Водопритоки в очистные блоки для определения возникающих осложнений

Таблица 9.3

Фильтрационная характеристика вмещающих пород	Характеристика физико-механических свойств руд	Водоприток из подрабатываемого водного объекта в очистной блок	Горно-геологические явления, вызванные подработкой водного объекта
Проницаемые и хорошо проницаемые	Вне зависимости от физико-механических свойств	Qп ≥ Qс - Qш	Прорыв воды в горные выработки из водного объекта
Руда крепкая и очень крепкая, водопрочная, скальная	Qп ≥ Qс - Qш	Прорыв воды из зоны беспорядочного обрушения
Слабопроницаемые и практически непроницаемые	Руда средней крепости, водопрочная, полускальная	Qвт > 5	Вторичное обводнение
2 ≤ Qвл ≤ 5	Увеличение влажности руды
Qн < 2	Осложнений не наблюдается
Руда средней крепости, низкой водопрочности, полускальная	Qвт > 2	Вторичное обводнение
0.5 ≤ Qвл ≤ 2	Увеличение влажности руды
Рыхлая руда	Qн < 0.5	Осложнений не наблюдается
Примечание. Qп — водоприток из подрабатываемого водного объекта при прорыве воды; Qш — средний водоприток по шахте до прорыва подземных вод из подрабатываемого водного объекта; Qс — производительность шахтной водоотливной установки; Qвт — приток воды в очистное пространство, при котором наблюдается вторичное обводнение руд; Qвл — приток воды в очистное пространство, при котором наблюдается увеличение влажности руды выше нормативных значений; Qн — приток воды в очистное пространство, при котором не наблюдается осложнений.

Водный объект 2 отделен от участка горных работ практически водонепроницаемыми скальными породами 3. Под влиянием очистной выемки водонепроницаемые скальные породы деформируются и в них возникает зона водопроводящих трещин с внешним контуром 8. Водный объект не влияет на условия ведения горных работ до тех пор, пока он не будет пересечен зоной водопроводящих трещин. Это условие может быть записано следующим образом:

Н_г ≥ Н_звт,(9.1)

где Н_г— расстояние от участка ведения горных работ до водного объекта, м; Н_звт— высота зоны водопроводящих трещин, м.

По мере развития горных работ по площади (для пологих или наклонных рудных тел) или на глубину (для наклонных или крутых рудных тел) контур подработки водных объектов перемещается и занимает некоторое положение 9, при котором водный объект 2 оказывается подработанным. Условие подработки водного объекта записывается следующим образом:

Н_Г<Н_ЗВТ. (9.2)

Вполне очевидно, что при выполнении условия (9.1) ведение горных работ под водным объектом не осложняется горно-геологическими явлениями и не требует проведения мероприятий по их предотвращению, причем это справедливо вне зависимости от класса или вида водного объекта. При подработке водного объекта, т.е. когда выполняется условие (9.2), через зону водопроводящих трещин вода устремляется в очистное пространство с расходом Q_В Если вмещающие породы проницаемые или хорошо проницаемые, то на своем пути от водного объекта к очистным выработкам поток подземных вод, сформировавшийся в зоне водопроводящих трещин, попадает под дренирующее влияние подготовительных горных выработок, поэтому часть потока Q_Д будет перехватываться подготовительными горными выработками и только оставшаяся часть Q₀ будет обводнять рудную залежь или поступать в очистное пространство. На основе рассмотренной схемы можно составить следующее балансовое уравнение:

Q_В = Q_Д + Q₀,(9.3)

где Q_В — расход потока подземных вод из подрабатываемого объекта, м³/ч; Q_Д — часть потока подземных вод, дренируемая подготовительными выработками, м³/ч; Q₀— часть потока подземных вод, обводняющая рудную залежь или очистное пространство, м³/ч.

Результаты экспериментальных исследований методами аналогового и цифрового моделирования показали, что подработка поверхностных водных объектов может сопровождаться внезапными прорывами воды с расходом, достигающим десятков тысяч и более кубических метров в час. Поэтому для безопасного ведения горных работ под водными объектами этого класса применяют системы разработки с поддержанием выработанного пространства, с отводом поверхностных водотоков за пределы зоны водопроводящих трещин, с ликвидацией поверхностных водоемов и оставляют предохранительные целики.

В зависимости от фильтрационных свойств рудовмещающих пород из балансового уравнения (9.3) могут быть выделены следующие варианты формирования горно-геологических явлений.

1. Кровлю рудной залежи слагают водопроницаемые породы, причем поток подземных вод из подрабатываемого водного объекта полностью перехватывается подготовительными горными выработками (т.е. Q_В = Q_Д или Q₀= 0), следовательно, рудная залежь и очистное пространство не обводняются. Осложнений при производстве очистных работ, вызванных подработкой водного объекта, не будет. В тех случаях, когда вода, поступающая в подготовительные горные выработки, не влияет на технологические процессы горного производства, специальные мероприятия по водозащите горных работ не проводят. Благоприятные условия ведения очистных работ сохраняются, если

Q_В - Q_Д ≤ Q_Н,(9.4)

где Q_Н — водоприток в очистное пространство или рудную залежь, при котором не наблюдается осложнений, м³/ч; (определяется по табл. 9.3).

2. Проницаемость горных пород, залегающих в кровле рудного тела, не обеспечивает перехвата потока подземных вод в количестве, обеспечивающем благоприятные или безопасные условия ведения горных работ (т.е. Q₀> Q_Н).

Горно-геологические явления, вызванные подработкой водного объекта, прогнозируются по величине Q с учетом физико-механических свойств руды по табл. 9.3. Исходя из прогнозных (или фактических) горно-геологических явлений, определяют необходимый комплекс мероприятий, направленный на их предотвращение, который, в основном, сводится к тому, чтобы уменьшить обводнение рудной залежи или очистного пространства и обеспечить выполнение следующего условия:

Q_В - Q_Д – Q_М ≤ Q_Н,(9.5)

где Q_М — уменьшение притока воды из подрабатываемого водного объекта в результате проведения специальных мероприятий по водозащите горных работ, м³/ч.

3. В кровле рудной залежи размещены водоупорные породы, в которых пройдены подготовительные горные выработки, поэтому перехвата потока подземных вод не происходит (т.е. Q₀ = Q_В). Рассматриваемая схема наименее благоприятна, так как даже при низкой водообильности подрабатываемого водного объекта вся вода из него попадает в очистное пространство, что приводит к формированию опасных горно-геологических явлений, прогноз которых, как и в ранее рассмотренных случаях, выполняют с учетом физико-механических свойств руд (см. табл. 9.3).

Разработка железорудных месторождений Криворожского бассейна дает нам ряд примеров подработки водоносных комплексов без проведения специальных мероприятий по водозащите горных работ. Подработка происходила в условиях, когда водопроницаемость горных пород, залегающих непосредственно над рудной залежью, близка по величине к водопроницаемости пород подрабатываемого водоносного комплекса.

В частности, на рудниках им. Ф.Э. Дзержинского, им. СМ. Кирова и им. К. Либкнехта подработка антиклинального простирания водоносного комплекса саксаганской свиты привела к скачкообразному увеличению водопритоков по шахтам на 40—50 м³/ч, а в дальнейшем, по мере развития зоны водопроводящих трещин, водопритоки увеличились до 100 м³/ч. Однако эти водопритоки были перехвачены подготовительными горными выработками, поэтому обводнения рудной залежи и очистного пространства не наблюдалось.

Подработка водоносного комплекса метаморфизованных конгломератов, песчаников и сланцев глееватской свиты на руднике им. Р. Люксембург привела к увеличению общешахтных водопритоков на 200 м³/ч, но и в этом случае, благодаря благоприятному гидрогеологическому разрезу (наличию водопроницаемых пород в кровле рудной залежи), поток подземных вод из подработанного водоносного комплекса был перехвачен подготовительными горными выработками и отрицательных горно-геологических явлений при очистной выемке не наблюдалось.

Далеко не во всех случаях подработка водоносных горизонтов и комплексов проходит без горно-геологических осложнений. Наиболее часто при подработке водных объектов наблюдается увеличение влажности добываемой руды выше нормативных значений. Это явление связано с подработкой водоносных горизонтов и комплексов, степень осушения которых на отдельных участках оказывается недостаточной, обводненных зон разрывных тектонических нарушений и дроблений, а также некачественно затампонированных (или незатампонированных) скважин. Иногда причиной увеличения влажности руды служит скопление технических вод в горных выработках отработанных горизонтов.

В каждом конкретном случае необходимо выявить источник поступления воды в очистное пространство и разработать меры по его локализации. При этом необходимо иметь в виду, что для обводненных рудных залежей повышенная влажность руды может быть следствием недостаточного объема выполненных дренажных работ или малого времени осушения. В зависимости от источника обводнения меры, направленные на снижение влажности руды, могут включать в себя:

· проведение дополнительного дренажа на обводненных участках шахтного поля;

· повторную цементацию скважин;

· упорядочение водоотвода в горных выработках на отработанных горизонтах.

Наиболее сложный и трудоемкий комплекс мер приходится выполнять при угрозе возникновения внезапных прорывов воды из подработанных водных объектов или вторичного обводнения ранее осушенных руд. Прорывы воды из подрабатываемых водных объектов могут происходить по одной из следующих схем:

♦ непосредственный прорыв воды из подрабатываемого
водного объекта;

♦ опосредствованный прорыв воды из подрабатываемого
водного объекта.

Формирование прорывов воды по первой схеме происходит при подработке поверхностных водных объектов, а также подземных естественных (водоносные горизонты и комплексы, представленные проницаемыми и высокопроницаемыми породами) и техногенных (затопленные горные выработки, подземные водохранилища, гидротехнические тоннели) водных объектов, характеризующихся большими запасами гравитационной воды. В данном случае вода из подрабатываемого водного объекта через зону водопроводящих трещин поступает в горные выработки в количестве, создающем угрозу их затопления или существенно осложняющем технологию производства горных работ.

Прогноз водопритоков в горные выработки при подработке реки Ингулец, выполненный ВИОГЕМом для шахты «Центральная» рудника Ингулец, показал, что, даже если подработка произойдет на ограниченном участке, водопритоки могут составить несколько тысяч кубических метров в час.

Мероприятия, направленные на предотвращение прорывов воды по рассматриваемой схеме, состоят в отводе рек, ручьев за пределы зоны водопроводящих трещин, ликвидации прудов, озер, водохранилищ, осушении подрабатываемых водоносных горизонтов и комплексов, спуске воды из затопленных горных выработок, оставлении предохранительных целиков под водными объектами или в разработке месторождений полезных ископаемых системами с поддержанием выработанного пространства.

Формирование прорывов воды по второй схеме происходит при подработке подземных водных объектов (водоносные горизонты или комплексы, обводненные разрывные тектонические нарушения, зоны дробления, незатампонированные или некачественно затампонированные скважины), которые характеризуются небольшими запасами гравитационной воды. Однако в условиях, когда рудовмещающие породы представлены слабопроницаемыми или практически непроницаемыми породами, дренирующее влияние подготовительных горных выработок оказывается незначительным и почти вся вода из подрабатываемого водного объекта устремляется в зону беспорядочного обрушения. Наиболее неблагоприятные условия возникают, когда разрабатываемая руда по фильтрационным свойствам также является слабо- или практически непроницаемой. В этом случае и эксплуатационные горные выработки не обеспечивают удаления воды, поступающей в зону беспорядочного обрушения, что приводит к постепенному накапливанию воды непосредственно над очистными выработками, которая прорывается в горные выработки после посадки потолочины.

Таким образом, наиболее существенная отличительная черта прорывов воды по второй схеме — наличие скрытого периода, отделяющего подработку водного объекта от прорыва воды в горные выработки, в течение которого происходит постепенное накапливание ее в зоне беспорядочного обрушения. Для предотвращения прорывов воды из зоны беспорядочного обрушения используют предварительное или параллельное осушение подрабатываемых водоносных горизонтов и комплексов, зон повышенной водопроницаемости, повторный тампонаж скважин, а также различные схемы перехвата потока подземных вод в зоне водопроводящих трещин.

Подработка водных объектов с ограниченными запасами гравитационной воды на рудных месторождениях, для которых характерно сочетание ряда условий (разрабатываемые руды и вмещающие породы слабопроницаемые или практически непроницаемые; разрабатываемые руды полускальные, средней крепости, рыхлые или обладающие низкой водопрочностью — размываемые или размокаемые разности), сопровождаются прорывами воды из зоны беспорядочного обрушения с интенсивным выносом рудного и породного материала. Это явление впервые было описано и изучено в Криворожском железорудном бассейне, где оно получило название «вторичного обводнения ранее осушенных руд».

В частности, в условиях вторичного обводнения разрабатывается залежь «Основная-95» шахты «Родина» рудоуправления им. К. Либкнехта. Первые прорывы, связанные с явлением вторичного обводнения, были зарегистрированы при разработке залежи в 1978 г.

В целом, в результате вторичного обводнения на гор. 1015 м было временно законсервировано около 2-х миллионов т руды на площади 10 896 м . В качестве временных мер, направленных на предотвращение прорывов воды в очистное пространство, под незатампонированные скважины были оставлены предохранительные целики, в результате чего дополнительно было исключено из эксплуатации 4085 м² рудной площади с запасами более 1-го миллиона т железных руд.

В результате исследований, выполненных ВИОГЕМом, установлено, что вода в очистное пространство шахты «Родина» рудника им. К. Либкнехта поступает, в основном, из подработанного водоносного комплекса саксаганской свиты, имеющего антиклинальное простирание. Дополнительными источниками поступления воды служат незатампонированные разведочные скважины и подработанный дренажный квершлаг гор. 427 м, который был пройден для осушения закарстованных карбонатных пород. Водоприток по дренажному квершлагу был незначительным, в пределах 1—9 м³/ч, но, учитывая, что квершлаг под­работан в 1985 г., суммарные потери воды из него в очистное пространство превысили 100 тысяч м³. Разработанные и в дальнейшем реализованные меры, направленные на предотвращение вторичного обводнения, состояли в повторном тампонировании геологоразведочных скважин и в осушении водоносного комплекса саксаганской свиты антиклинального простирания.

Дренирование пород антиклинали на шахте «Родина» было начато в 1981 г. За два с половиной года дренажными выработками было откачано около 8 млн. м³ воды, в результате уровень подземных вод был понижен на 200 м. Вследствие снижения уровня подземных вод прекратилось вторичное обводнение руд, что дало возможность вовлечь в отработку ранее законсервированные запасы железных руд на гор. 1015 м. Однако, в начальный период разработки влажность добываемой руды превышала нормативную на 3—7%, в дальнейшем, по мере понижения уровня подземных вод в породах саксаганской свиты, влажность руды была доведена до нормативной.

Таким образом, практика разработки рудных месторождений свидетельствует, что подработка истинных водных объектов в зависимости от их класса, вида, а также горно-геологических условий шахтного поля может сопровождаться отрицательными горно-геологическими явлениями или происходить без осложнений.

Рассмотрим условия формирования горно-геологических явлений при подработке специфических водных объектов. Как уже отмечалось, подработка специфических водных объектов может сопровождаться следующими горно-геологическими явлениями: засорением руды песчано-глинистыми породами; небольшими и средними прорывами песчано-глинистых грунтов в горные выработки; крупными и катастрофическими прорывами песчано-глинистых грунтов в горные выработки.

Характер горно-геологических явлений, сопровождающих подработку специфических водных объектов, определяется такими факторами, как класс и вид подрабатываемого водного объекта, реологические параметры песчано-глинистых грунтов, мощность и проницаемость рудопородной подушки, отделяющей увлажненные песчано-глинистые грунты от очистного пространства. Схема подработки специфического водного объекта, связывающая основные факторы, которые определяют характер горно-геологического явления, представлена на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Схема формирования горно-геологических явлений при подработке специфических водных объектов:

1 — опасные по прорывам песчано-глинистые породы; 2 и 3 — границы зон водопроводящих трещин и беспорядочного обрушения; 4 — предельный контур продвижения песчано-глинистых грунтов в рудопородной подушке; 5 — очистное пространство; 6 — горная выработка; l_кр — критическая глубина продвижения песчано-глинистых грунтов в рудопородной подушке; L — мощность рудопородной подушки над очистным пространством; m_ср — средняя мощность опасных по прорывам песчано-глинистых грунтов.

Условия формирования горно-геологических явлений при подработке специфических водных объектов существенно отличаются от условий подработки истинных объектов. Различия, прежде всего, связаны с особенностями движения песчано-глинистых грунтов, т.е. их высокой (по сравнению с водой) вязкостью и наличием предельного напряжения сдвига. Реологические свойства песчано-глинистых грунтов определяют существенное изменение границ подработки специфических водных объектов по сравнению с границами подработки истинных объектов. Проницаемость массива горных пород в зоне водопроводящих трещин и в зоне блокового сдвига пород оказывается недостаточной, чтобы реализовать фильтрацию увлажненных песчано-глинистых пород на значительную глубину, и только в зоне беспорядочного обрушения проницаемость обрушенных скальных пород настолько велика, что песчано-глинистые породы могут достигнуть очистного пространства. Таким образом, если для истинных водных объектов контуром подработки является внешняя относительно выработанного пространства граница зоны водопроводящих трещин, то для специфических водных объектов за контур подработки должна приниматься граница зоны беспорядочного обрушения.

Следующее важное отличие в формировании горно-геологических явлений при подработке специфических водных объектов определяется существенной разницей в размерах области влияния фактора подработки. Для истинных водных объектов влияние подработки не ограничивается только контуром зоны водопроводящих трещин. Для таких водных объектов, как реки, пруды, озера, подземные водохранилища, в области влияния оказывается весь водный объект. Для водоносных горизонтов и комплексов область влияния измеряется сотнями метров и километрами; теоретически она достигает области питания.

Область влияния подработки специфических водных объектов ограничивается пределами воронки обрушения, поэтому для специфических водных объектов важным параметром является соотношение объемов подработанных песчано-глинистых грунтов и обрушенных скальных пород. В процессе подработки специфических водных объектов могут возникнуть такие условия, когда

m_ср ≤ L п, (9.6)

где m_ср — средняя мощность опасных по прорывам песчано-глинистых грунтов, м; L — мощность рудопородной подушки над очистным пространством, м; п — пористость рудопородной подушки.

Условие (9.6) определяет, что в процессе подработки специфического водного объекта увлажненные песчано-глинистые породы размещаются в поровом пространстве рудопородной подушки и, следовательно, не существует остаточного объема песчано-глинистых пород, который мог бы привести к их прорыву при дальнейшей разработке рудной залежи.

Увлажненные песчано-глинистые грунты характеризуются таким параметром, как предельное напряжение сдвига, что определяет следующую характерную особенность формирования горно-геологических явлений при подработке специфических водных объектов. В частности, существует максимальная глубина проникновения увлажненных песчано-глинистых грунтов в рудопородную подушку l_кр. На этой глубине напряжения, возникающие под действием массовых сил и давления обрушенных пород, уравновешиваются сопротивлением грунтов сдвигу, поэтому подработка специфических водных объектов при условии

L > l_кр(9.7)

не сопровождается отрицательными горно-геологическими явлениями. Необходимо отметить, что для истинных водных объектов нет аналогичного (9.7) условия.

Небольшие и средние прорывы песчано-глинистых грунтов в горные выработки происходят, когда одновременно выполняются следующие условия:

m_ср > n L;(9.8)

l_кр >L.(9.9)

И, наконец, крупные и катастрофические прорывы песчано-глинистых грунтов в горные выработки возникают при отсутствии рудопородной подушки над очистным пространством, т.е. при

L = 0,(9.10)

так как в этом случае движение песчано-глинистых грунтов подчиняется не законам фильтрации неньютоновских жидкостей, а законам реологии.

В общем случае схема формирования горно-геологических явлений при подработке переходных водных объектов представлена на рис. 9.6.

Рис. 9.6. Схема формирования горно-геологических явлений при подработке переходных водных объектов:

1 — отложения илов; 2 — суглинки; 3 — водоупорные породы; 4 — водопроницаемые породы; 5 — рудная залежь; 6 — переходный объект; 7 — граница зоны водопроводящих трещин; 8 — граница зоны блокового сдвига; 9 — граница зоны беспорядочного обрушения; 10 — очистное пространство; 11 — горная выработка; H_звт — высота зоны водопроводящих трещин; Н_г— расстояние от водного объекта до выработанного пространства перпендикулярно к напластованию пород; H_з6c — высота зоны сдвигов пород.

В процессе разработки месторождения полезного ископаемого под переходным водным объектом 6, расположенным на расстоянии Н_гот рудной залежи, по мере развития зоны водопроводящих трещин ею была захвачена часть переходного водного объекта, который в естественных условиях отделен от участка ведения горных работ водонепроницаемыми породами. В результате подработки между переходным водным объектом 6 и очистным пространством 10 устанавливается гидравлическая связь, поэтому вода из водного объекта через зону водопроводящих трещин поступает в горные выработки 11. Однако, учитывая фильтрационное сопротивление зоны водопроводящих трещин, скорость движения воды меньше критической скорости, при которой происходит размыв горных пород. Поэтому при подработке переходных водных объектов зона водопроводящих трещин выполняет роль своеобразного полупроницаемого экрана, через который проходит жидкая компонента дисперсоида и которым задерживается твердая. В результате на первом этапе подработки переходного водного объекта, когда он захватывается зоной водопроводящих трещин, возникают те же горно-геологические осложнения, что и при подработке истинных водных объектов (увеличение влажности добываемой руды, вторичное обводнение ранее осушенных руд), причем формирование горно-геологических осложнений происходит в соответствии с рассмотренными схемами (см. зависимости 9.3—9.5).

Однако есть и отличия, определяемые тем, что в основании переходных водных объектов залегают слабопроницаемые размываемые горные породы или сами переходные водные объекты представлены слабопроницаемыми размываемыми породами, поэтому расход воды при их подработке ограничен величиной водопроницаемости размываемых пород и, как следствие, при подработке переходных водных объектов не происходят прорывы воды.

Дальнейшее развитие горных работ может привести к такому положению, когда переходный водный объект оказывается вовлеченным в зону блокового сдвига. Фильтрационные сопротивления пород в зоне блокового сдвига очень низки, поэтому скорость движения воды в переходном водном объекте превышает критические величины и подработка сопровождается размывом горных пород. Размыв приводит к увеличению проницаемости горных пород, что вызывает рост скорости движения воды. Таким образом, процесс формирования прорыва воды с интенсивным выносом размытых горных пород при вовлечении переходных водных объектов в зону блокового сдвига нарастает лавинообразно. Последствия прорывов, как правило, бывают катастрофические.

Подработка переходных водных объектов с ограниченными запасами гравитационной воды (псевдоплывунные породы, разломы и зоны дробления, заполненные псевдоплывунными породами) происходит по следующей схеме. Дренируемого влияния зоны водопроводящих трещин достаточно для удаления из переходного водного объекта гравитационной воды, поэтому в обрушение вовлекаются осушенные псевдоплывунные горные породы, что приводит к накоплению в зоне обрушения песчано-глинистых пород. Таким образом, при подработке переходных водных объектов с ограниченными запасами гравитационной воды происходит как бы разделение твердой и жидкой фаз дисперсоида. Поступление жидкой фазы способствует формированию горно-геологических осложнений, характерных для подработки истинных водных объектов (см. зависимости 9.3—9.5), а поступление твердой фазы в зону беспорядочного обрушения определяет возможность возникновения горно-геологических осложнений, характерных для подработки специфических водных объектов (см. формулы 9.6—9.10).

В зависимости от типа подрабатываемых водных объектов и сопровождающих подработку горно-геологических явлений все рудные шахты можно разделить на категории по опасности прорывов воды, воды с интенсивным выносом размытых горных пород и увлажненных песчано-глинистых грунтов (табл. 9.4). В свою очередь, в зависимости от категории опасности назначаются мероприятия по предотвращению осложнений при подработке водных объектов.