Шахтные воды Подмосковного бассейна

Основными источниками обводнения горных выработок угольных шахт бассейна в подавляющем большинстве случаев являются упинский или девонский водоносные горизонты. Обладая значительными напорами вод, они нередко обводняют лежащие выше подугольные и надугольные пески, придавая заключенным в них водам напорный характер или увеличивая их напор. Раньше, до применения предварительного осушения, часто происходили прорывы упинских и девонских вод в горные выработки. В момент прорыва дебит иногда достигал нескольких сотен кубических метров воды в час. Такие прорывы вод известны на шахтах Ломинцевского, Щекинского, Ждановского, Липковского и других месторождений; иногда они приводили к полному затоплению шахт. С применением предварительного осушения значительно уменьшились количество и интенсивность прорывов упинских и девонских вод в горные выработки.

Большую роль в обводнении горных выработок играет надугольный водоносный горизонт. Близкое расположение обводненных песков, а иногда и непосредственное залегание их в кровле рабочих пластов угля способствует образованию многочисленных прорывов надугольных вод в горные выработки. Приток воды при прорыве обычно не превышает 20—60 м3/час, но зарегистрированы случаи, когда дебит достигал 100—200 м3/час (шахты Киреевского месторождения, 35 Ширино-Сокольническая, 49 Поплевинская). Прорывы вод надугольного водоносного горизонта сопровождаются выносом большого количества (до 1000 м3) песка в горные выработки, что выводит их из строя.

Значительно осложняют горные работы верхнетульский, окский (или алексинский) и мезозойский водоносные горизонты, воды которых проникают в шахту при подвалке лав. Наиболее крупные прорывы вод из тульских известняков имели место на шахтах Щекинского, Грызловского, Ломинцевского, Киреевского, Ширино-Сокольнического месторождений. Начальный приток достигал 500—700 м3/чac (шахты 10 Щекинская, 3 Киреевская, 22 и 23 Ломинцевские, 17-бис Задонская и др.). Продолжительность отдельных прорывов достигала одного года. На участках, где наблюдается непосредственная связь тульских и надугольных вод, при прорывах в горные выработки выносится много песчано-глинистого материала, в результате чего на поверхности образуются воронки обрушения, влекущие за собой иногда разрушения надшахтных сооружений (шахты 3 и 5 Киреевские). Прорывы окских (или алексинских) вод имели место на шахтах: 11 Щекинской с дебитом от 30 до 600 м3/час; 5 Дубовской с начальным дебитом до 150 м3/час; 22 Урванской; 31 и 32 Ширино-Сокольнических, Смородинских и др. Прорывы мезозойских вод наблюдались в горных выработках шахт Ширино-Сокольнического и Скуратовского месторождений, при этом дебит составлял от 10 до 50 м3/чac, а вынос песка до 2000 м3.

На проходку шахтных стволов оказывают влияние все вышеописанные водоносные горизонты. Раньше притоки воды в стволы из отдельных водоносных горизонтов достигали 200—280 м3/чac (из надугольных песков и окских известняков); нередко вместе с водой в ствол поступало много песка, что приводило к деформации крепи ствола. В настоящее время стволы шахт на обводненных месторождениях проходят специальными способами (с помощью кессона или замораживания), что предотвращает возможные нарушения ствола.

Все действующие шахты южного крыла Подмосковного бассейна находятся в пределах первой и второй гидрогеологических зон, выделенных на прилагаемой карте гидрогеологического районирования. Эти зоны, как указано выше, характеризуются простыми, средней сложности и сложными гидрогеологическими условиями. Большая часть указанных шахт (87%) расположена на месторождениях Центрального промышленного и Южного угленосных районов. В Черепетском угленосном районе действуют шесть шахт, или около 3,5%, и в Львово-Скопинском — 15 шахт, или 9,5%. Все эти действующие шахты находятся южнее зоны сплошного развития окских известняков. Глубина разработки пластов угля не превышает 85—95 м (12 Мостовская, 39/40 Ширино-Сокольническая, 54 и 56 Поплевинокие). Подавляющее большинство шахт эксплуатируют угольные пласты на глубинах 45—60 м.

Из 158 шахт, действовавших на 1 января 1958 г., 28, или 17,7%, находятся в простых гидрогеологических условиях и работают без предварительного осушения подготовительных и осушительных участков. Коэффициент водообильности этих шахт (Агеевское, Гостеевское, Шятское, Гранковское, Смородинское и другие месторождения) колеблется в пределах 0,2—4,8, достигая на отдельных шахтах 6,5—9,1.

Фактические водопритоки в эти шахты He превышают 200 м3/час, так как разрабатываемые месторождения расположены на повышенных участках известнякового фундамента, где уровень упинского горизонта находится ниже основного угольного пласта или превышает его не более чем на 5 м. Фактические водопритоки в шахты месторождений, расположенных на пологих склонах поднятий фундамента, т. е. находящихся в условиях средней сложности для эксплуатации, достигают 500 м3/час. Величина коэффициента водообильности этих шахт составляет от 3,5 до 15, преобладает 7—8. К этой группе относятся месторождения: Южно-Тульское, Веригинское, Богородицкое, Жданковское, Грызловское и Гремячевская угленосная площадь.

Месторождения, расположенные в пределах третьей гидрогеологической зоны, приурочены к участкам сравнительно глубокого погружения фундамента, где основной угольный пласт залегает значительно ниже местного базиса эрозии. Фактические притоки в шахты (с учетом дебита водопонижающих скважин) составляют здесь от 500 до 1000 м3/час и более, а коэффициент водообильности колеблется от 10 до 33, преобладает 14—20 (по шахте 49 Поплевинской достигает 90). К этой группе месторождений относятся: Щекинское, Ломинцевское (западная часть), северо-восточная часть Дедилово-Узловского, Поплевинское, Кораблинское (северная часть), Биркинское и др.

В пределах западного крыла бассейна действующие в настоящее время угольные шахты находятся лишь в Нелидово-Селижаровском и Сафоново-Вяземском угленосных районах. В конце 30-х годов производилось строительство шахты в Нелидово-Селижаровском районе на Селищенском месторождении, однако в результате ряда мощных прорывов подземных вод из верхнедевонских доломитов (до 1000 м3/час) шахта была затоплена и работы были прекращены (величина водоотлива из шахты 2 Селищенской достигала 1500—1700 м3/час). В Боровичско-Валдайском угленосном районе добыча угля производилась уже в конце XVIII в. и с большими перерывами в течение XIX и первой половины XX вв. За эти годы были выработаны запасы угля месторождений, находящихся в простых гидрогеологических условиях. Отдельные месторождения разрабатывались штольнями (Шереховичское) и частично открытым способом (Комаровское, Волгинское и Устье-Брын-кинское). Притоки воды при разработке этих месторождений были ничтожные, величина коэффициента водообильноети не превышала I. В дальнейшем по мере перехода к освоению месторождений, находящихся в условиях средней и большой сложности, разведочные и эксплуатационные работы постепенно сокращались и в 1952 г. были полностью прекращены, так как дальнейшая разработка боровичских углей была признана нерентабельной.

Строительство шахт в Нелидово-Селижаровском и Сафоново-Вяземском угленосных районах началось в послевоенные годы. В Нелидово-Селижаровском районе введено в эксплуатацию пять шахт, в которых добывается свыше 1 млн т. угля в год. Шахты расположены на участках месторождений, находящихся в сложных и очень сложных гидрогеологических условиях (напор подземных вод на основной пласт угля 60—100 м). Наибольшей обводненностью отличаются окские известняки — суммарный дебит водопонижающих скважин при откачке из этих известняков на шахтах 3, 4 и 5 достигал 2500 м3/час с последующим снижением до 1260 м3/час. В процессе эксплуатации наблюдается также систематическое снижение коэффициента водообильности шахт, величина которого в настоящее время составляет для отдельных шахт от 10 до 34, а в первый период эксплуатации достигала 60—70,

Интересно отметить, что водообильность шахт Нелидово-Селижаровского района оказалась значительно ниже проектной — так, коэффициент водообильности выработанной в настоящее время шахты 2 в последний год эксплуатации (1953 г.) составил 6,9, что в два раза ниже проектного (13,3); по шахте 13 проектом коэффициент водообильности ожидался 18,0, а фактически в первой половине 1958 г. составил 10,1. Величина притока в шахты колеблется от 160 м3/час до 1200 м3/чac.

Все действующие шахты Сафоново-Вяземского угленосного района отрабатывают ту часть Сафоновского месторождения, которая относится к зоне со сложными для эксплуатации гидрогеологическими условиями (вторая зона на карте гидрогеологического районирования). Глубина залегания основного угольного пласта здесь 50—80 м, напор подземных вод на подошву основного угольного пласта 50—70 м. Расчетные водопритоки в горные выработки шахт были определены в пределах 540—1200 м3/час, однако фактические пока составляют 200— 300 м3/час, и лишь по шахте 3 величина водопритока достигает 800 м3/час, Расхождение между расчетными и фактическими величинами объясняется тем, что основной приток, согласно расчету, приходится на долю девонского горизонта, который практически шахтами не вскрывается.

Величина коэффициента водообильности шахт составляет 12—15, на шахте 8 достигает 55. Наблюдается уменьшение коэффициента водообильности по мере освоения проектных мощностей шахт; так в 1957 г. он был равен 33,1 (в среднем по всем шахтам), а к концу 1958 г. снизился до 17.

Вопросы осушения. За последние 10 лет на южном крыле Подмосковного бассейна развернулось строительство значительного количества шахт на обводненных месторождениях, относящихся ко второй зоне — со сложными условиями для эксплуатации. В эти же годы началось строительство шахт на западном крыле бассейна в Нелидово-Селижаровском и Сафоново-Вяземском угленосных районах, на месторождениях со сложными и частично с очень сложными условиями для эксплуатации (вторая и третья зоны). Для предотвращения прорывов вод здесь потребовалось, помимо средств подземного осушения, применение предварительного осушения водоносных горизонтов и прежде всего надугольного, упинского и девонского.

Предварительное осушение при строительстве шахт начали применять с 1949 г. на основании опыта Поплевинского месторождения (1946—1948 гг.). С тех пор методика этих работ значительно усовершенствована. В настоящее время предварительное осушение применяется на большинстве действующих шахт комбината «Тулауголь» и трестов «Октябрьуголь» (Рязанский совнархоз) и «Смоленскуголь» (Смоленский совнархоз). Предварительное осушение с поверхности, как правило, сопровождается подземным способом осушения.

Предварительным осушением снижают уровни подземных вод в подугольных горизонтах — девонском, упинском и подугольных песках до отметок, залегающих ниже угольного пласта, и в надугольных — до остаточных напоров: 6 —7 м в песках и 3—6 м в тульских и окских известняках.

В шахтах Сафоновского месторождения снижение напора подугольных вод производится путем откачек из верхнедевонских доломитов довеличины напора на подошву основного угольного пласта, равной 20—30 м, в связи с тем, что наличие мощного водоупорного слоя глин (до 15—20 м) служит здесь надежной защитой от прорыва подугольных вод с таким напором.

Техническими средствами предварительного осушения являются:

а) водопонижающие скважины, оборудованные артезианскими насосами, и скважины-фильтры;

б) поглощающие скважины.

Основная задача подземного осушения — снижение остаточных напоров подземных вод, не сниженных средствами предварительного осушения, обеспечивающее безаварийную проходку горных выработок.

При подземном осушении из горных выработок применяются:

а) для осушения подошвы выработок — понижающие трубчатые колодцы, оборудованные насосами, забивные фильтры, дренажные канавы, понижающие участковые водосборники;

б) для осушения кровли выработок — забивные и сквозные фильтры, восстающие скважины.

С 1955—1956 гг. на шахтах Мосбасса для осушения песков широко используются легкие иглофильтровые установки ЛИУ-2 и ЛИУ-3. Для увеличения расхода малодебитных водопонижающих скважин в известняках в последнее время успешно применяется обработка их соляной кислотой.

Эффективность предварительного и подземного осушения зависит прежде всего от степени гидрогеологической изученности месторождения, правильности и полноты учета проектом гидрогеологической специфики месторождения, объема и сроков запроектированных работ, технических средств. При хорошей водопроницаемости и водоотдаче пород за 1—1,5 месяца достигается образование депрессионных воронок, обеспечивающих заданные снижения уровней вод. Осушение надугольных тонкозернистых песков с низкой водоотдачей требует значительного времени. В этих случаях предварительное осушение начинают за 5—6 месяцев до начала проходки защищаемых горных выработок.