины применяются как в безнапорных водоносных горизонтах при мощности их не менее 10 м и коэффициенте фильтрации более 1-3 м/сут, так и в напорных при меньших мощностях водоносных горизонтов и коэффициентах фильтрации. Они могут сооружаться не только на водоносные горизонты, перекрывающие залежь полезного ископаемого, но и на подстилающий горизонт, когда породы в последнем обладают более высокими фильтрационными свойствами, чем дренируемый горизонт, и имеют с ним гидравлическую связь. При наклонном залегании водоносных пластов водопонижающис скважины более эффективны, чем при горизонтальном залегании. Водопонижающие скважины широко используются на карьерах для постоянного (за технической границей карьера) и временного (на рабочих бортах, уступах и дне карьера) дренажа. Как правило, водопонижающие скважины рассчитываются на длительный срок службы. Располагаются они в пониженных местах гипсометрии дренируемого горизонта, на участках повышенной трещиноватости и закарстованности. Глубина заложения скважин достигает 300 м и более.

Технология сооружения водопонижающих скважин сводится к следующему: бурению скважин, установке обсадных труб и фильтров, прокачке скважин и установке погружных насосов, прокладке водоотводных труб, подключению насосов к системе автоматического управления (рис. 2, а).

Водопоглощающие (инфшьтрационные) скважины (рис. 2, б) применяются для перепуска воды из верхних водоносных горизонтов в нижние в случаях, когда водопроницаемость поглощающего водоносного горизонта больше, чем дренируемого горизонта, а также когда уровень поглощающего горизонта ниже толщи разрабатываемого полезного ископаемого и поглощающий горизонт не используется для питьевого водоснабжения. Поглощающий горизонт должен обладать высокой естественной дренирующей способностью. Разность уровней в дренируемом и в поглощающем горизонтах может быть создана путем снижения уровня воды в последнем водопонижающими скважинами.

В этом семействе дренажных сооружений выделяют собственно поглощающие и инфильтрационные скважины. Поглощающей называется закрепленная скважина, служащая для отвода поверхностных вод в какой-либо подземный водоносный пласт. Инфильтрационная обеспечивает связь нескольких водоносных пластов.

Наиболее благоприятные условия для широкого использования водопоглощающих скважин создаются при наличии под обводненными слабопроницаемыми породами закарстованных известняков.

При сооружении водопоглощающих скважин применяются те же способы бурения, станки и фильтры, что и для водопонижающих.

Горизонтальные дренажные скважины. Применяются как самостоятельные устройства для создания дренажных систем в сочетании с открытым водоотливом или как вспомогательные устройства для перехвата «проскока» подземных вод.

Горизонтальные скважины представляют собой самотечные дрены, которые проходят с основания уступов у подошвы водоносного горизонта перпендикулярно к откосу с уклоном не менее 0,003 % в сторону от него (рис. 2, в). Область применения горизонтальных скважин весьма широка, но наиболее целесообразно их использовать для дренажа относительно маломощных водоносных горизонтов.

Длина горизонтальных скважин на нерабочих бортах определяется из условия перехвата основной части фильтрационного потока за расчетной линией сползания или обрушения уступа. На рабочих бортах длина их принимается в зависимости от конкретных гидрогеологических условий и требуемой эффективности дренажа, но не менее двухкратной ширины экскаваторной заходки.

Экспериментальными исследованиями установлено, что уровни подземных вод снижаются в основном в пределах 0,5-0,75 длины скважин от борта карьера. Основная часть притока воды к скважинам (70-90 %) приходится на их забойную часть, составляющую 1/3 длины скважины. Наибольший эффект достигается при заложении скважин перпендикулярно к фронту откоса. Иногда применяют веерные схемы бурения горизонтальных скважин.

Для бурения в крепких породах (в том числе по угольным пластам), не требующих крепления стенок скважин, используются станки СБМ-Зу, СБГ-1М, ЗИФ-650, СКБ-4, СКБ-5. Так, например, использование станков СКБ-4 и 5 позволяет бурить скважины диаметром 90 мм длиной от 100 до 300 м.

Иглофилътровые установки (передвижные, легкие, эжекторные) применяются для временного и локального понижения уровня подземных вод в песчаных и песчано-глинистых породах.

Основным достоинством иглофильтров по сравнению с водопонижающими скважинами является более высокая степень осушения (коэффициенты фильтрации 0,1-2 м/сут), особенно в слабопроницаемых породах, т. е. там, где скважины использовать нецелесообразно. Для предотвращения замерзания воды в системе иглофилътры-коллектор откачка воды зимой должна производиться непрерывно.

На практике чаще всего применяют легкие водопонизительныс иглофильтровые установки ЛИУ-6Б (производительность 65-140 м³/ч, напор на выходе 28-36 м, общая длина одного иглофильтра 8,5 м, число иглофильтров на одну установку 25-100 шт., КПД при полной загрузке агрегата 63 %).

Иглофильтры обычно располагают в виде кольцевой системы (рис. 3). Расстояние между иглофильтрами может изменяться от 0,5 до 10 м. Чаще всего иглофильтры применяются на рабочих площадках уступов в процессе строительства разрезных и выездных траншей. С учетом гидравлических сопротивлений собственно иглофильтров и коллектора понижение уровня подземных вод, вызванное действием всей водопонизительной установки ЛИУ-6Б, не превышает 5 м. Если необходимо большее понижение уровня, применяют двух- или трехъярусную систему расположения иглофильтров.

Несмотря на высокий эффект осушения и возможность использования в слабопроницаемых породах, иглофильтры имеют ряд недостатков. К последним следует отнести сравнительно небольшую величину водопонижения (не более 5 м при однорядной системе), громоздкость монтажа установки, трудности для эксплуатации в зимнее время.

При использовании одноярусной системы и заданном понижении (более 5 м) целесообразно применять эжекторные иглофильтры, обеспечивающие понижение уровня подземных вод до 20 м.

Наиболее распространенными типами эжекторных иглофильтровых установок являются УВВ-2, УВВ-3-6КМ и ЭИ^70 (ЭВВУ) производительностью соответственно 43,43 и 150 м /ч. Установка типа УВВ осушает грунты на глубину 7 м, а установки типа ЭИ и ЭВВУ - до 20 м.

Достоинством эжекторных иглофильтров является не только высокая степень осушенности участка и понижение уровня подземных вод на глубину до 20 м при одноярусной установке, но и возможность эффективно осушать породы с низкой водоотдачей и небольшим коэффициентом фильтрации (0,1-2 м/сут), то есть в условиях, при которых водопонижающие скважины работают плохо.

Однако эжекторные иглофильтры имеют недостатки: низкий КПД установки, не превышающий 20 %; сложности при монтаже и невысокая надежность; частое засорение сопла насадки.

Дренажные щели применяются для понижения уровня подземных вод в рабочих и нерабочих бортах карьеров, при разработке слоистых наклонных и крутопадающих породных толщ, в которых водоносные горизонты перемежаются водоупорными слоями.



Как правило, уровень подземных вод в таких массивах располагается неглубоко от поверхности и практически описывает сформированный в процессе разработки рельеф. Перемещение же горных работ обычно происходит в направлении падения водоносных пластов, что затрудняет условия их дренирования.

Сооружение дренажной щели заключается в создании в анизотропном массиве вкрест простирания слоев литологнческих разностей зоны дробления пород, характеризующейся высокой водопроницаемостью. Разрушение пород и создание в массиве сети трещин производится взрыванием предварительно пробуренных на рабочих площадках уступов одного или нескольких рядов взрывных скважин (рис. 4). Глубина дренажной щели определяется параметрами применяемого бурового оборудования. Наибольшая глубина

бурения взрывных скважин 60 м обеспечивается при использовании бурстанков марки ЗСБШ-200-60.

Взрывание скважин производится небольшими зарядами ВВ рассредоточенной конструкции при удельном расходе, не превышающем 0,2-0,3 кг/м³. В результате взрыва в массиве образуется раздробленная зона шириной 2-5 м, фильтрационные свойства которой в 100 и более раз выше, чем таковые для ненарушенных пород.

Через сформированную щель происходит разгрузка водовмещающих слоев, что со временем приводит к понижению уровня подземных вод. Высачивающаяся из дренажной щели вода отводится к водосборнику, откуда откачивается водоотливной установкой. Достоинством дренажных щелей ломимо простоты сооружения и высокой эффективности осушения массива является их низкая стоимость. При создании же дренажной щели на рабочем 6opтy карьера затраты на ее формирование практически отсутствуют, так как они представляют собой затраты на вскрышные работы будущих периодов.

2.2 Подземные дренажные системы

При незначительных коэффициентах фильтрации водоносных отложений, наличии слоистых водоносных толщ, представленных системой водоносных горизонтов, разделенных слабопроницаемыми и водонепроницаемыми пропластками, необходимый эффект осушения может быть достигнут при воздействии дренажных устройств на большую площадь осушаемого массива. Такой эффект обеспечивается подземными дренажными системами.

Использование подземных дренажных систем при ведении открытых горных работ требует дополнительных трудовых и материальных затрат на проведение и поддержание специальной системы подземных выработок, строительство шахтных вертикальных или наклонных стволов и штолен.

Стволы дренажных шахт подразделяются на основные, служащие для доставки материалов, и вентиляционные. Основные стволы дренажных шахт оборудуются одним подъемником, имеют лестничное и трубное отделения.

Вентиляционные стволы диаметром 400-800 мм проходятся буровым способом.

Ходовые стволы должны сооружаться в районе основных насосных станций. По условиям безопасности ведения горных работ они должны быть удалены друг от друга на определенное расстояние. В качестве запасных выходов используются также штольни, непосредственно выходящие в разрез.

Дренирование водоносных горизонтов, залегающих выше, и ниже дренажного штрека, осуществляется с помощью сквозных фильтров, с применением восстающих, наклонных и горизонтальных скважин и водопонижающих колодцев, а также водоотводными канавками.

В некоторых случаях подземная дренажная система используется для приема откаченных из карьера вод.

Применение такого дорогостоящего способа осушения, каким является подземная дренажная система, должно планироваться таким образом, чтобы к моменту сдачи разреза в эксплуатацию или в период его эксплуатации была пройдена система дренажных штреков, которая обеспечивает опережающее осушение площади первых лет эксплуатации или полосу очередной годовой заходки.

Основными недостатками данного способа являются:

-большая трудоемкость;

-большие затраты времени на сооружение дренажной системы и, как следствие, медленное развитие горных работ;

-необходимость поддержания в течение длительного времени большого количества дренажных штреков ;

-постоянный контроль за самовозгоранием угля в штреках, особенно в зоне их выхода в разрез;

-большие капитальные затраты.

Достоинства подземного способа осушения состоят в обеспечении наиболее полного осушения водоносных отложений, непрерывности работы осушительных устройств, увеличении эффективности осушения без существенных дополнительных затрат и необходимого опережения дренажных работ.

Дренажные шурфы и скважины. Дренажные шурфы со штреками используются для непосредственного осушения поля карьера, в геологическом разрезе которого находятся устойчивые трещиноватые породы: песчаники, глинистые сланцы, аргиллиты, алевролиты, известняки. В этих случаях дренажный шурф проходится на 10--20 м глубже предельного горизонта горных работ на подвижном борту, а нередко, для удлинения срока существования шурфа, -- на неподвижном борту карьера.

Шурф дренирует прорезаемые им водоносные горизонты. Для улавливания поступающей воды в деревянном креплении шурфа делают отверстия, а в бетонном -- вставляют небольшие трубки или забивные фильтры. Во избежание растекания и разбрызгивания воды по шурфу на трубки надевают шланги, а из отверстий вода собирается в желобки, устроенные ниже их в креплении. Из шлангов и желобков вода отводится по трубам в зумпф шурфа или водосборник.

От дренажного шурфа вкрест простирания пород проводится одна или несколько дренажных выработок (квершлагов), подходящих к карьеру ниже отметки нижнего горизонта открытых работ. Затем по простиранию пласта полезного ископаемого перпендикулярно первым выработкам закладываются еще один-два штрека. Обычно бывает достаточно этой системы осушительных выработок для обезвоживания пород, вскрываемых карьером. Для лучшего отвода подземных вод из осушаемой толщи по линии штрека, проложенного под карьером, через 200 м и более устанавливают сквозные фильтры, назначение которых -- осушить всю вышележащую толщу пород и разрабатываемый пласт. В некоторых случаях для этого проходят гезенк от горизонта работ до дренажного штрека. Для перехвата потока подземных вод, движущихся к карьеру в водоносном слое небольшой мощности, проводится водопреградительный штрек непосредственно в осушаемом слое. Стекающую по штреку воду отводят в водосборник и откачивают насосами.

2.3 Водонепроницаемые завесы

Одним из способов защиты разрезов от притоков подземных вод являются водонепроницаемые завесы, применение которых будет способствовать сохранению естественного режима подземных вод на территории, прилегающей к месторождению.

Для открытых разработок наиболее целесообразными способами сооружения завес являются траншейный, щелевой, инъекционный и с применением энергии взрыва (рис. 6).



В качестве водонепроницаемого материала, размещаемого в выработках при траншейном и щелевом способах создания барражных завес используются бентонитовая, иллитовая и монтмориллонитовая глины; глино-цементные растворы; ткани (мешковина, парусина, брезент), пропитанные битумами; рулонные синтетические материалы (полиэтиленовые, поливинилхлоридиые) и т. д.

Сооружение инъекционных барражных завес производится путем нагнетания в водоносный слой специальных закрепляющих растворов, которые заполняют поры и полости в породах, снижая их водопроницаемость. Инъекционные завесы сооружаются способами цементации, глинизации, битумизации, силикатизации и смолизации массивов горных пород через предварительно пробуренные по определенной сетке скважины.

Завесы с использованием энергии взрыва находят применение в песчано-глинистых породах (без крупных включений). Взрывание зарядов ВВ в ряду скважин позволяет создать вертикально расположенную зону уплотнения пород мощностью 1,8-3,0 м.

Сооружение водонепроницаемых завес наиболее перспективно в следующих случаях и их сочетаниях:

- мощный водоносный горизонт (или водоносный комплекс из нескольких водоносных горизонтов, разделенных слабопроницаемыми прослойками) подстилается водоупорными породами на глубине, доступной для техники сооружения завес;

- водоемы и водотоки, являющиеся источниками постоянной фильтрации воды в горные выработки, расположены вблизи поля разреза;

- выходы хорошо проницаемых отложений в мульдообразных структурах расположены под обводненными породами или водоемами;

-верхний водоносный горизонт в двухслойном водоносном комплексе обладает значительно большей проводимостью, чем нижний горизонт;

-водоносные и водоупорные породы выдержаны по площади и в вертикальном разрезе, что предопределяет возможность их перекрытия инъекционными завесами;

-динамические запасы подземных вод преобладают над статическими.

Основным препятствием для сооружения завес при разработке открытым способом в настоящее время является их значительная стоимость. Исследования показывают, что при снижении стоимости 1 м² завес в 2-3 раза эффективность их использования резко увеличивается. Снижение стоимости завес может быть достигнуто как путем разработки новых способов их возведения, так и совершенствованием технологических схем их сооружения. Большие надежды возлагаются на поиски более дешевых заполнителей и инъекционных растворов с использованием отходов химической промышленности. Использование завес в настоящее время предопределяется сравнением стоимости завесы с наиболее рациональным способом осушения разреза. При этом не учитываются убытки, вызываемые осушением разреза (истощение запасов подземных вод на окружающей территории и загрязнение вод). Учет перечисленных побочных результатов осушительных работ приведет к необходимости широкого применения водонепроницаемых завес для защиты разрезов от притоков подземных вод.

2.4 Открытый водоотлив

При применении открытого водоотлива наиболее полно совмещается дренаж водоносных горизонтов горными выработками с работами по организации стока атмосферных вод, поступающих в разрез (рис. 7).

При выборе места положения водоотливных установок учитываются гипсометрия почвы пласта, расположение уступов, внутренних отвалов и поворотных пунктов, схема ведения горных работ. Главная водоотливная установка должна располагаться в точке с минимальной высотной отметкой и перемещаться как можно реже (например, в месте поворотного пункта траншеи, в районе выездных траншей).

Объем зумпфов водосборника определяется из расчета ожидаемых притоков воды с учетом буферной емкости.

Канавы на разрезах выполняют двойную функцию - дренируют подземные воды и служат для сбора и транспортировки к водосборникам выпадающих атмосферных осадков.

Минимальный естественный уклон дренажных канав должен быть не менее 0,02 %.

Канавы закладываются у пикетной бровки уступа, проходятся вдоль откоса и возобновляются по мере отработки каждой экскаваторной заходки. Параметры канав зависят от притока воды, глубина их колеблется от 0,2 до 0,5 м. В устойчивых породах канавы проходятся с вертикальными стенками, в неустойчивых - под углом 34°.

Открытому водоотливу присущи следующие недостатки:

-вода, дренируемая из массива, беспрепятственно стекает по уступам к дну выработок, насыщаясь породоугольными частицами. Сброс карьерных вод требует их предварительной очистки на специальных сооружениях;

- происходит увлажнение породы и угля, что обусловливает их налипание на рабочие поверхности оборудования и снижает ценность продукции;

- в условиях наклонных пластовых месторождений затруднено дренирование бортов разрезов, что приводит к необходимости использования на взрывных работах дорогостоящих водоустойчивых ВВ.

3. Организация защиты Лебединского карьера

По имеющейся классификации генетических типов месторождений одно из крупнейших в мире - Лебединское железорудное месторождение относится к сложным по инженерно-геологическим условиям разработки. В обводнении месторождения принимают участие четыре водоносных горизонта: четвертичный, коньяк-туронский, сеноман-альбский и протерозойский, создающие напор над кровлей рудной залежи до 55-60 м.. Первые три из них образуют единый безнапорный водоносный комплекс, имеющий гидравлическую связь с водами р.Осколец. От протерозойского горизонта он отделен относительно водоупорными глинами юры мощностью от 1-2 до 10 м.

Наиболее опасным является вынос сеноман-альбских интенсивно обводненных песков на контакте с юрскими глинами при проходке и эксплуатации дренажных канав. Канавы заполняются и возникает опасность размыва откосов. Вода нередко выходит непосредственно на уступы, из-за чего возникают локальные обрушения, оползни, наледи и т.п.

Одним из наиболее тяжелых и быстротекущих инженерно-геологических процессов является развитие оползней на участке указанных бортов, с водотоками, карстовыми полостями, оврагами.

Непосредственно на северном фланге происходит развитие оползня и промоин с конусами выноса. Северным бортом карьера частично дренируется р. Осколец, и поэтому на борту карьера имеет место существенный сосредоточенный «проскок» подземных вод (около 25 м³/час) к песчаным уступам, который способствует развитию негативных инженерно-геологических процессов и требует дополнительного организованного сбора и отвода воды.

На карьере Лебединского ГОКа принята к реализации и на протяжении многих лет поддерживается на высоком уровне сложная комбинированная система осушения, которая на различных этапах развития включала в себя разные способы и средства, в том числе 3 шахтных дренажных ствола, около 40 км подземных дренажных выработок, более 400 сквозных фильтров, около 100 водопонижающих, более 60 водосбросных, около 800 восстающих и серию горизонтальных дренажных скважин.

Осушение Лебединского железорудного месторождения начато в декабре 1957 г. в связи со строительством первой очереди карьера. В начальный период на стадии строительства осушение карьера осуществлялось открытым водоотливом, а также водопонижающими скважинами, оборудованными погружными насосами. От начала разработки месторождения до 2007 г. для перехвата подземных вод по периметру карьера пройдены кольцевые, а из них диагональные, тупиковые и водоотводные штреки с системой восстающих дренажных скважин и сквозных фильтров. Общая протяженность штреков более 38 км. Согласно проекту по осушению месторождения, в выработках через каждые 60 м сооружены ниши, из которых на альб-сеноманский водоносный горизонт пробурены восстающие дренажные скважины. По ним подземные воды поступают в дренажные выработки, а затем сбрасываются в железобетонные лотки, сооруженные в подошве выработок, и самотеком транспортируются в водосборники. В среднем внешний дренажный контур обеспечивает перехват 56 % подземных вод, поступающих в карьер. С помощью насосных агрегатов ЦНСГ 850/240 и ЦН 1000/180, установленных в центральных подземных насосных (ЦПН), вода подается на поверхность. Учет объема подземной воды, извлекаемой дренажным комплексом, ведется измерительной аппаратурой Sima в режиме реального времени. Около 90 % подземных вод, извлеченных из недр для осушения карьера, направляются на поддержание оборотного водоснабжения фабрик обогащения и окомкования. Излишек воды (оставшиеся 10 %) проходит очистку и сбрасывается в р. Осколец. Следует отметить, что вода, сбрасываемая в р. Осколец, имеет меньше вредных примесей, чем речная вода. Для контроля за качеством сбрасываемой и извлекаемой воды ежеквартально отбираются пробы.

Проскоки подземных вод собираются в прибортовые дренажные канавы, далее эта вода поступает в приемные зумпфы и по водосбросным скважинам, пробуренным из диагональных штреков, сбрасывается в подземные горные выработки. Для обеспечения наиболее качественного осушения бортов в карьере проведены работы по сооружению лучевых дренажей. Колодцы лучевого дренажа с субгоризонтальными водопонизительными скважинами сооружены на участках борта, где проходка прибортовых канав невозможна. В 2005 г. дополнительно пробурено 25 лучевых скважин, что обеспечивает перехват воды на участках бортов, поставленных в предельное положение. Лучевые скважины осуществляют перехват подземных вод в массиве, что приводит к снижению обводненности пород, слагающих откосы борта, обеспечивая их устойчивое положение.

Сбор и последующая откачка подземных вод рудно-кристаллического горизонта производится из сооруженных на нижнем горизонте карьера зумпфов, с расположенными рядом насосными станциями. Эти станции оборудованы ЦНС 320-500, которые обеспечивают откачку и транспортирование поступающей воды в подземные выработки.

Для контроля за изменением уровней подземных вод на комбинате и прилегающей к нему территории сооружена сеть наблюдательных скважин. Замеры уровней подземных вод по скважинам проводят ежемесячно. Отбор проб в определенных точках и проверку качества подземных и поверхностных вод на их соответствие нормативным требованиям проводят ежеквартально. По результатам мониторинга составляют отчеты, которые отправляют в территориальные органы Министерства природных ресурсов.

Визуальный контроль за состоянием бортов, подземных выработок, дренажных сооружений карьера и хвостового хозяйства, выходами воды из откосов обеспечивают ежедневными обходами по постоянно действующим и вновь прокладываемым маршрутам, результаты наблюдений заносят в специальные журналы. В случае необходимости проводят инструментальную съемку и сооружают стационарные точки для проведения постоянных инструментальных наблюдений. Системы осушения карьера является одной из самых важных на горно-обогатительном комбинате. Если отключить дренажную систему, то весь карьер заполнится водой за 3 дня!

Заключение

Проектируя карьер необходимо учитывать множество факторов, одним из которых является влияние подземных вод. Игнорирование условий обводнённости месторождения может повлечь за собой большие людские жертвы и материальные затраты. Только тщательный анализ условий будущего месторождения позволяет создать наиболее оптимальный вариант комплексной защиты карьера от подземных вод с использованием всех, перечисленных в данной работе, методов защиты.

Список литературы

1. «Горное дело и окружающая среда. Влияние взрывных работ на изменение качества гидросферы и атмосферы в условиях разрезов Кузбасса». Катанов И.Б. КузГТУ, 2004.

2. «Золото-редкоземельно-редкометалльно-нефтегазоугольные месторождения и их прогноз в Кузбассе». Скурский М.Д. КузГТУ, 2005.

3. «Гидрогеология, инженерная геология и осушение месторождений». И.А. Скабалланович, М.В. Седенко. Москва «Недра» 1980 г.

4. «Гидрогеология и инженерная геология». М.В. Седенко. Москва «Недра» 1971 г.

5. «Сооружение систем опытно-промышленного дренажа для осушения железорудного карьера Лебединского ГОКа». М.Н. Климентов, И.Н. Федоренко, А.С. Экдышман Сб. научно-технической конференции, ОАО "СГСТУ ВИОГЕМ", г. Белгород, 2000 г.

6. «Горный журнал. Выпуск №7-2007». Изд. дом «Руда и металлы». 2007.

Размещено на Allbest.ru