21854

Управление геомеханическими процессами при подработке водных объектов

Лекция

География, геология и геодезия

Подработка переходных и специфических водных объектов системами с обрушением налегающих пород. гравитационной воды в порах и трещинах скальных горных пород или их отвалов пленочной воды в порах глинистых и песчаноглинистых пород и техногенных отложений. Линейные Сели ледники Подземные Площадные Псевдоплывунные породы. Линейные Разломы зоны дробления заполненные водой и псевдоплывунными породами Специфические Поверхностные Площадные Торфяники золоотвалы отвалы песчаноглинистых пород.

Русский

2013-08-04

776.5 KB

26 чел.

4

Тема 9. Управление геомеханическими процессами при подработке водных объектов. 4 часа.

Классификация подрабатываемых водных объектов. Типовые схемы подработки водных объектов. Подработка переходных и специфических водных объектов системами с обрушением налегающих пород. Категории опасности рудников по прорывам. Прогноз водопритоков в горные выработки при подработке водных объектов. Деформации массивов при глубоком водопонижении. Защита горных выработок от затопления.

9.1. Классификация подрабатываемых водных объектов.

Классификация водных объектов применительно к условиям их подработки в первую очередь должна выявить особенности горно-геологических явлений, осложняющих ведение горных работ. В связи с этим в качестве основных классификационных признаков выбраны следующие:

  •  виды воды в водном объекте;
  •  положение водного объекта относительно земной поверхности;
  •  характер распространения водного объекта.

В отношении первого признака - вода в водном объекте может находиться в виде:

  •  естественных или искусственных скоплений (моря, озера, водохранилища, реки и др.),
  •  гравитационной воды в порах и трещинах скальных горных пород или их отвалов,
  •  пленочной воды в порах глинистых и песчано-глинистых пород и техногенных отложений.

Нередко водный объект по виду присутствующей воды является сложным (или составным). В соответствии с видом воды все водные объекты подразделяются на три типа: истинные, переходные и специфические (табл. 9.1).

Истинные водные объекты представляют собой естественные или искусственно созданные сосредоточения гравитационной воды, которые при подработке являются или могут являться источниками ее внезапных катастрофических прорывов в горные переработки, затоплением участка ведения

Классификация подрабатываемых водных объектов

Таблица 9.1

Тип

Класс

Вид

Водные объекты

Истинные

Поверхностные

Площадные

Моря, озёра, водохранилища, пруды, затопленные карьеры

Линейные

Реки, каналы, лотки, трубопроводы.

Подземные

Площадные

Водоносные горизонты и комплексы, подземные водохранилища.

Линейные

Водоносные разломы и зоны дробления, затопленные горные выработки, гидротехнические тоннели и штольни.

Переходные

Поверхностные

Площадные

Болота, шламохранилища, хвостохранилища.

Линейные

Сели, ледники

Подземные

Площадные

Псевдоплывунные породы.

Линейные

Разломы, зоны дробления, заполненные водой и псевдоплывунными породами

Специфические

Поверхностные

Площадные

Торфяники, золоотвалы, отвалы песчано-глинистых пород.

Линейные

Оплывины

Подземные

Площадные

Истинные плывуны, воронки обрушения, заполненные песчано-глинистыми породами

Линейные

Горные выработки, подвергнутые противопожарному заиливанию.

горных работ или полностью шахты.

Подработка истинных поземных водных объектов в практике горного дела — обычное явление для всех месторождений, расположенных ниже уровня подземных вод.

В результате подработки высокопроницаемых водоносных горизонтов, комплексов, зон трещиноватости возможны осложнения в проведении горных работ (увеличение общешахтных водопритоков, интенсификация водопроявлений на отдельных участках, внезапные прорывы подземных вод, вторичное обводнение подготовленных к выемке или ранее осушенных запасов, повышение влажности добытого ископаемого выше установленных нормативных значений и т.д.).

Подработка таких водных объектов, как трубопроводы, незатампонированные водопонижающие, наблюдательные, геологоразведочные и другие скважины, может привести к некоторой интенсификации водопроявлений и осложнениям при ведении горных работ.

Переходные водные объекты — естественные или искусственно созданные скопления гравитационной воды, которые залегают на легко размываемых водонасыщенных песчано-глинистых грунтах, содержащих преимущественно пленочную воду. Подработка таких объектов сопровождается или может сопровождаться внезапным прорывом в горные выработки псевдоплывунных пород или воды с интенсивным выносом размытых горных пород.

Специфические водные объекты — естественные или искусственно созданные сосредоточения песчано-глинистых отложений, содержащих преимущественно пленочную воду. При подработке такие водные объекты являются или могут явиться источником внезапных прорывов в горные выработки истинных плывунов, увлажненных глин и песчано-глинистых пород.

Внутри каждого типа водные объекты по их расположению относительно земной поверхности делятся на два класса: поверхностные и подземные. Как поверхностные, так и подземные водные объекты по характеру распространения подразделяются на площадные и линейные.

Конечно, указанные последствия подработки тех или иных водных объектов представляют весьма упрощенную схему, так как в реальных условиях подработка водного объекта может осложняться другими факторами, возможна подработка нескольких водных объектов, относящихся к разным классам или типам. Последний случай является наиболее характерным.

При этом возникают комплексные осложнения, которые определяются типами подрабатываемых водных объектов. Например, при подработке истинного и специфического водных объектов, могут наблюдаться как прорывы воды, вторичное обводнение подготовленных к выемке руд, повышение влажности добытой руды, интенсификации водопроявлений на отдельных участках, так и внезапные прорывы плывунных песков, увлажненных глин или песчано-глинистых пород.

9.2. Системы разработки месторождений полезных ископаемых, применяемые для подработки водных объектов.

В зависимости от типа, класса и вида водных объектов могут применяться различные системы разработки месторождений. При этом возможные системы разработки определяются, исходя из определённых соотношений между пространственным расположением водного объекта, геометрическими параметрами месторождения и параметрами зон геомеханического преобразования массива горных пород.

Кроме того, для подземных истинных и переходных водных объектов в качестве основного условия выступает такое емкое понятие, как достижение необходимой степени их осушения, а для специфических водных объектов устанавливаются соотношения между мощностью рудопородной подушки, ее пористостью, критической глубиной проникновения опасных по прорывам грунтов в обрушенные скальные породы и их мощностью.

Например, в случае разработки калийных месторождений из-за опасности затопления подземных выработок горные работы должны проводиться таким образом, чтобы исключались сдвижения и деформации подрабатываемых пород, приводящие к образованию водопроводящих трещин или к обрушению водозащитной толщи. Поэтому с целью предотвращения сдвижения пород применяются камерно-столбовые системы разработки с последующим заполнением камер закладочным материалом (пустые породы, отходы калийного производства).

Допустимое оседание расположенной над калийными пластами водозащитной толщи определяется с учетом безопасного трещинообразования в зависимости от суммарной мощности отрабатываемых пластов и междупластий, степени заполнения камер закладочным материалом и усадки.

Рекомендации по выбору систем подземной разработки рудных месторождений под водными объектами приведены в табл. 9.2.

Рекомендации

по выбору систем подземной разработки рудных месторождений

под водными объектами

Таблица 9.2

Условия разработки

(принципиальные схемы)

Условия ведения горных работ

под водными объектами

Дополнительные

условия

Рекомендуемые

системы

разработки

Под истинным поверхностным водным объектом

Нг > Нзвт

-

С обрушением руды и вмещающих пород

Под истинным подземным водным объектом

Соотношения между Нг и Нзвт не нормируются

Необходимая степень осушения достигается

С обрушением руды и вмещающих пород

Необходимая степень осушения не достигается

С поддержанием выработанного пространства

Под переходным поверхностным водным объектом

Нг > Нзбс

-

С обрушением руды и вмещающих пород

Нг ≤ Нзбс

-

С поддержанием выработанного пространства

Под переходным подземным водным объектом

Нг > Нзбс

Нг ≤ Нзбс

-

Необходимая степень осушения достигается

С обрушением руды и вмещающих пород

Нг ≤ Нзбс

Необходимая степень осушения не достигается

С поддержанием выработанного пространства

Под специфическим поверхностным водным объектом

Нг > Нзбо

Нг ≤ Нзбо

-

lкр< L или mср> nL

С обрушением руды и вмещающих пород

Нг ≤ Нзбо

lкр> L или mср> nL

С поддержанием выработанного пространства

Под специфическим подземным водным объектом

Нг > Нзбо

Нг ≤ Нзбо

-

lкр< L или mср< nL

С обрушением руды и вмещающих пород

Нг ≤ Нзбо

lкр> L или mср> nL

С поддержанием выработанного пространства

Примечание: Нг — расстояние от кровли выработанного пространства до водного объекта перпендикулярно к напластованию, м; Нзвт, Нзбс, Нзбо — соответственно высота зоны водопроводящих трещин, зоны блокового сдвига пород и зоны беспорядочного обрушения, м; lкр — расчетная предельная глубина продвижения фронта песчано-глинистых грунтов в обрушенных скальных породах, м; L — мощность рудопородной подушки, м; mср — средняя мощность пород, опасных по прорывам в горные выработки, м; n — пористость рудопородной подушки.

9.3. Типовые схемы подработки водных объектов.

Можно выделить несколько типовых схем подработки водных объектов, которые базируются на обширной информации, включающей в себя характеристику водного объекта, горно-геологические условия месторождения, закономерности сдвижения горных пород, а также сведения о проектных (или фактических) системах разработки рудных залежей.

Рассмотрим первую типовую схему подработки истинного водного объекта и формирование прорыва воды в горные выработки (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Схема подработки истинного водного объекта: 1 — уровень подземных вод; 2 и 3 — контуры подработки водного объекта, фактический и прогнозный соответственно; 4 — истинный поверхностный водный объект; 5 — рыхлые отложения; 6 — кристаллические водопроницаемые породы; 7 – зона разрывных нарушений; 8 и 9 — соответственно неотработанная и отработанная части рудной залежи.

В рассматриваемом примере месторождение приурочено к массиву трещиноватых скальных пород, которые перекрыты рыхлыми отложениями небольшой мощности. В разрезе рыхлых отложений отсутствуют плывунные пески, ил, торф. Рудная залежь и вмещающие породы залегают наклонно.

Гидрогеологические условия шахтного поля характеризуются развитием нескольких водоносных горизонтов. Водоносные горизонты нижнего структурного этажа приурочены к трещиноватым скальным породам, фильтрационные свойства которых закономерно затухают с глубиной. На некоторой глубине трещиноватые скальные породы обводнены спорадически только в зонах разрывных нарушений и дроблений. В трещиноватых скальных породах выделяются как минимум два водоносных горизонта, которые разобщены водоупорными (или относительно водоупорными) породами. В пределах одного водоносного горизонта ведутся горные работы, второй непосредственно горными работами не вскрывается, однако он имеет гидравлическую связь с поверхностным истинным водным объектом.

Водоносные горизонты верхнего структурного этажа (в рыхлых породах) маломощные, фильтрационные свойства вмещающих их горных пород низкие; на формирование водопритоков в горные выработки водоносные горизонты существенно не влияют.

Подрабатываемые водные объекты в рассматриваемом примере являются как подземными (водоносные горизонты), так и поверхностными. В обоих случаях они относятся к истинным, т.е. в их разрезе нет пород, опасных по прорывам в горные выработки.

Месторождение разрабатывается подземным способом сверху вниз системами с обрушением руды и вмещающих пород. Принятые порядок и системы разработки определяют постоянное развитие сдвижения горных пород и земной поверхности и , как следствие, соответствующее перемещение контура подработки водных объектов.

При достижении некоторой глубины произойдет подработка водоносного горизонта (подземного истинного водного объекта), который гидравлически связан с поверхностным водным объектом. Если горные работы будут и далее вестись принятыми системами, то возможна непосредственная подработка истинного поверхностного водного объекта.

В данной типовой схеме основным вопросом является определение закономерностей формирования водопритоков в горные выработки. Математически строго эта задача сводится к решению системы дифференциальных уравнений, описывающих основные законы фильтрации подземных вод.

Вторая типовая схема представляет собой подработку специфических водных объектов, которая может сопровождаться внезапными прорывами в горные выработки увлажненных песчано-глинистых пород. В качестве примера рассмотрим случай подработки горными работами гидроотвала (рис. 9.2)

Рис. 9.2. Схема подработки специфического водного объекта: 1 — гидроотвал; 2 — уровень подземных вод; 3 — прогнозный контур подработки водного' объекта; 4 — суглинки; 5 — глина; 6 — кристаллические водопроницаемые породы; 7—руда

Месторождение полезного ископаемого приурочено к трещиноватым скальным породам, которые повсеместно перекрыты рыхлыми осадочными породами. В пределах шахтного поля расположен гидроотвал песчано-глинистых пород. В разрезе рыхлых осадочных отложений имеются горные породы, опасные по прорывам в горные выработки (суглинки и глины). Опасными по прорывам в горные выработки являются и породы, размещенные в отвале.

В геологическом разрезе месторождения выделяются два водоносных горизонта. Нижний водоносный горизонт приурочен к трещиноватым скальным породам и характеризуется низкими фильтрационными свойствами (проницаемостью и водоотдачей), которые с увеличением глубины уменьшаются, и на некоторой глубине скальные породы становятся практически непроницаемыми, обводненными спорадически только в зонах разрывных нарушений и дроблений. Верхний водоносный горизонт приурочен к рыхлым осадочным породам и породам, размещенным в отвале. Отвал рыхлых пород занимает значительную площадь, является аккумулятором атмосферных осадков и внутренним источником питания верхнего водоносного горизонта. Дополнительное питание приводит к поднятию уровня подземных вод в верхнем водоносном горизонте, водонасыщению ранее безводной части рыхлых пород и, как следствие, увеличению их прорывоопасности.

Месторождение полезного ископаемого проектируется к разработке подземным способом системами с обрушением руды и вмещающих пород. По мере развития горных работ в обрушение будут вовлечены не только рыхлые горные породы, покрывающие месторождение, но и породы, размещенные в отвале.

В данном случае система уравнений, описывающих прорывы увлажненных песчано-глинистых пород в горные выработки, может быть представлена дифференциальными уравнениями движения вязких жидкостей с соответствующими параметрами.

Третья типовая схема относится к случаю, когда подрабатываются переходные водные объекты и может произойти внезапный прорыв в горные выработки воды с интенсивным выносом размытых рыхлых пород.

Для формирования таких прорывов необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:

  •  присутствие в геологическом разрезе месторождения (или в разрезе подрабатываемого переходного водного объекта) легко размываемых рыхлых пород или пород, характеризующихся плывунными свойствами (торф, ил, плывунные пески, глины и др.);
  •  наличие гравитационной воды в водном объекте в количестве, достаточном для формирования струйчатых потоков в горном массиве, деформированном процессами сдвижения.

Таким образом, в данном случае необходимо анализировать возможности реализации как прорывов воды в горные выработки (что происходит при подработке истинных водных объектов), так и прорывы песчано-глинистых пород (характерных для случая подработки специфических водных объектов).

При подработке болот, шламо-, хвостохранилищ, плывунных песков и других переходных водных объектов указанные условия выполняются одновременно.

Схема размещения основных элементов, отражающая взаимное пространственное расположение горных работ, контура подработки водных объектов и подрабатываемого водного объекта переходного типа, изображена на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Схема подработки водного объекта переходного типа: 1 — уровень подземных вод; 2 — переходный водный объект; 3 — прогнозный контур подработки водного объекта; 4 — суглинки; 5 — илы; 6 — глинисто-щебенистый элювий; 7 — кристаллические водопроницаемые породы; 8—руда.

Предположим, месторождение полезного ископаемого приурочено к трещиноватым скальным породам и перекрыто рыхлыми осадочными отложениями. В составе рыхлых пород выделяются глинистый и глинисто-щебенистый элювий, супеси и суглинки. Рудное тело имеет непосредственный выход под рыхлые породы или выклинивается на небольшой глубине. По мере погружения рудное тело уходит под водный объект.

Гидрогеологические условия месторождения определяются наличием в геологическом разрезе двух водоносных горизонтов. Нижний водоносный горизонт приурочен к трещиноватым скальным породам, водопроницаемость которых определяется интенсивностью развития региональной и локальной трещиноватости. Трещиноватость, развитие которой связано с процессами выветривания, с глубиной затухает, что приводит к закономерному уменьшению водопроницаемости горных пород. Локальная трещиноватость, обусловленная разрывной тектоникой, не зависит от глубины, поэтому, как правило, с 50—200 м скальные породы обводнены спорадически, только в зонах разрывных тектонических нарушений и дроблений. Верхний водоносный горизонт приурочен к покрывным суглинкам и супесям, гидравлически связан с водным объектом. Водоупорными породами, разделяющими водоносные горизонты в трещиноватых скальных породах и покровных отложениях, являются глины коры выветривания.

В рассматриваемом примере предполагается разработка месторождения подземным способом системами с обрушением руды и вмещающих пород. По мере понижения уровня горных работ будет наблюдаться деформация горного массива и, как следствие, будет подработан водный объект.

Водопритоки при разработке месторождения будут формироваться в результате дренирования горными работами водоносных горизонтов в трещиноватых скальных породах и в покровных рыхлых отложениях. Однако, учитывая низкие фильтрационные свойства водовмешающих пород и небольшую мощность рыхлых осадочных отложений, водопритоки в горные выработки за счет подземных вод будут умеренными. В то же время подработка поверхностного специфического водного объекта может иметь катастрофические последствия.

Особенность подрабатываемого водного объекта состоит в том, что он является аккумулятором не только большого количества воды, но также ила и торфа. Высокое содержание в иле и торфе связанной воды и коллоидных частиц, низкая водоотдача определяют возможность их течения как вязко-пластичной жидкости. Ил и торф — легко размываемые породы, поэтому в рассматриваемых условиях подработка водного объекта может сопровождаться внезапными прорывами воды с интенсивным выносом частиц размытых илов и торфов.-

Математическое описание прорывов воды с интенсивным выносом размытых горных пород представляет собой еще большие трудности, чем описание прорывов только воды или только увлажненных рыхлых пород. В гидрологии течение взвесенесущих жидкостей принято описывать уравнениями движения вязко-пластичных жидкостей. Поэтому в первом приближении для описания прорывов воды с интенсивным выносом размытых рыхлых пород можно использовать, как и для прорывов увлажненных рыхлых пород, уравнения фильтрации вязко-пластичной жидкости (как и в предыдущей типовой схеме).

В практике подземной разработки рудных месторождений наиболее распространен случай, когда подрабатываются два или даже все три типа водных объектов. Типовая схема подработки нескольких типов водных объектов является простой комбинацией типовых схем подработки каждого типа водных объектов.

Фактически типовые схемы, представленные на рис. 9.1 и 9.2, являются примерами одновременной подработки нескольких типов водных объектов, так как в каждой из них присутствуют подземные истинные водные объекты (водоносные горизонты).

9.4. Категории опасности рудников по прорывам.

Как у нас в стране, так и в зарубежной горной практике накоплен большой опыт эксплуатации, строительства и проектирования разработки месторождений полезных ископаемых под водными объектами. При этом гидрогеологические условия рассматриваются с учетом изменений фильтрующей среды в процессе геомеханических преобразований подработанного массива горных пород. Многообразие водных объектов, в число которых включены истинные, переходные и специфические, уникальность горно-технических условий освоения каждого месторождения требуют индивидуального подхода к оценке возможностей и последствий подработки водных объектов, однако современные теоретические представления об условиях формирования прорывов как чистой воды, так и воды с интенсивным выносом размытых горных пород и увлажненных песчано-глинистых грунтов позволяют подойти к рассмотрению опыта освоения рудных месторождений под водными объектами с общих позиций.

Подработка как истинных, так переходных и специфических водных объектов сопровождается горно-теологическими явлениями, осложняющими производство горных работ; в наиболее неблагоприятных условиях могут возникнуть аварийные ситуации.

Рассмотрим условия формирования горно-геологических явлений, сопровождающих подработку истинных, переходных и специфических водных объектов.

Характер возможных горно-геологических явлений при подработке истинных водных объектов определяется притоком воды в горные выработки из подрабатываемого водного объекта. На основе обобщения наблюдений рудничных геологических служб за обводнением очистного пространства, проведенными на железорудных месторождениях Криворожского бассейна, Урала, Алтая, Горной Шории, на месторождениях цветных металлов Урала, Алтая, Сибири, установлены критериальные значения водопритоков к очистным выработкам.

Обобщенная схема формирования горно-геологических осложнений в случае подработки истинных водных объектов представлена на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Обобщенная схема формирования прорывов воды из подрабатываемых водных объектов:

1 — покровные песчано-глинистые отложения; 2 — подрабатываемый водный объект (водоносный горизонт); 3 — водоупорные породы; 4 — водопроницаемые породы; 5 — зона беспорядочного обрушения; 6 — статический уровень воды в водоносном горизонте; 7 — динамический уровень воды при подработке водоносного горизонта; 8 и 9 — границы подработки водных объектов, соответственно фактическая и прогнозная.

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

QпQс - Qш

Прорыв воды в горные выработки из водного объекта

Руда крепкая и очень крепкая, водопрочная, скальная

QпQс - 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:

Нг ≥ Нзвт,                                                                                             (9.1)

где Нг — расстояние от участка ведения горных работ до водного объекта, м; Нзвт— 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:

НГЗВТ.                                                                                                         (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 QВ 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 QД 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:

QВ = QД + Q0,                                                                           (9.3)

где QВ — расход потока подземных вод из подрабатываемого объекта, м3/ч; QД — 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. QВ = QД 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

QВ - QДQН,                                                                         (9.4)

где QН — 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> QН).

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:

QВ - QДQМQН,                                                                 (9.5)

где QМ — 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 = QВ). 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; lкр — критическая глубина продвижения песчано-глинистых грунтов в рудопородной подушке; L — мощность рудопородной подушки над очистным пространством; mср — 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

mср ≤ L п,                                                                          (9.6)

где mср — 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 lкр. 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 > lкр                                                                                                    (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:

mср > n L;                                                                                                              (9.8)

lкр >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; Hзвт — высота зоны водопроводящих трещин; Нг — расстояние от водного объекта до выработанного пространства перпендикулярно к напластованию пород; Hз6c — высота зоны сдвигов пород.

В процессе разработки месторождения полезного ископаемого под переходным водным объектом 6, расположенным на расстоянии Нг от 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.


Категории опасности рудников по прорывам в очистные выработки.

Таблица 9.4.

Категории

опасности.

Осложнение при

подработке

водных объектов.

Класс

водного

объекта.

Вид

водного

объекта.

Условия

ведения горных работ.

Мероприятия по предотвращению

осложнений.

I.Истинный подрабатываемый водный объект.

Не опасная по прорывам воды

Осложнений не наблюдается

Поверхностный и подземный

Площадной и линейный

Нг ≥ Нзвт

Мероприятия не предусматриваются

Малоопасная по прорывам воды

Увеличение влажности добываемой руды

Подземный

Площадной

Нг < Нзвт

Локальный дренаж добычных участков

Линейный

Нг < Нзвт

Локальный дренаж добычных участков, повторное тампони-рование скважин, упорядочение шахт-ного водоотлива

Опасная по прорывам воды

Вторичное об-воднение ранее осушенных руд

Подземный

Площадной

Нг < Нзвт

Дополнительный дре-наж недосушенных водоносных пластов, горизонтов и комп-лексов

Линейный

Нг < Нзвт

Дренаж зон дробле-ния и разрывных тектонических нару-шений, повторное там-понирование скважин

Прорывы воды из поверхност-ных водных объектов

Подземный

Площадной и линейный

Нг < Нзвт

Отвод поверхностных водотоков, ликвидация поверхностных водое-мов, оставление предо-хранительных целиков, разработка месторож-дений системами с поддержанием вырабо-танного пространства

Весьма опасная по прорывам воды

Прорывы воды из подземных водных объектов

Подземный

Площадной

Нг < Нзвт

Осушение шахтных полей, оставление пре-дохранительных цели-ков, разработка место-рождений системами с поддержанием вырабо-танного пространства.

Линейный

Нг < Нзвт

Спуск воды из затопленных горных выработок, оставление предохранительных целиков, осушение зон разрывных тектони-ческих нарушений и дроблений, повторное тампонирование сква-жин, разработка место-рождений системами с поддержаниием выра-ботанного пространст-ва


Категории

опасности.

Осложнение при

подработке

водных объектов.

Класс

водного

объекта.

Вид

водного

объекта.

Условия

ведения горных работ.

Мероприятия по предотвращению

осложнений.

II. Переходный подрабатываемый водный объект.

Не опасная по прорывам во-ды с интен-сивным выно-сом размытых горных пород

Осложнений не наблюдается

Поверхност-ный и подземный

Площадной и линейный

Нг ≥ Нзвт

Мероприятия не предусматриваются

Малоопасная по прорывам воды с интен-сивным выно-сом размытых горных пород

Увеличение водо-притоков в выра-ботки, увеличение влажности добы-ваемой руды; за-сорение руды пес-чано-глинистыми породами

Поверхност-ный

Площадной и линейный

Нзбс < Н ≤ Нзвт

Перехват потока подземных вод из подрабатываемого водного объекта в зоне водопроводящих трещин

Подземный

Площадной и линейный

Нзбс < Н ≤ Нзвт

Предварительное осу-шение псевдоплывун-ных пород, разломов, зон дробления, кар-стовых пустот, запол-ненных водой и псев-доплывунными породами.

Опасная по прорывам во-ды с интен-сивным выно-сом размытых горных пород

Небольшие и сред-ние по интенсивно-сти прорывы воды с интенсивным вы-носом размытых пород; вторичное обводнение ранее осушенных руд; небольшие и сред-ние прорывы пес-чано-глинистых грунтов в выработки.

Подземный

Площадной и линейный

Нг ≤ Нзбс 

Предварительное осу-шение псевдоплывун-ных пород, разломов, зон дробления, кар-стовых пустот, запол-ненных водой и псев-доплывунными породами.

Весьма опасная по прорывам во-ды с интен-сивным выно-сом размытых горных пород

Крупные и ката-строфические про-рывы воды с интенсивным вы-носом размытых пород

Поверхност-ный

Площадной и линейный

Нг ≤ Нзбс

Ликвидация специфи-ческого водного объекта или переход на системы с поддержанием вырабо-танного пространства.

Подземный

Площадной и линейный

Нг ≤ Нзбс

Необходимая степень осушения специфичес-кого водного объекта не достигается или прове-дение профилактичес-ких мероприятий эко-номически (технически) нецелесообразно. Переход на системы разработки с поддержа-ниием выработанного пространства.


Категории

опасности.

Осложнение при

подработке

водных объектов.

Класс

водного

объекта.

Вид

водного

объекта.

Условия

ведения горных работ.

Мероприятия по предотвращению

осложнений.

III. Специфический подрабатываемый водный объект

Не опасная по прорывам песчано-глинистых грунтов

Осложнений не наблюдается

Поверхност-ный и подземный

Площадной и линейный

Мероприятия не предусматриваются

Малоопасная по прорывам песчано-глинистых грунтов

Засорение руды песчано-глинистыми породами

Поверхност-ный и подземный

Площадной и линейный

Нг < Нзбо 

lкр < L или

mср < n L

Поддержание рудопородной подушки расчётной мощности.

Опасная по прорывам песчано-глинистых грунтов

Небольшие и сред-ние прорывы песчано-глинистых грунтов в горные выработки.

Поверхност-ный и подземный

Площадной и линейный

Нг ≤ Нзбо 

lкрL или

mсрn L

Профилактические и ликвидационно-профилактические мероприятия

Весьма опасная по прорывам песчано-глинистых грунтов

Крупные и ката-строфические про-рывы песчано-глинистых грунтов в горные выработки.

Поверхност-ный и подземный

Площадной и линейный

Нг ≤ Нзбо 

L = 0

Профилактические и ликвидационно-профилактические мероприятия не исключают осложнений или их выполнение эко-номически нецелесообразно. Переход на системы разработки с поддержа-ниием выработанного пространства.


9.5. 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.

9.6. Нагрузки и деформации, вызванные депрессионным уплотнением массива пород.

При глубоком водопонижении в зоне развития депрессионной воронки напряжения перераспределяются. Вследствие снятия гидростатических напоров увеличиваются эффективные напряжения, происходит депрессионная консолидация пород. Указанные явления активно влияют на формирование внешних нагрузок на крепь шахтных стволов, скважин, вызывая продольные и поперечные ее деформации.

Не смотря на то, что, в принципе, механизм депрессионной деформации массивов пород при водопонижении достаточно ясен и состоит в том, что снижение напоров при постоянном общем давлении вызывает рост эффективных напряжений и уменьшение пористости пород, надежный прогноз параметров данного явления остается сложной задачей в связи с трудностями наблюдений и измерений в толще пород, а также в связи с необходимостью учета двух стадий общей консолидации пород: фильтрационной и деформационной (ползучести) пород.

К отмеченному добавим, что в условиях подземной разработки месторождений необходимо знать:

а) величины деформаций раздельно по каждому пласту;

б) ожидаемые скорости деформаций пород.

Первое требуется для выбора мест расположения и конструкций крепи горных выработок. Второе позволяет соотносить время сооружения подземных выработок со временем (периодом) депрессионной консолидации массива пород.

Разработан ряд методик прогноза параметров этих явлений, которые с определенной степенью приближения можно использовать для инженерных расчетов при проектировании и эксплуатации объектов.

Обычно предполагается, что массив горных пород до начала водопонижения находится в состоянии устойчивого равновесия. При этом выше уровня подземных вод напряженное состояние пород обусловлено только их массой, которая полностью воспринимается скелетом пород. В этой части массива вертикальное напряжение (давление)

σZ = PZ = PЭ = γср H,                                                                (9.11)

где PZ — давление массы пород; PЭ — эффективное давление; γср — средняя плотность пород; Н — глубина расположения рассматриваемой точки.

Горизонтальное напряжение (боковое давление) здесь равно:

σX = σY = ξ PZ,                                                                             (9.12)

где ξ — коэффициент бокового распора.

Ниже уровня подземных вод в естественном состоянии массива давление от массы пород PZ уравновешивается внутренним напряжением породного скелета (исходным эффективным давлением) Рэ0 и исходным нейтральным давлением Рн0 (давлением поровой жидкости):

PZ = Рэ0 + Рн0,                                                                                           (9.13)

Отсюда величина исходного эффективного давления может быть определена из выражения:

Рэ0 = PZ - Рн0 = γср’ Н0 + γср (Н – Н0),                                                    (9.14)

где γср’ — средняя плотность пород под водой, т/м3; Н0 — высота столба воды над рассматриваемой точкой, м.

Исходное нейтральное давление (давлением поровой жидкости) равно

Рн0 = γв Н0 ,                                                                                             (9.15)

где γв — плотность воды, т/м3.

При снижении гидростатических напоров под влиянием откачки подземных вод нейтральное давление в дренируемой толще пород изменяется. Причем характер изменения нейтральных давлений в осушаемых водоносных горизонтах и разграничивающих их пластах водоупоров (например, глинах) существенно различны.

В водоносных породах изменение нейтрального давления ΔРн происходит по всей мощности пласта сразу же за снижением гидростатического напора на величину ΔН:

ΔРн = γв ΔН ,                                                                                  (9.16)

а новая величина нейтрального давления

Рн = Рн0 - ΔРн = γв0 – ΔН).                                                                 (9.17)

Соответственно изменится и эффективное давление

Рэ = РZ - Pн = γср Н - γв0 – ΔН).                                                         (9.18)

Такое изменение (увеличение, т.к. в 9.18 вычитается меньшая величина) эффективных давлений вызывает уплотнение дренируемого пласта по всей мощности, вертикальная составляющая которого — осадка:

S = λн ΔН γв hсл  ,                                                                                                    (9.19)

где λн — коэффициент депрессионной осадки породы; hсл — мощность пласта, м.

Следовательно, максимальное приращение эффективных давлений в водоносных породах, вызванное водопонижением, равно величине исходного нейтрального давления, а наибольшее значение эффективных давлений равно массе столба пород, т.е.:

mах ΔPэ = Рн0 γв ,    mах Pэ = РZ= γсрH .                                                   (9.20)

Однако, указанные зависимости и выводы отражают картину изменения вертикальных нагрузок и величины фильтрационной консолидации осушаемых пород лишь в первом приближении. Практика показывает, что в результате увеличения эффективного и общего давления из пластов водонепроницаемых пород, контактирующих с осушаемыми, отжимается значительное количество поровой жидкости, что вызывает их фильтрационную консолидацию.

Так, на Южно-Белозерском железорудном месторождении (Украина) из откачиваемых 2—3 тыс. м3 воды в час основная часть приходится на отжимаемую из относительно водоупорных меловых толщ.

В водонепроницаемых пластах (например, глинах) изменение нейтральных давлений (давлений поровой жидкости) под влиянием водопонижения происходит по сложной закономерности как в пространстве пласта, так и во времени.

В настоящее время нет эффективных методик расчета измерения напряжений и соответствующих им деформаций (особенно горизонтальных составляющих) в глинистых пластах под влиянием глубокого водопонижения. Поэтому для оценки и учета этого фактора при расчете нагрузок обычно пользуются приближенными решениями задачи.

Изменение напряженно-деформационного состояния пластов глин обусловлено отжатием из них поровой жидкости вследствие снятия гидростатических напоров со стороны контактирующих водоносных пластов и увеличения эффективного давления. Этот процесс развивается медленно и сопровождается консолидационно-реологичесими явлениями.

В глинистых породах большую роль играют силы сцепления, которые преодолеваются консолидирующими нагрузками (изменения Рэ и Рн) постепенно, по достижении определенного уровня, т.е. реализуются с отставанием от фильтрационного уплотнения осушаемых пород и растянуты во времени. Таким образом, осадка глинистых пород контролируется, главным образом, процессами ползучести.

В условиях, когда отсутствует надежное решение задачи, для получения приемлемых данных прогноза параметров консолидации массива пород по фактору ползучести обычно пользуются данными натурных наблюдений и лабораторных экспериментов.

Ещё более трудной является задача по прогнозу горизонтальных деформаций при водопонижении. Причины такого положения — ничтожно малый объем исходных натурных наблюдений по горизонтальным усилиям и перемещениям в массиве осушаемых пород и отсутствие общего теоретического решения задачи.

В частности, определенный (но далеко не полный) объем исходной информации по горизонтальным перемещениям земной поверхности при осушении массива пород накоплен лишь на Южно-Белозерском месторождении в виде результатов измерений деформаций участков крепи вертикальных шахтных стволов и скважин.

Южно-Белозерское железорудное месторождение отрабатывается подземным способом с твердеющей закладкой выработанного пространства в сложных гидрогеологических условиях. В соответствии с проектом осушения с 1962 г. проводились водопонизительные работы, которые привели к снижению напоров в бучакском водоносном горизонте на 160 м, а в рудно-кристаллическом — на 300 м.

На земной поверхности была сооружена сеть реперов маркшейдерской наблюдательной станции, где периодически инструментально фиксировались вертикальные оседания и горизонтальные перемещения точек. На рис. 9.9 показаны в изолиниях вертикальные оседания земной поверхности.

Рис. 9.9. План мульды сдвижения земной поверхности на Южно-Бело-зерском месторождении:

1, 2, 3, 4 —соответственно «Осевая», «Центральная», «Северная», «Южная» профильные линии; 5 — шахтные стволы; 6 —обследованные скважины; 7 — реперы; 8 — водопонижающие скважины.

Кроме этого, проводились наблюдения за вертикальными перемещениями изотопных глубинных реперов, заложенных в вертикальных скважинах на уровне наиболее характерных пластов сдвигающейся толщи пород. С началом депрессионной консолидации массива были организованы наблюдения за вертикальными и горизонтальными перемещениями крепи вертикальных шахтных стволов на характерных горизонтах и документировались параметры разрушения крепи различных скважин, пробуренных с поверхности через всю толщу осадочных пород.

Наблюдения за сдвижением земной поверхности на Южно-Белозерском месторождении начаты в 1961 г. В настоящее время наблюдательная станция на поверхности шахтного поля представляет собой сеть точек, расположенных по профильным линиям. Длина ее по простиранию залежи превышает 6 км. Мульда сдвижения на земной поверхности начала формироваться через 2,5 года в связи с водоотбором из бучакского и рудно-кристаллического водоносных горизонтов поверхностной и подземной дренажными системами. Оседания земной поверхности в настоящее время превышают 2,9 м.

Анализ зависимостей изменения скоростей оседания точек земной поверхности показывает, что сначала и на протяжении довольно продолжительного времени наибольшими скоростями оседаний характеризовались точки в центральной части мульды. Затем в течение трех лет они стабилизировались на различных уровнях (наибольший 30—35 мм/год). Чуть раньше произошло смещение зоны активности оседаний к периферийному поясу мульды. Здесь скорости оседания оказались выше таковых в центре мульды не только в относительной мере, но и за последние три — четыре года увеличились по абсолютным величинам до 65 мм/год (последнее особенно характерно для северной и северо-западной частей мульды сдвижения).

Таким образом, наибольшие скорости оседаний земной поверхности (следовательно, и толщи пород) происходят спустя некоторое время (по данным В.А. Мироненко после снижения гидростатических уровней на 50 м.) после начала водопонизителных работ. Основные вертикальные деформации происходили после этого в течение 2—3 лет. Затем скорости оседаний резко снижались и продолжаются на протяжении десятков лет в режиме ползучести со скоростью 30—35 мм / год.

Одновременно отмечались и горизонтальные перемещения точек массива. Другими словами, в результате водопонижения любая из точек в пределах депрессионной воронки перемещалась по единой траектории и может быть отображена соответствующим вектором. Однако в данном случае измерительные возможности позволяли фиксировать лишь вертикальную и горизонтальную проекции общего перемещения точек.

Следует заметить, что траектории перемещений точек массива могут быть и криволинейными вследствие влияния изменений геологических и технологических факторов. Эту криволинейность не всегда можно уловить и, фиксируя начальную и конечную точки траектории, возможно занижение длины пути перемещения точки массива. Может быть это является одной из причин расхождений результатов лабораторных данных и аналитических расчетов с данными натурных измерений.

Горизонтальные перемещения точек при депрессионной консолидации массива удалось зафиксировать лишь по перемещениям отдельных сечений крепи вертикальных шахтных стволов (от 120 до 630 мм). При этом было установлено:

векторы перемещений центров устьев стволов отражают
развитие деформаций земной поверхности в процессе формирования депрессионной воронки и мульды сдвижения;

на всех стволах установлено неравномерное по глубине
распределение горизонтальных и вертикальных перемещений
участков (сечений) как по величинам, так и по направлениям.
Наибольшие деформации (в 2—3 раза превышающие соответствующие в верхней части) отмечаются для интервалов залегания пород «киевские глины — глины коры выветривания»;

наибольшие скорости и величины горизонтальных перемещений стенок стволов и вертикальных сжатий узлов податливости в них приурочены к интервалам глубин 250—350 м (до 70—80 % зафиксированных перемещений). При этом отмечается явное преобладание перемещений в направлении запад — восток по сравнению с перемещениями в направлении север — юг (в 2—6 раз по величинам). В последующем в большей части указанных интервалов перемещения стволов стабилизировались, за исключением участков (300 —350 мм) в нижней части толщи мергелей и в глинах коры выветривания, где процесс деформаций продолжается с переменной скоростью.

9.7. Меры защиты горных выработок при депрессионных деформациях массива.

Наибольшим деформациям при водопонижении подвергаются толщи осадочных пород или слабых пород коры выветривания. В этих толщах, как правило, располагаются вертикальные стволы шахт и скважины, и реже — наклонные выработки. Наиболее радикальной мерой, позволяющей сохранить горные выработки и их крепь, является сооружение их после водопонижения и по истечении периода активной депрессионнои консолидации массива пород.

В настоящее время предложенные методики позволяют с погрешностью 25—35% прогнозировать интервалы изменения нагрузок и соответствующих им деформаций, а также скорости развития этих процессов на стадии проектирования горного предприятия. В результате составляются календарные планы водопонизительных работ и увязанных с ними последующих работ по проходке выработок, вскрывающих месторождения.

Однако, часто горные выработки по разным причинам приходится проходить в периоды активной стадии депрессионнои консолидации осушаемой толщи пород (или до водопонижения вообще). В этом случае, в зависимости от местоположения стволов шахт или скважин, на участках мульды сдвижения крепь горных выработок защищают от дополнительно возникающих вертикальных и горизонтальных нагрузок и деформаций.

В таких случаях приходится принимать конструктивные решения, позволяющие предупреждать повреждения в крепи скважин и вертикальных стволов.

С этой целью в обсадной колонне скважин устанавливают компенсаторы осевых деформаций от продольных усилий сжатия (узлы вертикальной податливости).

Узел податливости представляет собой телескопическую систему (рис. 9.10), устанавливаемую на обсадной колонне (крепи) скважины на расчетном интервале глубин.

Рис. 9.10. Узел вертикальной податливости крепи скважин:

а — продольный разрез устройства для предотвращения разрушения обсадных колонн до приложения усилия; б — то же, после приложения усилия; 1 и 7 - обсадные трубы; 2 – втулка; 3 – кожух; 4 - стенка кожуха; 5 - эластичный элемент (выполнен, например, из керамзита); 6 – патрубок; 8 - затрубный цементный камень; 9 - торец кожуха; 10 – скважина.

Устройство для предотвращения разрушения обсадных колонн состоит из телескопически соединенных втулки и патрубка, жестко связанных с обсадными трубами, и кольцевого эластичного элемента, расположенного на наружной поверхности патрубка и снабженного кожухом. Один конец последнего жестко связан с патрубком, стенка выполнена из легкого деформирующегося материала.

Вертикальные нагрузки на крепь скважин, которые сооружены в зонах активных деформаций горных пород, в результате релаксации развиваются постепенно и с течением времени возрастают до величины, в несколько раз превышающей прочность обсадных труб. Предлагаемое устройство за счет деформации эластичного пористого элемента и возможности осевого перемещения верхней секции обсадных труб совместно с затрубным цементным камнем по отношению к нижней снимает нагрузки по мере их накопления, тем самым предотвращая обсадные трубы от разрушения и сохраняя затрубный цементный камень.

Объем эластичного пористого элемента, определяющий величину перемещений Н, в каждом конкретном случае определяется, исходя из прогнозируемой величины осадки пород. Она с некоторым запасом (порядка 25%) принимается на основании расчета осадок конкретного дренируемого пласта в результате депрессионной консолидации пород.

В скважинах рекомендуется узлы податливости устанавливать на контактах водоносных и водонепроницаемых пластов.

Принципиально аналогичную конструкцию имеют разработанные и установленные в крепи вертикальных шахтных стволов узлы податливости на Южно-Белозерском и Яковлевском железорудных месторождениях.

От возникающих при депрессионной консолидации пород дополнительных горизонтальных (радиальных) нагрузок крепь вертикальных стволов и скважин защищают увеличением сопротивляемости (прочности) ее в указанных направлениях. Один из способов реализации этой задачи — расчет, конструирование и установка многослойных крепей. Возникающие дополнительные горизонтальные нагрузки вынуждают усиливать крепь скважин (стволов). Например, вместо двухслойных крепей скважин (колонна — бетон) или стволов (тюбинги — бетон) используют трехслойные крепи: для скважин —колонна — бетон — колонна; для стволов — тюбинги — бетон — тюбинги.

9.8. Защита горных выработок от затопления.

Существует несколько вариантов защиты горных выработок от затопления водой из подработанных водных объектов или соседнего затопленного рудника:

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 одно- и многоступенчатые (рис. 9.11). Последние применяют при больших гидростатических давлениях подземных вод или в случае, когда длина одноступенчатой клинчатой перемычки больше 3 м.

а)

б)

Рис. 9.11. Одноступенчатая (а) и многоступенчатая (б) клинчатая водонепроницаемая перемычка: 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 водопротоках и ограничении по времени сооружения, то выбирают безврубовую конструкцию перемычки (рис.9.12).

Рис. 9.12. 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. Среди предложенного ряда методов расчета перемычек простотой и логичностью отличается метод Е.П. Калмыкова [Калмыков Е.П. Борьба с внезапными прорывами воды в горные выработки. – М.: Недра, 1973]. По этой методике расчет клинчатых перемычек производят на статическую прочность на сжатие и срез, а также на допустимую водопроницаемость.

В основу расчётной схемы положены предположения, что под воздействием гидростатического давления Р перемычка стремится сдвинуться вдоль оси выработки. Этому сдвигу препятствуют силы реакции горных пород Q при распоре перемычки на них. Если пренебречь собственной массой перемычки, то тогда толщина клинчатой перемычки может быть определена зависимостью:

       (π/2 + 1) а + 2b1       4 λ Pг а (b1 + π а/8) (π/2 + 2)       

В = ---------------------- │√------------------------------------ + 1│,                  (9.21)

        2 (π/2 + 1) tgα        m σсж [(π/2 + 1) a + 2b1]2             

где а — ширина выработки, м; b1 — высота выработки от почвы до пяты свода, м; Рг — интенсивность гидростатической нагрузки, т/м2; α — угол наклона боковых граней перемычки, градусы; σсж — предел прочности бетона на сжатие, т/м2; λ = 1,2 ÷ 1,3 — коэффициент перегрузки; m = 0,5 + 0,6 — коэффициент условий работы.

Расчет безврубовых перемычек производят на устойчивость и водопроницаемость. Безврубовая прямоугольная водонепроницаемая перемычка находится под воздействием гидростатического давления воды Р, которая стремится сдвинуть перемычку вдоль оси горной выработки. Этому сдвигу препятствуют силы сцепления F перемычки с окружающими породами. Предельное равновесие перемычки описывается зависимостью.

Σ Х = Р – F = 0.                                                                          (9.22)

Гидростатическое давление воды Р может быть выражено:

Р = λ Рг Sп,                                                                                           (9.23)

где Sп — площадь поперечного сечения выработки вчерне, м2.

На основании зависимостей (9.22) и (9.23) получена формула для расчета толщины В безврубовой перемычки:

        λ Рг Sп

В = ----------,                                                                                       (9.24)

      m τс П

где τс — сцепление бетона с породами, т/м2 (в СИ измеряется в кН/м2); можно принимать τс = (0,7 + 0,8) τб; τб – сцепление в бетоне, т/м2, П — периметр горной выработки.

Считая, что просачивание воды через бетон происходит по закону Дарси, а также принимая, что практически перемычку можно считать водонепроницаемой, если через нее просачивается воды не более 0,5 м3/сут., зависимость для расчета водонепроницаемости любой бетонной перемычки представляется в виде:

В = 48 k H0 S,                                                                                         (9.25)

где k — коэффициент водопроницаемости бетона (коэффициент фильтрации), который можно принять равным k = 0,000015 + 0,000035 м/ч); Но — давление воды, м/м3; S — площадь сечения выработки, м2.

Окончательная толщина перемычки принимается наибольшей из полученных по (9.21) и (9.25) или (9.24) и (9.25).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30720. Общее и особенное в политике британских консерваторов и лейбористов в 1920-е гг 23 KB
  Консервативная партия Великобритании – одна из двух ведущих политических партий страны образовавшаяся в 1867 году на базе партии тори. К 1930му году в Великобритании стала ясной гибель радикального социализма тогда на первый план выдвинулся либерализм который настаивал на прямом вмешательстве государства в экономику и передаче государству целого ряда социальных функций. Внутреннюю политику консерваторов Великобритании 1920 1930х годов можно охарактеризовать как стремление сохранить существующую ранее универсальность и...
30721. Основные этапы первой мировой войны. Факторы поражения германо-австрийского блока 27.5 KB
  В июле 1914 г Германия и Австровенгрия начинают первую мировую войну. Германия хотела сначала вывести из строя Францию чтобы прекратить борьбу на два фронта: Западном и Восточном. 1 этап – вторжение в Бельгию где Германия потерпела поражение: в Восточной Пруссии – Германия воевала с русскими армиями; в Галиции и Польше – где победы достались русским. Германия и АвстроВенгрия были экономически истощены под влиянием революций в России среди военных германии и Австрии усилилась антивоенная агитация народ устал от...
30722. «Новый курс» Результата и его историческое значение 24.5 KB
  Его основная цель состояла в оздоровлении экономики и восстановления доверия граждан к государству. Политика Рузвельта получила название Новый курс который он восстановил государственное регулирование экономики и социальных отношений. Законом об оздоровлении национальной экономики вся промышленность была разделена на 17 групп по отраслям и регулировалась нормативными актами кодексами чести определявшими объем выпуска товаров уровня заработной платы распределение рынков сбыта продолжительность рабочего времени и др....
30723. Эволюция и крах бюрократических режимов в стране ЦЮВЕ 26.5 KB
  было сформировано коалиционное правительство в ГДР. Чехословакия и ГДР несколько условно могут быть отнесены к государствам с довольно высоким уровнем развития Польша Венгрия Хорватия и Словения – страны среднего развития а Болгария Румыния четыре другие республики бывшей Югославии Сербия Черногория Македония Босния и Герцеговина Албания – низкого. По решению парламентов ГДР и ФРГ с 1 июля 1990 г. ГДР прекратила свое существование вместо нее появились пять новых федеральных земель ФРГ.
30724. Изоляционизм США термин использовавшийся с середины 19 в. 25 KB
  Изоляционизм США термин использовавшийся с середины 19 в. для обозначения направления во внешней политике США в основе которого лежит идея невмешательства в европейские дела и вообще в вооруженные конфликты вне американского континента. складывались под влиянием ряда факторов: географическая обособленность Американского континента создание в США ёмкого внутреннего рынка способствовавшего тому что значительная часть буржуазии мало интересовалась заокеанской экспансией расширение за счет др.
30725. Великобритания выбор новой модели развития в условиях кризиса и распада колониальной империи 28.5 KB
  Черчилль предложил емкую формулировку такого мировидения концепцию трех великих кругов центром пересечения которых считалась Британия. Чем глубже пускала корни биполярная система мира тем активнее Британия искала себе место в условиях противостояния двух сверхдержав. в 1940–1950е годы Британия все еще ощущала себя империей однородным государством и державой глобального масштаба.
30726. Ялтинская и Потсдамская конференции глав правительств СССР, США и Великобритании. (1945) 22.5 KB
  Участвовали: Сталин СССР Черчилль Великобритания Рузвельт США. Основные решения: 1 Германия делилась на 4 оккупационные зоны СССР Франция Англия США. 3 Согласия СССР вступить в войну с Японией через 3 месяца после капитуляции Германии.
30727. Кризис неолиберализма в США. Переход к неконсервативной модели развития ГМК 26 KB
  Главный замысел неолиберализма – снижение регулирующей роли государства в экономике При общем экономическом подъеме неолиберальный курс обусловил неустойчивость и нестабильность развития США Причиной экономического роста в США стали специфические внутренние и внешние факторы конца ХХ в. Экономическое развитие США последнего десятилетия окончательно подтверждает: неолиберальная перестройка – это путь к строительству эффективной капиталистической экономики. Неолиберальный режим вызвал крайне нестабильный экономический рост в США в 90е...
30728. Политика «невмешательства» (1935 – 1937 гг.). Мюнхенское соглашение 1938 г. и его значение для судеб мира 24.5 KB
  СССР готово было прийти на помощь Чехословакии в 1935 г у СССР и Чехословакии был договор о взаимопомощи при поддержке Франции у которой с СССР был такой же договор. Но французское правительство не поддержало СССР т. Попытки англофранцузской дипломатии умиротворить нацистов без участи СССР оказались тщетными и тогда Англия и Франция вынуждены были предоставить гарантии безопасности возможным жертвам агрессии – Польше Румынии Греции и начали секретные переговоры с Советским союзом. провалились изза недоверия...