Мероприятия по предотвращению прорывов воды и защите горных выработок от затопления

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 в контурах геомеханического преобразования массива пород, необходимо рассматривать процессы фильтрации подземных вод и деформаций подрабатываемого горного массива.

К настоящему времени в наибольшей степени эти вопросы исследованы для случаев подработки истинных водных объектов. При этом правильный учёт гидрогеологических и геомеханических особенностей подработки истинных водных объектов достигается в результате отражения следующих сторон рассматриваемого процесса:

· пространственного положения внешнего, относительно выработанного пространства, контура зоны водопроводящих трещин (ЗВТ), его развития и перемещения по мере развития горных работ;

· структуры потока подземных вод в пределах подрабатываемого массива горных пород.

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 (профильной) в вертикальном сечении. Пространственное положение внешнего относительно выработанного пространства контура ЗВТ может быть определено расчётом или по результатам натурных экспериментов.

Основные методы прогнозных расчётов 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, в частности, схемы перехвата потока подземных вод в ближнем к залежи полезного ископаемого водоносном пласте и в зоне водопроводящих трещин, а также ярусное осушение подрабатываемых водоносных горизонтов.

Способ перехвата потока подземных вод в ближнем к залежи полезного ископаемого водоносном пласте (или горизонте) эффективен при следующих гидрогеологических условиях:

♦ водоносный пласт или горизонт располагается в висячем боку залежи на небольшом удалении от неё;

♦ при разработке залежи полезного ископаемого 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 самими подработанными водоносными горизонтами. Рассмотрим схему применения данного способа (рис. 9.5).

Рис. 9.5. 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 длиной, обеспечивающей 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 близи от 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. 9.6).

Рис. 9.6. 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; 7,9 — соответственно отработанная и неотработанная части залежи полезного ископаемого; 8 —измененный контур зоны водопроводящих трещин.

Способ реализуется следующим образом.

Из полевого штрека, который располагается в висячем боку залежи полезного ископаемого, 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 Н_звт и внешним контуром зоны блокового сдвига Н_збс. 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. 9.6), что обеспечивает нормальные условия разработки залежи. При подработке водного объекта, расход воды из которого превышает водопропускные способности вмещающих 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, институтом ВИОГЕМ была разработана система ярусного осушения.

Для наиболее полного перехвата потока подземных вод организуется система осушения горных выработок, включающая в себя дренажные устройства, размещаемые непосредственно у защищаемого участка шахтного поля, и водопонижающие скважины. Водопонижающие скважины располагаются (бурятся с земной поверхности) перпендикулярно к потоку подземных вод. Выбор места заложения 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 массива. 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.

Если водоносный горизонт залегает на большой глубине, то применяют комбинированный, т.е. одновременно поверхностный и подземный, способ водопонижения. Сначала с поверхности бурят систему нисходящих водопонижающих скважин на водоносный горизонт, затем из подземных горных выработок бурят восходящие, веерообразно расположенные дренажные скважины так, чтобы зона их действия перекрывала зону влияния нисходящих водопонижающих скважин.

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.

Если, несмотря на осушительные мероприятия, угроза затопления выработок остаётся, то применяют меры защиты горных выработок от затопления водой из подработанных водных объектов или соседнего затопленного рудника. В качестве вариантов мер защиты могут быть:

1. Оставление рудного (породного) барьерного целика между действующими выработками и водным объектом. Толщина целика определяется расчетным путем с учетом гидростатических напоров, воздействующих на целик, прочностных и деформационных свойств пород (руд), их трещиноватости и фильтрационных характеристик. Недостаток этого варианта в том, что в рудном барьерном целике оставляют значительное количество полезного ископаемого в виде потерь.

2. Изоляция действующих выработок от возможных прорывов воды путем сооружения водонепроницаемых перемычек.

Второй вариант более предпочтителен, так как он более экономичен и позволяет более оперативно управлять технологическими и водозащитными процессами.

Водонепроницаемые перемычки бывают сплошные (глухие) и с герметическими дверями. И те, и другие конструктивно выполняются клинчатыми и безврубовыми.

Особенность клинчатых перемычек в том, что они своими боковыми (коническими) гранями опираются на массив горных пород, что позволяет им работать на сжатие и на срез. Клинчатые водонепроницаемые перемычки бывают одноступенчатые (рис. 9.7а) и многоступенчатые (рис 9.7б). Последние применяют при больших гидростатических давлениях подземных вод или в случае, когда длина одноступенчатой клинчатой перемычки больше 3м.

а б

Рис. 9.7. Клинчатые водонепроницаемые перемычки

а – одноступенчатая; б - многоступенчатая

1 — дренажная труба; 2 — задвижка.

К достоинствам всех вариантов клинчатых перемычек относятся их большая надежность и устойчивость при действии гидростатических давлений воды и меньшая толщина по сравнению с безврубовыми. Недостаток их — высокая трудоемкость сооружения, особенно в условиях больших притоков воды, и сложность сооружения в эксплуатирующейся (например, транспортной) выработке. Кроме того, клинчатые перемычки целесообразно сооружать в породах крепких и средней крепости.

Если породы, где предстоит соорудить водонепроницаемую перемычку, не допускают необходимых обнажений, при больших водопритоках и ограничении по времени сооружения, то выбирают безврубовую конструкцию перемычки (рис.9.8).

Рис. 9.8. Безврубовая прямоугольная водонепроницаемая перемычка.

Безврубовые перемычки по внешнему контуру соприкасаются с поверхностью горной выработки, поэтому они оказывают сопротивление действию давления воды за счет сил сцепления боковой поверхности с поверхностью горных пород.

Эта конструкция перемычек менее надежна в работе, имеет меньшую устойчивость и сопротивляемость давлению подземных вод. Однако она более экономична и дает возможность в короткие сроки изолировать горные выработки от затопления, особенно при неустойчивых породах.

В зависимости от ожидаемого гидростатического давления и, конструкции перемычек их толщина может быть от 2—3 до 25 м.

Конкретные размеры водонепроницаемых перемычек требуемой прочности определяются расчетом.

Поиск по сайту: