Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Осушение пород перед выемкой

30.10.2018

Наличие воды в карьерах сильно затрудняет условия работы людей и механизмов Причиной обводненности пород могут быть обильные атмосферные осадки, расположенные поблизости водоемы, хорошо фильтрующиеся породы, наличие напорных и безнапорных водоносных горизонтов. Насыщенные водой породы меняют свои физико-механические свойства и становятся непригодными для разработки и дальнейшей переработки (например, глины при увлажнении набухают и становятся пластичными, прилипают к ковшам выемочно-погрузочных машин, к конвейерным лентам, увлажненные известняки прилипают и забивают бункера, грохота и т.д.).

Осушение (дренаж) карьерных полей предусматривает снижение уровня или напоров водоносных горизонтов и выполняется с целью: сокращения водопритоков в горные выработки, изменения напряженного состояния массива горных пород, обеспечения устойчивости горнотехнических сооружений, снижения влажности полезного ископаемого, предотвращения затопления подрабатываемых территорий грунтовыми водами, обеспечения нормальных условий работы горно-транспортно-го оборудования.

На условия дренирования карьерных полей влияют природные и горнотехнические факторы. В число природных факторов входят литологический состав пород, вмещающих полезное ископаемое, структурные особенности месторождения, водообильность и число дренируемых водоносных горизонтов. Основные горнотехнические факторы — способ разработки месторождения, система отработки залежи полезного ископаемого и порядок ведения горных работ.

Из гидрогеологических факторов, определяющих устойчивость открытых горных выработок и эффективность разработки месторождений полезных ископаемых, основными являются: подток подземных, дождевых и талых вод; гидродинамическое давление; суффозия — вынос мелких минеральных частиц и растворенных веществ водой, фильтрующейся в толще горных пород; выщелачивание; тиксотропное разжижение и упрочнение; внезапные прорывы подземных вод в горные выработки.

Горные породы по дренируемости разделяют на 6 групп: I — скальные и полускальные породы, устойчивые к воздействию воды, водоотдача их не превышает 0,5 %; II — твердые плотные трещиноватые глинистые породы, способные набухать и размокать на фильтрующих участках уступов, а также при скоплении воды на площадках уступов; III — слабые глинистые породы, интенсивно набухающие при контакте с водоносными породами, водоупорные, устойчивые к размоканию, в откосах уступов обычно не подвержены фильтрационным деформациям; IV — слабые песчано-глинистые породы с высокой пористостью, малой водопроницаемостью (коэффициент фильтрации менее 1 м /сут), склонные к оплыванию; V — несвязные породы с хорошей водопроницаемостью; VI — неуплотненные осадки водоемов.

В естественных условиях породы образуют горно-геологические комплексы, представленные переслаивающимися породами, относящимися к различным группам (комплексы осадочных пород), или породами одной группы с включениями пород других групп (комплексы изверженных н метаморфических пород)

Месторождения полезных ископаемых разделяют на группы А, Б и В по дренируемости и влиянию дренажа на устойчивость бортов карьеров. В группу А включены месторождения, сложенные горно-геологическими комплексами слабых глинистых и несвязных пород. Характерная особенность этих комплексов — перемежаемость слоев различных водоносных пород и глинистых водоупорных слоев, оказывающая существенное влияние на устойчивость и условия дренирования. В зависимости от условий залегания пород месторождения выделяют подгруппы: A-1 — сложенные горизонтально залегающими слоями; А-2 — с полого залегающими слоями; А-3 — наклонно и круто залегающими слоями пород. В группу Б включены месторождения, сложенные преимущественно горно-геологическими комплексами трещиноватых, хорошо фильтрующих пород. К группе В отнесены месторождения, в сложении которых участвуют в равной степени комплексы групп А и Б.

Дренаж карьеров осуществляется с применением устройств различных типов: водопонижающих скважин, оборудованных глубинными насосами; дренаж штреков с фильтрами и колодцами; самоизливающих и поглощающих скважин; иглофильтровых установок; прибортового дренажа; дренажных зумпфов, траншей, канав и др. На рис. 3.1 изображена схема откачки подземных вод из безнапорного водоносного пласта при помощи водопонижающей скважины.

Для осушения пород применяют забивные и сквозные фильтры, установку глубоких иглофильтров, а для пород со слабой водоотдачей используют эффект электроосмоса (движение жидкости через капилляры под действием внешнего электрического поля).

Забивной фильтр представляет собой шпур (скважину), пробуренный до встречи его с водоносным горизонтом, диаметром 35—45 мм, в которую вставляется трубчатый фильтр с перфорацией в верхнем конце. Вода из осушаемого массива попадает через отверстия фильтра в дренажную выработку (канаву) и самотеком направляется в водосборник (рис. 3.2).

Длина забивных фильтров обычно не превышает 12—15 м. Расстояние между фильтрами в зависимости от водопритока и водоотдачи осушаемых пород составляет 25—50 и более метров. Радиус действия забивных фильтров — до 100 м.


При слабо осушаемых породах на карьерах распространено применение системы иглофильтров (рис. 3.3), которые используются в строительный период, когда основная система осушения еще не введена в эксплуатацию. Иглофильтровые установки состоят из центральных и вакуум-насосов, коллектора металлических труб диаметром 100—150 мм и длиной до 100 м и иглофильтров, устанавливаемых через 2—3 м на глубину погружения до 4—5 м. Шаг переноса установки обычно составляет 40—70 м и может быть определен по формуле B.A. Мироненко (в м):

где Kф — коэффициент фильтрации, м/сут; H — разность отметок площадок размещения иглофильтров и водоупора, м; q — расход подземных вод на 1 м установки (обычно q = 0,3—0,6 м3/ч).

Иглофильтровые установки располагаются на рабочих площадках уступов, легко переносятся и быстро монтируются. Их целесообразно применять для осушения обводненных участков карьерного поля значительной протяженности.

Последовательность введения в работу дренажных устройств, располагаемых в плане и в высотном отношении по какой-либо схеме, определяют систему дренажа, при этом выбор системы зависит от гидрогеологических и инженерно-геологических условий эксплуатации карьера (табл. 3.1). Выделяют опережающую, параллельную и совместную систему дренажа В опережающей системе к дренажным работам приступают до начала ведения горных работ, и в дальнейшем осушительные мероприятия проводят с опережением во времени. Эта система целесообразна на месторождениях с простыми гидрогеологическими условиями При параллельной системе дренажные мероприятия проводят одновременно с ведением горных работ в карьере; система применяется на месторождениях с простыми и средней сложности гидрогеологическими условиями. В совместной системе к дренированию приступают до начала ведения горных работ, а во время строительства и эксплуатации карьера эти мероприятия проводят как с опережением горных работ, так и одновременно с подвиганием фронта работ уступов. Система применяется на месторождениях со сложными и очень сложными гидрогеологическими условиями. Схему расположения дренажных устройств (дрен) в плане и разрезе, привязанную к участкам горных работ, называют схемой осушения. По расположению дрен в плане различают однолинейные, двухлинейные, сетчатые, одноконтурные, двухконтурные и кустовые схемы осушения (рис. 3.4). Они могут иметь постоянное положение или быть скользящими, изменяющимися в соответствии с подвиганием фронта горных работ (рис. 3.5).

В высотном отношении различают одно- и многоярусные схемы осушения В большинстве случаев разрабатывают схемы, непосредственно защищающие от подземных вод участки горных работ по этапам их проведения (так называемые местные схемы осушения).


Основными этапами проектирования дренажных систем являются: фильтрационные расчеты, выполняемые с целью определения общего притока вод к карьеру на различные моменты времени, обоснования необходимости дренажа, типа и количества дренажных устройств с расположением их в плане и разрезе, режим работы, установления положения уровней подземных вод в зоне действия дренажных устройств во времени.

Исходные данные для расчета: сведения об орогидрографии района; материалы о геологических и гидрогеологических условиях месторождения; фильтрационные параметры; данные об условиях питания и разгрузки водоносных пластов; инженерно-геологическая характеристика пород; сведения о горных работах. Эти материалы позволяют составить схему природной гидрогеологической обстановки области фильтрации, установить ее границы и краевые условия.

Дренажные устройства применяют для двух существующих режимов фильтрации подземных вод — напорного и безнапорного.

Дренирование в режиме безнапорной фильтрации приводит к полному или частичному осушению водосодержащих пластов; при дренировании напорных пластов происходит снижение напора без непосредственного осушения водосодержащих пород. Основными гидрогеологическими параметрами при проектировании систем осушения и определении водопритоков в горные выработки являются: мощность и напоры водоносных пластов; понижение уровня (напора) пласта; расстояния до границ питания водоносного пласта и естественного дренажа; величина радиуса влияния понижения; коэффициент фильтрации; коэффициенты уровне- и пьезопроводности, водоотдача породы Эти значения устанавливаются по результатам опытно-фильтрационных работ, а также геологических и гидрогеологических изысканий.

Величину радиуса влияния (депрессии) целесообразно принимать по имеющимся опытным или эксплуатационным данным, полученным в этом районе или районе, аналогичном по гидрогеологическим условиям.

Расчетный радиус депрессии R можно определить по следующим зависимостям R = 2l — при расположении карьера на расстоянии I от прямолинейной границы питания пласта; R = = 0,64 sin (3,14 l/lo) — для пласта, ограниченного двумя параллельными границами питания при расстоянии lo между ними; R = 1,28 ctg (1,57 l/lo) — при расположении карьера между границей питания и непроницаемым контуром (lo — расстояние между границами, l — расстояние между центром карьера и границей питания.

Расчет притока воды в карьер выполняют по формулам «большого колодца». Для установленного притока его расход равен (м3/сут):

• при напорном режиме фильтрации:

где Кф — коэффициент фильтрации, м/сут; m — мощность водоносного пласта, м; S — понижение уровня (напора) пласта, м, R — радиус влияния понижения, м, rк = V0,32 F — приведенный радиус карьера (м), F — площадь карьера в контуре вскрытия водоносного пласта, м2;

• при безнапорном режиме фильтрации, (м3/сут):

где h — мощность водоносного пласта, м.

При вытянутых в плане формах карьеров (соотношение сторон больше, чем 20:1) могут быть использованы формулы проф. С.В Троянского:

• при безнапорном режиме фильтрации (Q — м3/сут):

где В — длина карьера, м; H — мощность водоносного пласта, м; С — ширина карьера (участка), м;

• при напорном режиме фильтрации (Q — м3/сут):

где m — мощность напорного водоносного пласта, м.

Примеры расчета осушения карьерных полей

Участок месторождения сложен покровным суглинком, озерно-ледниковыми и моренными глинами средней мощностью 7,4 м.

Полезная толща слагается песчано-гравийно-валунными образованиями межморенного комплекса средней мощностью 8 м при средневзвешенном содержании обломочного материала крупностью более 5 мм 42,8 %.

Гидрогеологические условия отработки месторождения простые: в разрезе рыхлых образований выделяются три основных водоносных горизонта: современный аллювиальный, межморенный и окско-тарусский.

Основные сложности при разработке связаны с межморенным водоносным горизонтом со средней мощностью 5 м, который приурочен в основном к подошве песчано-гравийной толщи. Верхним водоупором служат моренные суглинки Верхне-Московской морены, нижним — моренные суглинки Нижне-Московской морены. Верхний водоупор частично размыт, пласт дренируется и по гидродинамическому состоянию является безнапорным. В местах размыва Нижне-Московской морены существует гидродинамическая связь с напорными водами ниже залегающего окско-тарусского горизонта.

Исходные данные: мощность водоносного пласта Нcp = 5 м; коэффициент фильтрации Кф = 20 м/сут, коэффициент водоотдачи u = 0,03, размеры участка карьера: длина В = 500 м; ширина С = 300 м. задаемся величиной понижения уровня пласта S = 5.

I. Расчет осушения при помощи вертикальных совершенных дрен в условиях безнапорного режима фильтрации

Дебит дренажной установки, включающей несколько скважин, определяем по выражению:

где п — число скважин в дренажной установке, Q' — дебит каждой из взаимодействующих дрен, м3/сут (м3/ч).

Дебит каждой из взаимодействующих дрен совершенного типа определяем по формуле:

где Ф — фильтрационное сопротивление, зависящее от числа скважин в установке и их расположения в плане; вычисляется по формулам, приведенным в табл. 3.2.

Установившийся радиус депрессии определяем по формуле Е.Е. Керкиса (в м).

где а — эмпирический коэффициент, значения которого изменяются в интервале 15—20; Нср = 5 м — мощность безнапорного водоносного горизонта; Кф = 20 м/сут — коэффициент фильтрации; S = 5 м — понижение уровня в дрене.

При полном срабатывании статического уровня водоносного горизонта (S = Нср) величина R = 335 м.

Расчет притока к дренам при различных фильтрационных сопротивлениях выполняем при принятых радиусе скважин Rc = 0,1 м и половине расстояния между дренами b = 50 м. Тогда, пользуясь формулами табл. 3.2 и формулой (3.6), получим:

• для одной скважины: Q1 = 194,6 м3/сут (8,1 м3/ч);

• для двух скважин: Qсут = 366,3 м3/сут (15,3 м3/ч);

• для пяти, шести и восьми скважин результаты расчетов сведены в табл. 3.3.

Далее определяем скважинный уровень подземных вод На посредине между дренами по формуле С.Ф. Аверьянова (в м):

где b = 50 м — половина расстояния между дренами; a, в' — коэффициенты.

где А — параметр зависимости f = (28/rc), равный для данных условий 1,6.

При увеличении расстояния между скважинами, например, 2b = 200 м, величина сниженного уровня составит: Ha = 0,52 м.

Сопоставление результатов расчетов притоков при разных фильтрационных сопротивлениях и различных расстояниях между скважинами свидетельствует об экономической целесообразности осушения участка месторождения при помощи двух скважин, расположенных нормально к направлению движения подземного потока, и расстоянии между ними, равном 100 м.

II. Расчет осушения карьерного поля при помощи горизонтальных дренажных выработок (траншей).

Предварительно находим коэффициент уровнепроводности, определяемый по выражению (м2/сут):


где T — водопроводимость, м2/сут; u = 0,03 — коэффициент водоотдачи.

Приведенный радиус реального контура дренажа определяем по формуле

Время, в течение которого депрессия достигнет естественных границ питания (стока) водоносного горизонта, рассчитаем по выражению:

Неустановившийся радиус влияния определяем по формуле.

Дебит горизонтальном совершенной дрены определяем по формуле (3.4). принимая длину траншеи В = 100 м и ширину ее

Построение депрессионной кривой по линии, направленной нормально к дрене, можно выполнить по выражению:

где уx — текущая ордината кривой депрессии, м; Hср = 5 — статический уровень водоносного горизонта (пласта), м.

Расчет депрессионной кривой целесообразно выполнять с использованием карты гидроизогипс, позволяющей более точно учесть реальные гидрогеологические условия осушаемого участка.

Для этого необходимо предварительно подсчитать понижение уровня воды в заданных точках при работе дренажа

где ух — пониженный уровень подземных вод, определяемый по формулам, не учитывающим естественного градиента потока подземных вод Затем, вычитая полученные для той или иной точки величины S из отметки гидроизогипсы в той же точке, находят уточненные значения уx'. Строя по полученным значениям уx' депрессионные кривые по соответствующим профилям или составляя новую карту гидроизогипс, получают возможность более точного прогнозирования ожидаемого дренирующего эффекта от проектируемого сооружения.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: