» » Способы водозащиты горных выработок

Способы водозащиты горных выработок

19.08.2016

Проблема водозащиты горных выработок возникает при подработке водных объектов. Под водными объектами в широком смысле слова будем понимать природные или искусственно созданные сосредоточения воды, водонасыщенных или увлажненных песчано-глинистых пород, которые являются или могут стать источником их прорывов в горные выработки.
Таким образом, термин «водные объекты» включает в себя моря, океаны, реки, ручьи, каналы, водоотводные канавы, водохранилища, пруды, хранилища промышленных стоков, водоносные горизонты и комплексы, обводненные тектонические разломы и зоны дробления, затопленные горные выработки, незатампонированные геолого-разведочные и гидрогеологические скважины, действующие дренажные выработки, заполненные водой зоны обрушения, болота, золо- и хвостохранилища, плывунные пески и глины.
При анализе и оценке прорывоопасности (в частности, при классификации) подрабатываемые водные объекты по их составу подразделяют на однофазные (вода), двухфазные (вода + песчаноглинистые породы или вода + газы) и трехфазные (вода + песчаноглинистые породы + газы).
Двухфазные (вода + горные породы) водные объекты формируются двумя путями:
• природные обводненные (водонасыщенные) песчано-глинистые породы;
• в подошве водоносного пласта расположены легкоразмываемые породы: при подработке происходит прорыв воды с интенсивным выносом размытых горных пород.
В работах приведены классификации как водных объектов, так и месторождений полезных ископаемых по условиям подработки водных объектов.
На основе этих положений и в зависимости от гидрогеологических и горно-технических особенностей комбинированной разработки рудных месторождений сформулируем некоторые основные способы защиты горных выработок от поверхностных и подземных водных объектов.
Ликвидация или перемещение подрабатываемых водных объектов

Прежде всего заметим, что не все водные объекты можно ликвидировать или переместить. К таким относятся моря, крупные озера и водохранилища, крупные реки, водоносные горизонты и комплексы регионального распространения.
В подобной ситуации отработка верхней части месторождения, как правило, исключается и, следовательно, невозможна и комбинированная разработка в открыто-подземном варианте.
Поскольку в указанных условиях речь может идти только о подземной разработке (возможно в сочетании с физико-химическими технологиями), добычные участки должны быть защищены от воздействия перечисленных водных объектов надежным барьерным целиком.
Технологии подземной и физико-химической добычи полезного ископаемого в этой обстановке должны отражать специфику горно-технических особенностей предприятия. В неменьшей степени это относится к обеспечению безопасности и санитарно-гигиенических условий труда работающих.
Ликвидация или перенос водного объекта меньшего масштаба может рассматриваться как возможный вариант водозащиты горных выработок карьера и рудника.
Способы водозащиты горных выработок

Под термином «ликвидация» здесь понимается физическое устранение водного объекта целиком или преобразование в новое состояние, исключающее его прорывоопасность.
Ликвидированы могут быть сравнительно небольшие водоемы на земной поверхности (озера, пруды, водохранилища и т.п.), вода из которых обычно перекачивается в ближайшие реки или другие водоемы, а оставшиеся донные отложения вывозятся. Такая практика весьма широко распространена в качестве водозащитного мероприятия.
Если подрабатываемый водный объект представлен увлажненными песчано-глинистыми породами, потенциально опасными по прорыву в горные выработки, то при сравнительно небольшой глубине расположения их от земной поверхности пласты таких пород выбираются открытым способом в объемах, исключающих одновременное выполнение выявленных нами двух условий (рис. 12.8):
• мощность обрушенных скальных пород при подземной разработке месторождения и физико-механические свойства вышележащих увлажненных песчано-глинистых пород обеспечивают выполнение условия
Способы водозащиты горных выработок

где L — мощность обрушенных скальных пород, м; lкр — глубина проникновения увлажненных песчано-глинистых пород в обрушенном массиве скальных пород, м; k — коэффициент разрыхления пород в зоне обрушения, доли единицы; P — внешняя нагрузка (например, вес песчано-глинистых пород); τп — предел прочности увлажненных песчано-глинистых пород при сдвиге; d — гармоническое средневзвешенное значение диаметра частиц в скальном обрушенном массиве;
• объем порового пространства в обрушенном массиве должен быть меньше объема вовлеченных увлажненных песчаноглинистых пород:
Способы водозащиты горных выработок

где mcp — средняя мощность слоя увлажненных песчано-глинистых пород, м; n — пористость обрушенных скальных пород, доли единицы.
Таким образом, удалив некоторую часть (или всю) толщи увлажненных песчано-глинистых пород, мы снимаем угрозу прорыва их в горные выработки.
Водозащита горных выработок в данном случае может быть обеспечена и другими мерами, например, изменением пористости обрушенных пород, корректировкой физико-механических свойств песчано-глинистых пород, снижением внешней нагрузки. Ho об этом речь пойдет далее.
Здесь же, анализируя способ частичной или полной ликвидации самого водного объекта, следует подчеркнуть большую эффективность его в условиях комбинированной разработки месторождения.
В самом деле, если верхняя часть залежи отрабатывается карьером, то вне зависимости от очередности развития открытых и подземных добычных работ (но при наличии единого проекта) представляющие опасность увлажненные песчано-глинистые породы могут быть удалены по мере необходимости.
И это обеспечит безопасность как подземных, так и открытых горных выработок при незначительных дополнительных затратах.
Теперь о несколько специфическом способе ликвидации, скорее — превращении, водного объекта в ординарный монолитный участок массива пород.
В строительном и горном производстве этот способ более известен как закрепление слабых, водосодержащих массивов пород.
Применительно к задачам водозащиты горных выработок способ заключается в том, что через скважины, пробуренные в потенциально опасный по прорывам водонасыщенный пласт, под давлением закачивают определенные растворы, которые в процессе гидратации связывают свободную или пленочную воду пласта, способствуя превращению пород в монолитный массив.
В качестве таких закрепляющих растворов используют цементное молоко, полимерные смолы, жидкое стекло (в совокупности с воздействием электрического тока) и др.
Защита горных выработок от подрабатываемых водных объектов путем переноса их за пределы горного отвода используется часто и весьма активно.
Такая мера касается прежде всего таких объектов, как мелкие и средние реки, ручьи, каналы, хвостохранилища, шламо- и золохранилища и др.
Причем если для безаварийной работы карьера эта мера является неизбежной и часто единственно возможной, то подземный рудник в большинстве случаев может работать и под ними, используя соответствующие системы разработки.
Однако комбинированная схема разработки месторождения позволяет за счет принятия общих водозащитных решений существенно улучшить технологию подземной разработки вследствие применения более производительных и дешевых систем разработки, а водозащиту карьера совершенствовать путем привлечения технологических и финансовых возможностей подземного рудника и снижения затрат на её строительство и эксплуатацию.
Изоляция водного или защищаемого объекта

Изоляция подрабатываемых водных объектов довольно часто используется в качестве профилактической меры по защите горных выработок. Этот способ водозащиты применяется для изоляции сравнительно небольших по размерам естественных водных объектов, но чаще его используют для изоляции техногенных водных объектов, например таких, как хвосто- и золохранилища, гидроотвалы, затопленные открытые или подземные горные выработки.
Техногенные водные объекты на поверхности должны быть расположены за пределами зоны сдвижения с разрывом сплошности подрабатываемых пород. Следовательно, их местоположение должно определяться с учетом (или в составе) проекта открытой, подземной или комбинированной разработки месторождения.
Если к моменту составления проекта на отработку месторождения такие водные объекты уже существовали, то их следует вынести за проектные границы зоны сдвижения пород.
И в том, и другом случае техногенный водный объект на земной поверхности должен проектироваться и сооружаться с более высокой надежностью, если предполагается его подработка.
Технические решения по снижению прорывоопасности намывных водных объектов в указанных условиях должны обеспечивать надежность этих сооружений N = 1-R (где R — степень риска) не менее 0,98—0,99 при обычном для них показателе степени надежности 0,90—0,98.
Таким образом, способ водозащиты горных выработок, основанный на изоляции техногенных водных объектов, оказывается достаточно эффективным при использовании современных высоких технологий.
Для указанных ранее намывных гидротехнических сооружений — это создание прочного долгосрочного гидроизоляционного основания с использованием геотекстиля, которое укладывается на естественные или намывные песчано-глинистые породы.
Геотекстильное полотно — синтетическое нетканое полотно, изготовленное из волокон полимеров. Обладает прочностью, водопроницаемостью, но непроницаемо для заданной фракции минеральных частиц. Способствует повышению устойчивости намывных сооружений (ограждающих дамб, например) за счет увеличения сопротивления сдвигу складируемых пород, а также равномерного распределения напряжений в дамбе.
Способы водозащиты горных выработок

Способ изоляции техногенного водного объекта используется при мокрой консервации отработанных карьеров, если по каким-либо причинам последующая подземная отработка месторождения целесообразна без использования карьерного пространства.
В зависимости от сочетания таких гидрогеологических и горно-технических параметров, как глубина карьера, местоположение и мощность водоносных комплексов, отметок гидростатических уровней подземных вод применяют различные схемы и технологии гидроизоляции карьера.
Например, фирмой НОВОТЭК (г. Белгород) для гидроизоляции отработанного карьера «МИР» (Якутия) предложена следующая схема.
Условия объекта (рис. 12.9): глубина карьера — 525 м; отметка почвы метегероичерского водоносного комплекса — 500—510 м; мощность водоносного комплекса — 200 м; статический уровень вод над кровлей подземного комплекса — 200 м.
Карьер предложено поставить на мокрую консервацию, создав предварительно изолирующий экран путем засыпки нижней его части.
Насыпной массив — слоистая конструкция толщиной около 100 м, представленная в верхней части глинистым экраном, в нижней — дренажной «подушкой» из вскрышных скальных пород.
На уровне дна карьера проводят водоотливную штольню, к которой примыкает сооруженный в карьере железобетонный водоприемный фильтрующий портал. Из штольни бурят в карьер водосбросные скважины для сбора и перепуска воды с поверхности глинистого экрана и скважины (или стволы) на земную поверхность для выдачи воды из штольни.
Изоляцию водного объекта от горных выработок можно осуществить и посредством оставления водонепроницаемого барьерного целика. Этот способ используется довольно часто вследствие простоты в инженерном отношении: требуется лишь определить мощность изолирующего барьерного целика по геомеханическому и гидростатическому факторам.
Недостатком этого решения являются потери полезного ископаемого в целике, а также пространственный и временной разрывы в развитии фронта отработки залежи.
Иллюстрацией такого технического решения может служить принятая схема комбинированной разработки алмазоносной трубки «Интернациональная».
Здесь верхняя часть месторождения отработана карьером, который после окончания горных работ был затоплен.
Нижняя часть залежи вскрыта по самостоятельной схеме для подземной отработки. Очистные работы здесь ведут слоевой системой разработки с твердеющей закладкой под защитой 200-метрового барьерного рудного целика (рис. 12.10).
Поскольку изоляция водных объектов как естественных, так и техногенных — пассивный способ водозащиты горных выработок, т.е. не влияющий на физико-химическое состояние и объем изолируемого объекта, то последующая его подработка должна выполняться горными технологиями, не приводящими к увеличению водопроницаемости естественного или искусственного массива между ним и действующими горными выработками.
Распространена ситуация, когда месторождение повторно отрабатывается комбинированным открыто-подземным способом либо одним из них в отдельности.
Способы водозащиты горных выработок

Гидрогеологическая проблема, характерная для этой ситуации, состоит в том, что горные выработки первичной отработки, как правило, затопляют. Если такое состояние существенно не осложняет повторную разработку месторождения, то стремятся изолировать затопленные старые горные выработки, т.к. это в большинстве случаев оказывается более эффективным и с технологической, и с экономической точки зрения.
В подобных условиях для изоляции техногенных водных объектов чаще всего оставляют барьерные целики и сооружают в капитальных и подготовительных выработках водонепроницаемые перемычки.
В отличие от изложенного способ водозащиты посредством изоляции горного объекта используется реже. Объясняется это ограниченными возможностями способа, который реализуется преимущественно созданием одного из двух типов сооружений: барражных водонепроницаемых завес и противофильтрационных ограждений (завес).
Первая разновидность водозащитных сооружений применяется при наличии сравнительно неглубоко залегающих (до 30—40 м) водоносных пород.
Такие завесы сооружаются проходкой вертикальных щелей шириной 0,3—0,5 м специальными самоходными устройствами — барражными машинами и бурением сплошного ряда скважин. Образованную щель заполняют глиной или цементным раствором.
Водонепроницаемые завесы используют в карьерах при проходке и эксплуатации главных въездных или разрезных траншей и других объектов. Широкое распространение они получили в строительстве под названием «стена в грунте».
Противофильтрационная завеса (ПФЗ) — это сооружение, функциональное назначение и конструкция которого аналогичны рассмотренным ранее. Разница в том, что такое ограждение сооружается на значительной глубине от поверхности и защищает (изолирует) горный объект от подземного водного потока определенного пласта.
Устройство и технологию сооружения ПФЗ можно рассмотреть на примере алмазоносного месторождения «Мир» (Якутия).
Способы водозащиты горных выработок

Месторождение разрабатывается комбинированным, последовательно открыто-подземным способом (рис. 12.11). Верхняя часть до глубины 525 м отработана карьером, нижняя — намечается к разработке подземным способом.
В интервале глубин 300—500 м имеется метегеро-ичерский водоносный комплекс, осложняющий безопасное ведение работ и в карьере, и в руднике.
Было принято решение о сооружении противофильтрационной завесы для защиты открытых и подземных горных выработок от воды.
Для этого с уступа карьера (абс. отметка +235 м) были пробурены вертикальные скважины глубиной по 425 м по всему периметру уступа. Расстояние между центрами скважин 30—40 м. В скважины под давлением был подан песчано-цементный раствор, который через отверстия в обсадной колонне поступал в водоносные породы и, закрепляя их, образовывал цилиндрическую зону, непроницаемую для воды (см. рис. 12.11).
Закрепленные зоны замыкались на такие же от смежных скважин и по замыслу должны были образовать вокруг объекта цилиндрическую сплошную водонепроницаемую завесу со средней толщиной 40 м.
Однако вследствие искривления при бурении вертикальных тампонажных скважин, а также из-за определенной анизотропии проницаемости пород водоносного комплекса фактическая толщина завесы составила 25—50 м, и сплошной непроницаемой она не получилась.
Через оставшиеся в завесе «окна» вода проникала в карьер Начальный дебит воды из обводненных пород снизился на 50—40 % (с 2000 до 1200 м3/ч).
Осушение подрабатываемого водного объекта

Массивы любых пород содержат свободную (гравитационную) и поровую воду, т.е. обводнены, одни в большей, другие в меньшей степени. При ведении горных работ вода попадает в горные выработки и затрудняет работу людей и механизмов.
Однако в определенных геологических условиях подземные воды концентрируются в пористых горных породах в больших количествах и доставляют не только неудобство в процессе отработки, но становятся опасным для жизни людей, угрожают нарушением нормальной деятельности предприятия.
Если предотвратить эту угрозу ни одним из описанных ранее способов невозможно, то возникает необходимость удаления воды из зоны влияния горных работ.
Осушение или дренаж — это отбор воды из подземных обводненных массивов пород, который осуществляется для снижения напоров или уровней водоносных горизонтов, что позволяет уменьшить притоки в горные выработки, изменить напряженное состояние массивов пород, предотвратить затопление (в том числе, внезапное) горных выработок из подрабатываемых водных объектов.
По времени проведения различают предварительное и текущее осушение месторождения.
Предварительное осушение карьерного или шахтного полей производится на этапе строительства предприятия за 1—3 года до начала эксплуатации. В этом периоде осуществляется ликвидация или перемещение подрабатываемых водных объектов, их изоляция, снижение напоров подземных вод.
Текущее осушение выполняется в период эксплуатации с целью поддержания достигнутых уровней подземных вод или продолжения дальнейшего их снижения.
По способам выполнения различают поверхностное и подземное осушение. Вместе с тем, если исключить приповерхностную толщу пород, то при современных глубинах открытой и подземной разработки, а особенно в связи со всё большим развитием комбинированной разработки месторождений уместнее говорить о комплексных способах осушения.
При этом дренажные работы обеспечиваются следующим набором применяемых средств: водопонижающие скважины, оборудованные глубинными насосами; подземные дренажные выработки; сквозные и забивные фильтры из открытых и подземных горных выработок; иглофильтровые установки и комплексы; прибортовой дренаж; канавы и колодцы.
Последние три из перечисленных средств обеспечения дренажа свойственны в большей мере открытым горным работам.
В этом качестве они используются и при комбинированной разработке, не оказывая заметного влияния на водозащиту подземных выработок, т.к. и в карьере выполняют вспомогательную роль на этапе его строительства.
Основная нагрузка при осушении месторождения, разрабатываемого комбинированным способом, приходится на глубокое водопонижение скважинами, пробуренными с поверхности, дополняемое подземным дренажным горизонтом со сквозными фильтрами и восстающими дренажными скважинами (рис. 12.12).
Способы водозащиты горных выработок

Отмеченная ранее комплексность способов осушения место рождения при комбинированной разработке проявляется прежде всего при одновременном открыто-подземном варианте
Основой для проектирования способа осушения является описанная в разд. 10 единая схема вскрытия и подготовки месторождения.
Изменения гидростатических уровней (напоров) подземного водоносного пласта при последовательном воздействии поверхностных и подземных дренажных устройств показаны на рис. 12.12.
Видно, что формируется осушенная зона, параметры которой за висят от гидрогеологических условий и водно-физических свойств обводненных пород, с одной стороны, и от формы, схемы и частоты расположения дренажных устройств (дрен), — с другой.
Развитие такой схемы осушения во времени зависит, как правило, от принятой разновидности комбинированной разработки и соответствующей этому схемы вскрытия и подготовки месторождения.
Соответственно при различных схемах вскрытия и подготовки месторождения применяют разные варианты изображенных на рис. 12.12 систем осушения:
• единовременные (при строительстве всего предприятия или открытой и подземной его частей),
• скользящие (сооружаются по мере развития очистных работ в той или другой указанных частях).
Содержание системы осушения по приведенной на рис. 12.12 схеме и используемые при её реализации технические средства дренажа удобно рассмотреть на примере конкретного объекта, например, упомянутого ранее алмазного месторождения «Мир».
Как уже отмечалось, месторождение вначале до глубины 525 м (абс. отметка - 190 м) отрабатывали открытым способом.
В 2001 году в МГГУ был составлен проект перехода на подземную разработку нижней части месторождения в варианте применения систем с обрушением руды и налегающих пород, основы которого были разработаны в научно-исследовательской работе.
В составе этого проекта специалисты ОАО «ГИДЭК» разработали систему водозащиты карьера и подземного рудника, приведенную далее.
Система водозащиты подземного рудника включает в себя законтурный дренаж, состоящий из внешнего и внутреннего контуров, которые обеспечивают перехват основного потока подземных вод за контуром карьера и дренаж рудного тела и зоны обрушения (рис. 12.13)
Способы водозащиты горных выработок

Внешний законтурный дренаж предназначен для возможно полного перехвата подземных вод на подступах к карьеру, а следовательно, и к кровле подземных очистных забоев и является первым, но основным этапом водозащиты.
Второй этап водозащиты осуществляется непосредственно из подземного рудника и предназначен для отведения остаточных проскоков подземных вод и атмосферных осадков от зоны очистных работ.
Внутренний подземный дренажный комплекс (ПДК-1-1) сооружается по всему периметру между карьером и тампонажной противофильтрационной завесой (ПФЗ) на расстоянии 20—50 м от места ведения подземных горных работ. Этот ПДК связан квершлагами с шахтными стволами и имеет протяженность по периметру около 2200 м.
Дренаж остаточных запасов подземных вод из водоносного пласта осуществляется системой наклонно-восстающих скважин глубиной 100—110 м, сооружаемых из камер ПДК (рис. 12.14).
Способы водозащиты горных выработок

Эта вода по кольцевому дренажному коллектору поступает в южный квершлаг и далее по вентиляционному стволу перекачивается на поверхность.
Приведенный на схеме внешний дренажный комплекс, предназначенный для увеличения надежности водозащиты рудника, состоит из трех элементов: водопонизительных скважин, южной и северной подземных дренажных систем, сооружаемых за внешним контуром ПФЗ.
Водопонизительные скважины бурят с земной поверхности на двух площадках (южной и северной) по восемь на каждой.
Южная и северная подземные дренажные системы ПДС 2-2 и ПДС 2-1 сооружаются соответственно из южного и северного квершлагов.
В отличие от внутреннего подземного дренажного комплекса нижние подземные дренажные системы представляют не кольцевую дрену, а два сегмента, т.к. основные притоки воды к карьерному полю идут с севера и юга.
Внешняя дренажная система может быть сооружена после строительства внутреннего ПДК и оценки фактических проскоков через ПФЗ воды в карьер и рудник.
Система дренажа рудного тела и обрушенной горной массы включает в себя сооружение на стадии подготовки этажа восстающих скважин из опережающих штреков и ортов.
Скважины бурят на всю высоту этажа и позволяют перепустить воду на нижележащий откаточный горизонт и к вентиляционному стволу.
Такой дренаж рудного тела должен опережать очистные работы на один этаж.
Из описания принципиальной схемы комбинированного способа осушения и ознакомления с примером её применения на конкретном месторождении следует, что решение такой задачи сопряжено с определенными техническими трудностями.
Практика показывает, что успешное её решение возможно только на базе компьютерной модели, формируемой для каждого конкретного случая.