Прогноз водопритоков и способы защиты горных выработок при подработке водных объектов
Основные трудности, возникающие при геомеханическом и гидрогеологическом обосновании безопасных условий разработки месторождений полезных ископаемых под водными объектами, связаны с тем, что кроме вопросов динамики подземных вод при заданных условиях на контуре разгрузки необходимо увязывать процессы фильтрации подземных вод и деформации подрабатываемого горного массива.
Сочетание гидрогеологических и геомеханических особенностей подработки водных объектов достигается в результате отражения следующих сторон рассматриваемого процесса:
· пространственного положения внешнего, относительно выработанного пространства, контура зоны водопроводящих трещин (ЗВТ), его перемещения по мере развития горных работ;
· структуры потока подземных вод в пределах подрабатываемого массива горных пород.
Кроме того, при построении математической модели подработки водных объектов следует учитывать, что в некоторых случаях возможен разрыв сплошности фильтрационного потока в пределах ЗВТ.
Сложная конфигурация ЗВТ определяет пространственную структуру фильтрационного потока, а постоянное перемещение ее контура — нестационарный характер потока подземных вод.
Анализ практических задач показывает, что в некоторых случаях удается свести пространственную задачу к плоской в вертикальном сечении (профильной). Пространственное положение внешнего относительно выработанного пространства контура ЗВТ определяется по результатам натурных экспериментов.
При этом в связи со значительными размерами ЗВТ на рудных месторождениях при прогнозировании водопритоков в горные выработки необходимо специально учитывать ее фильтрационное сопротивление.
Основные методы прогноза водопритоков в горные выработки — методы аналогового и численного моделирования, так как они позволяют наиболее полно учесть особенности расчетной схемы.
Прогноз водопритоков из подрабатываемых водоносных горизонтов и комплексов позволяет более обоснованно подойти к разработке схем защиты горных выработок от подземных вод. В общем случае, меры, направленные на защиту горных работ от отрицательного влияния подработки водоносных горизонтов и комплексов, могут проводиться по следующим направлениям:
♦ сооружение противофильтрационных завес в подрабатываемом водоносном горизонте;
♦ предварительное или параллельное осушение шахтных полей.
Сооружение противофильтрационных завес может оказаться экономически целесообразным в случаях, когда необходимо исключить поступление воды в горные выработки из неглубоко залегающих водоносных горизонтов небольшой мощности, подработка которых происходит на ограниченном участке. На рудных месторождениях противофильтрационные завесы могут применяться для предотвращения фильтрации из подрабатываемых водоносных горизонтов, приуроченных к рыхлым отложениям, перекрывающим кристаллические породы фундамента.
Основным направлением, по которому проводятся меры, направленные на защиту горных работ от подземных вод, является предварительное или параллельное осушение подрабатываемых водоносных горизонтов или комплексов.
Разработаны различные способы и схемы осушения водоносных горизонтов. В рамках данного курса остановимся лишь на тех, которые основаны на учете гидрогеомеханической структуры подработанного массива горных пород.
Это, например, схемы перехвата потока подземных вод в ближнем к рудной залежи водоносном пласте и в зоне водопроводящих трещин, а также ярусное осушение подрабатываемых водоносных горизонтов.
Способ перехвата потока подземных вод в ближнем к рудной залежи водоносном пласте (или горизонте) эффективен при следующих гидрогеологических условиях:
♦ породы непосредственной кровли рудной залежи являются водопроницаемыми, имеют достаточную мощность для
размещения в них дренажных устройств и проведения эффективных дренажных мероприятий либо на небольшом удалении
от рудной залежи в ее висячем боку имеется водоносный пласт
или горизонт;
♦ при разработке рудной залежи подработано два или более водоносных горизонта;
♦ фильтрационные свойства подработанных водоносных горизонтов близки по своим значениям;
♦ подработанные водоносные горизонты в естественных условиях были изолированы друг от друга водоупорными или слабопроницаемыми породами.
Рассматриваемый способ защиты горных выработок от подземных вод использует особенности динамики потока подземных вод в подработанном массиве горных пород. В частности, через зону водопроводящих трещин устанавливается гидравлическая связь не только очистного пространства с водоносными горизонтами, которые в естественных условиях были изолированы водонепроницаемыми или слабопроницаемыми породами от участка ведения горных работ, но и между подработанными водоносными горизонтами. При подработке водоносные горизонты оказываются под дренирующим влиянием очистных горных выработок, поэтому вода из них через зону водопроводящих трещин устремляется к участку ведения горных работ.
Рассмотрим схему применения данного способа (рис. 9.7).
Рис. 9.7. Схема перехвата потока подземных вод в ближнем к рудной залежи водоносном пласте:
1 — контур зоны водопроводящих трещин; 2 — зона водопроводящих трещин; 3 -— направление движения потока подземных вод; 4 и 7 — отработанная и неотработанная части рудной залежи; 5 — горная выработка; 6 — дренажная выработка; 8 — уровень подземных вод; 9 — рыхлые отложения; 10 — водонепроницаемые породы; 11 — водопроницаемые породы
Из подготовленных горных выработок нижнего горизонта эксплуатационного этажа в висячий бок рудной залежи проходится дренажная выработка 6 на расстояние, обеспечивающее вскрытие первого от рудной залежи водоносного горизонта (или пласта). Для усиления дренажного эффекта из забоя дренажной выработки бурят горизонтальные или слабонаклонные дренажные скважины. Под влиянием водоотбора уровень подземных вод в водоносном пласте понижается. Понижение уровня подземных вод в первом от рудной залежи водоносном пласте предотвращает поступление воды из него через зону водопроводящих трещин в горные выработки. Кроме того, зона водопроводящих трещин с внешним относительно выработанного пространства контуром оказывается под влиянием дренажных выработок, поэтому поток подземных вод в ней, сформировавшийся в результате подработки водоносного горизонта, удаленного от участка ведения горных работ, частично (или полностью) перехватывается дренажной системой, состоящей из дренажной выработки и дренажных скважин.
Рассмотренный способ защиты горных выработок от подземных вод был реализован на шахте «Родина» рудника им. К. Либкнехта в Криворожском бассейне.
Применение рассмотренного способа ограничено гидрогеологическими условиями, в частности необходимо, чтобы в геологическом разрезе в непосредственной близости к рудной залежи находились водопроницаемые породы, в которых возможно осуществление дренажных мероприятий.
Для случаев, когда гидрогеологические условия не обеспечивают реализацию рассмотренного способа, разработан способ перехвата потока подземных вод в зоне водопроводящих скважин (рис. 9.8).
Рис. 9.8. Схема перехвата потока подземных вод в зоне водопроводящих трещин:
1 — полевой штрек; 2 — породы, не затронутые сдвижением; 3 — восстающая выработка; 4 — зона водопроводящих трещин; 5 —внешний контур зоны водопроводящих трещин; 6 —внешний контур зоны блокового сдвига пород; 7 —рудная залежь; 8 —измененный контур зоны водопроводящих трещин.
Способ реализуется следующим образом.
Из полевого штрека, который располагается в висячем боку рудной залежи, по не затронутым сдвижением породам проходят восстающую выработку до зоны водопроводящих трещин. При этом участок сопряжения восстающей выработки с зоной водопроводящих трещин должен быть расположен в интервале между внешним контуром зоны водопроводящих трещин Нзвт и внешним контуром зоны блокового сдвига Нзбс, т.е. должна выполняться зависимость Нзбс < L Hзвт.Затем изменяют контур зоны водопроводящих трещин торпедированием твердых пород на участке сопряжения восстающей выработки с зоной водопроводящих трещин. На этом участке увеличивается количество водопроводящих трещин, их раскрытие и образуется ловушка для потока подземных вод из подрабатываемого водоносного горизонта или другого водного объекта. В результате подземные воды перехватываются восстающей выработкой (показано стрелками на рис. 9.8), что обеспечивает нормальные условия разработки рудной залежи. При подработке водного объекта, расход воды из которого превышает водопропускные способности рудовмещающих пород, предложенный способ является надежной мерой водозащиты горных работ.
Внедрение способа на шахте «Центральная» Ингулецкого ГОКа позволило не только отработать блоки этажа 550—650 м, которые были законсервированы в результате вторичного обводнения, но и снизить влажность добываемых руд с 12 до 5%, т.е. до нормативных значений.
Для подрабатываемых водоносных комплексов, фильтрационные свойства которых уменьшаются с увеличением глубины, ВИОГЕМ была разработана система ярусного осушения.
Для наиболее полного перехвата потока подземных вод система осушения горных выработок, включающая в себя дренажные устройства, которые размещены непосредственно у защищаемого участка шахтного поля, дополнительно содержит водопонижающие скважины в зоне квазистационарного режима потока. Водопонижающие скважины располагаются (бурятся с земной поверхности) перпендикулярно к потоку подземных вод, а их водоприемная часть устанавливается на всю мощность наиболее проницаемой зоны водовмещающих пород до границы раздела интенсивности затухания коэффициента фильтрации водоносных пород.
Выбор места заложения дополнительных водопонижающих скважин и определение глубины установки их водоприемной части производят по результатам предварительного моделирования или расчётов.
Следует заметить, что осушение водоносного горизонта не означает удаление воды из него на всем протяжении. Это не нужно для водозащиты рудника и не разумно с технико-экономической точки зрения, ибо во многих случаях водоносный горизонт распространяется на десятки и даже сотни километров и имеет региональный характер. Поэтому осушительные мероприятия выполняют лишь в пределах шахтного поля, на конкретном участке недр. Таким образом, задача сводится к тому, чтобы опустить (снизить) естественные уровни подземных водоносных горизонтов ниже зоны влияния горных работ рудника на подрабатываемый массив горных пород.
При малых и средних глубинах залегания осушаемого водоносного пласта пород (до Н < 250—300 м) с земной поверхности до почвы пласта бурят вертикальные или крутонаклонные водопонижающие скважины.
На участке пересечения водоносного пласта скважины оборудуются фильтрами и в нижней их части устанавливаются глубинные погружные насосы, обеспечивающие по своим техническим возможностям расчетную производительность (по воде) и напор (высота подъема воды).
Если водоносный горизонт залегает на большей глубине, то применяют комбинированный, т.е. поверхностный и подземный, способ водопонижения. Он заключается в том, что сначала с поверхности бурят систему нисходящих водопонижающих скважин на водоносный горизонт, с помощью которых снижают естественные (статистические) уровни подземных вод до определенной отметки. Затем из подземных горных выработок бурят восходящие, веерообразно расположенные дренажные скважины так, чтобы зона их действия перекрывала зону влияния нисходящих водопонижающих скважин. Задача дренажных скважин — снять остаточные гидростатические напоры и полностью осушить водоносные породы.
Описанная система осушения хорошо иллюстрируется на примере Яковлевского подземного рудника (Курская магнитная аномалия). В результате действия сначала водопонижающих, а затем — подземных дренажных систем скважин статистические уровни подземных вод снижаются и формируются депрессионные воронки, внутри которых осушаемые водоносные породы оказываются практически обезвоженными.