Дренажные работы при выемке полезного ископаемого под водными объектами
|
При работах под водными объектами системами с обрушением кровли основной вопрос гидрогеологических исследований сводится к оценке высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством. После его решения требования к дренажу на практике формулируются достаточно просто: водоносные горизонты, захваченные зоной трещин, подлежат предварительному осушению, а вышележащие горизонты могут не дренироваться. Вместе с тем, уже ранее отмечалась ограниченность такого подхода, который возник на базе опыта освоения преимущественно угольных месторождений, характеризующихся переслаиванием водоносных и относительно водоупорных пород. Для месторождений других типов, сложенных толщами с достаточно высокой естественной проницаемостью в вертикальном направлении, выемка полезных ископаемых под водными объектами может существенно осложняться за счет высоких водопритоков (в частности, прорывов подземных вод) в горные выработки без дополнительных деформаций этих толщ при горных работах. В подобных условиях задачи гидрогеологических исследований связаны с прогнозом притока воды, поступающей в горные выработки из водного объекта, и с обоснованием рационального комплекса дренажных мероприятий. Если в качестве водного объекта рассматривается водоносный комплекс с относительно ограниченными статическими и динамическими запасами, то главное значение приобретает вопрос о величине и скорости снижения напоров за счет вертикальной фильтрации из него в дренажные и эксплуатационные выработки. Рассмотрим более детально специфику гидрогеологических исследований на примере опыта осушения Южно-Белозерского железорудного месторождения. Как уже отмечалось ранее, гидрогеологические условия Южно-Белозерского месторождения характеризуются наличием двух водоносных комплексов, разделенных мощным региональным водоупором (глинистые породы киевской и харьковской свит палеогена). Здесь уместно привести более детальное описание дренируемых на месторождении водоносных горизонтов нижнего комплекса, составленное по результатам детальной и эксплуатационной разведки. Бучакский родоносный горизонт имеет повсеместное распространение. В северо-восточной части шахтного поля бучакские отложения непосредственно залегают на породах рудно-кристаллического массива, на остальной площади — на мергельно-меловых породах. Водоносный горизонт приурочен к разнозернистым пескам и имеет среднюю мощность в пределах шахтного поля около 15 м. Проницаемость бучакских песков характеризуется коэффициентом фильтрации 13,5 м/сут. Этот горизонт является наиболее водообильным в нижнем водоносном комплексе: он рассматривается здесь в качестве водного объекта, под которым ведутся горные работы. Меловой водоносный горизонт приурочен к мергелям, песчаникам, конгломератобрекчиям, известнякам и пескам. В пределах шахтного поля распространены в основном мергельно-меловые породы, мощность которых изменяется от 0 до 80 м, увеличиваясь к западу от рудной залежи. В северо-восточной части шахтного поля меловые отложения полностью отсутствуют. В целом мергельно-меловая толща характеризуется низкой водопроницаемостью и играет роль относительного водоупора между бучакским и рудно-кристаллическим горизонтами. Рудно-кристаллический водоносный горизонт приурочен к трещиноватой зоне докембрийских кристаллических пород, представленных в пределах шахтного поля в основном песчаниками, сланцами, серпентинитами, кварцитами и железными рудами. Характерна неравномерная обводненность толщи, зависящая от литологического состава, трещиноватости, взаимосвязи с вышележащими горизонтами. Коэффициенты фильтрации составляют: для сланцев и серпентинитов — сотые доли метров в сутки, кварцитов — 0,45 м/сут, железных руд — 0,7 м/сут. Питание рудно-кристаллического водоносного горизонта в естественном режиме осуществлялось в основном за счет вод бучакских отложений — в большей степени на участках непосредственного залегания песков на докембрийских кристаллических породах и, кроме того, за счет перетекания через меловые породы. Все водоносные горизонты носят напорный характер; естественные напоры составляли около 200 м относительно кровли верхнего бучакского горизонта. Ближайшая область питания водоносного комплекса располагается в нескольких десятках километров от района горных работ. Месторождение разрабатывается подземным способом. Проект горных работ составлен институтом УкрНИИпроект, а проект осушения— институтом ВИОГЕМ, Первоначальным проектом (1960—1961 гг.). предполагалось осуществлять отработку месторождения с обрушением кровли, и поэтому осушению подлежали все горизонты как нижнего, так и верхнего водоносных комплексов. Осушение намечалось осуществить путем сооружения малого и большого колец дренажных штреков со сквозными фильтрами, оборудованными соответственно на нижний и верхний водоносные комплексы. Местоположение кольцевых дренажных выработок выбиралось из условия размещения водоприемной части сквозных фильтров за пределами ожидаемой зоны сдвижения. Основные требования к дренажной системе вытекали из предположения необходимости полного осушения всех водоносных горизонтов в пределах зоны сдвижения. В 1967 г. был принят новый вариант отработки месторождения— с закладкой выработанного пространства твердеющим материалом. В соответствии с новым проектным заданием добычные работы начинаются в этаже 400—480 м, так что подземные выработки на первых этапах освоения месторождения будут отделены от бучакского водоносного горизонта потолочиной из скальных пород от 120 до 140 м. Разумеется, в этом варианте полностью отпала необходимость дренирования верхнего водоносного комплекса. В связи с новым вариантом отработки в 1967 г. было составлено новое проектное задание на осушение шахтного поля ЭЖРК-1- Однако, сопоставляя проектные задания 1964 и 1967 гг., нельзя обнаружить принципиального различия в решении вопроса дренажа нижнего гидродинамического комплекса: проектные решения остались практически неизмененными, несмотря на переход от ранее намечавшейся системы отработки с обрушением кровли к системе с закладкой выработанного пространства и на изменение последовательности отработки отдельных этажей. В новом проекте было исключено лишь большое дренажное кольцо, предназначавшееся для осушения верхнего водоносного комплекса. Нижний же комплекс, как и ранее, предусматривалось в пределах месторождений полностью осушить посредством специальных дренажных выработок. Даже в 1971 г. при дополнительном проектировании дренажных мероприятий на период отработки вышележащего этажа 320—400 м в качество исходного требования принималось полное осушение бучакского водоносного горизонта в пределах площади распространения рудного тела посредством специальных дренажных устройств. Для этого предусматривалось продолжение эксплуатации 16 водопонижающих и оборудование дополнительно 75 восстающих дренажных скважин на бучакские пески из подготовительных выработок (штреки висячего и лежачего боков) горизонта 320 м. Столь жесткие требования к осушению на всех этапах проектирования мотивировались отсутствием опыта эксплуатации месторождений в аналогичных по сложности гидрогеологических условиях. Между тем к 1971 г, уже имелся 8-летний опыт водопонижения на самом Южно-Белозерском месторождении (что, несомненно, ценнее каких бы то ни было аналогов), причем здесь было пройдено более 36 км подземных выработок. Заметим поэтому, что рассматриваемый пример может служить еще одной убедительной иллюстрацией к высказанному ранее положению о совершенно недостаточном использовании при проектировании осушения опыта, накопленного на первых стадиях освоения месторождения. Анализ данных гидрогеологических наблюдений, проводившихся в процессе предварительного водопонижения, позволил авторам еще в 1968 г. не только детализировать представления о гидрогеологических условиях месторождения, но и разработать на их основе рекомендации по рациональному изменению режима его дренирования. В частности, были уточнены фильтрационные параметры бучакского водоносного горизонта, выяснена природа эксплуатационных запасов подземных вод (показана определяющая роль упругих запасов меловых отложений, считавшихся ранее относительным водоупором), оценена вертикальная проницаемость кристаллических пород в пределах рудной зоны. По уточненным значениям фильтрационных параметров были рассчитаны ожидаемые водопритоки в подземные горные выработки для условий отработки месторождений с полной закладкой выработанного пространства твердеющим материалом. Учитывая также, что суммарный водоприток в подземные горные выработки при отключении водопонижающих скважин не сможет превысить производительности бучакского горизонта при максимальном снижении напоров (до почвы песчаного пласта), было предложено вообще отказаться от принудительного дренирования бучакских песков; суммарный водоприток в подземные горные выработки при этом оценивался максимальными величинами — 1800—2000 м3/ч. Была разработана принципиальная схема дренирования рудной зоны при отработке этажа 400—480 н, в которой основной упор делался на использование горизонтальных и наклонных дренажных скважин, проходимых из капитальных и подготовительных выработок. Опыт последующих лет эксплуатации месторождения подтвердил правомерность высказанной в 1968 г. точки зрения. Более того, естественный ход событий к настоящему времени практически уже привел к переходу на рекомендованный нами режим осушения. Систематическое водопонижение на Южно-Белозерском месторождении начато в 1963 г. С 1963 по 1965 г. были оборудованы и введены в строй водопонижающие скважины малого дренажного кольца. Производительность дренажной системы наращивалась постепенно по мере ввода в строй скважин и в 1966 г. превысила 4000 мэ/ч. Снижение пьезометрических уровней бучакского горизонта достигло в этот период 167—170 м. В дальнейшем (вплоть до настоящего времени) водоотбор из бучакского горизонта осуществлялся таким образом, чтобы понижение пьезометрического уровня составляло не менее 170 м. Поэтому, начиная с 1966 г., происходит выполаживание депрессионной воронки при постепенном снижении суммарной производительности дренажной системы (рис. 89).   Одновременно с 1966 г. ведут проходку горных выработок на горизонтах 400 и 480 м, общая протяженность которых на 1 июня 1972 г. составляла около 60 км. В местах повышенных водопроявлений и, в частности, при приближении горных выработок к рудному телу непосредственно из этих выработок проходили горизонтальные или наклонные дренажные скважины длиной до 70 м. Скважины располагались в виде узлов (кустов) по 3—12 шт. и более. За эти годы было оборудовано более 30 таких узлов. Суммарный приток в подземные выработки в 1972 г. не превышал 1400 м3/ч. При проходке выработок горизонта 480 м приток к ближайшим выработкам горизонта 400 м существенно уменьшался, а иногда прекращался вообще. Аналогичное перераспределение притока происходило при проходке горизонтальных и наклонных дренажных скважин в узлах. Производительность отдельных водопроявлений в подготовительных выработках не превышала 123 м3/ч. Суммарная производительность отдельных дренажных узлов достигает 355 м3/ч при максимальном дебите отдельных скважин до 70 м3/ч. В большинстве случаев со временем приток достаточно быстро уменьшается; срок функционирования отдельных горизонтальных скважин зависит от темпов развития горных работ на данном участке и составляет в среднем 6—8 мес. Наибольшие величины притоков к дренажным узлам и наибольшие сроки функционирования скважин характерны, как и следовало ожидать, для северной части шахтного поля, где отсутствуют меловые отложения и бучакские пески залегают непосредственно на породах рудно-кристаллической толщи. В 1974 г., при интенсивном развитии горных работ на северном фланге месторождения, притоки в подземные выработки достигали величин порядка 1800 м3/ч, что вызвало, в частности, снижение напоров в бучакских песках на этом участке практически до отметок кровли рудно-кристаллической толщи. В результате активного подземного дренирования уровень воды в рудно-кристаллической толще к 1972 г. оторвался от уровня бучакского горизонта в центральной части месторождения на 220—250 м. Это, с одной стороны, подтверждает высокую эффективность дренажных мероприятий, приуроченных непосредственно к горным выработкам, а с другой—тот факт, что толща кристаллических пород, залегающая выше горизонта 400 м, вследствие низкой проницаемости, достаточно надежно защищает этаж 400—480 м от прорыва вод бучакского горизонта. Интересно в этой связи отметить, что первая из отработанных камер (2/2с), объем которой составляет примерно 75х15х40 м, оказалась практически безводной. К 1 июня 1972 г, в центральной части шахтного поля было отработано 11 камер и подготовлено к отработке 6 камер; все они были практически сухими. Говоря об относительно низкой проницаемости рудно-кристаллических пород, нужно вместе с тем еще раз отметить, что она может обеспечить — при больших градиентах напоров и большой площади фильтрационного потока — крупные водопритоки в горные выработки, пройденные вблизи участков прямой гидравлической связи бучакского и рудно-кристаллического водоносного горизонтов. Как ранее приведенные прогнозные оценки ВНИМИ, так и фактические замеры подтверждают, что эти водопритоки вполне соизмеримы с производительностью бучакского водоносного горизонта. А так как последняя ощутимо снижается по мере сжатия меловых пород — основного источника воды на месторождении, то со временем можно ожидать полного осушения участка буча неких песков на северном фланге месторождения. Иначе говоря, проявляющаяся на месторождении тенденция к росту относительной доли шахтного водоотлива в ближайшие годы завершится естественным отключением всех дренажных устройств, пройденных на бучакские пески в пределах шахтного поля. Притоки в горные выработки составят при этом около 2000 м3/ч, и в дальнейшем, очевидно, будут постепенно убывать до тех пор, пока они не сравняются с текущими динамическими запасами нижнего водоносного комплекса. Рассмотренный пример позволяет сделать некоторые обобщения практического и методического характера. 1. Проектирование осушения при выемке полезного ископаемого под водными объектами системами с закладкой должно базироваться на оценках вертикальной проницаемости пород, отделяющих горные выработки от водного объекта, Это требует постановки (при разведке месторождений) опытных откачек по специальной методике, направленной на оценку вертикальной проницаемости пород. 2. Вместе с тем, как с точки зрения безопасности работ, так и ввиду ограниченных возможностей опытно-фильтрационных исследований, целесообразно проектировать проведение первоочередных горных работ под защитой целика (потолочины) из относительно слабо фильтрующих пород, отделяющих горизонтальные подготовительные и очистные выработки от водного объекта. После проходки комплекса первоочередных горизонтальных выработок уточняются оценки проницаемости пород потолочины и дается уточненный прогноз водопритоков в горные выработки при отработке первого этажа, С учетом этого прогноза мощность защитного целика может быть при необходимости изменена. 3. При проходке подготовительных выработок первого этажа по устойчивым скальным и полускальным породам, образующим защитную потолочину от прорывов из водного объекта, именно эти выработки должны рассматриваться как основа для производства дренажных работ на месторождении. С большим эффектом при этом могут использоваться пройденные из выработок наклонные дренажные скважины, перпендикулярные направлению системы наиболее фильтрующих трещин; в то же время проходка восстающих вертикальных скважин (в направлении водного объекта) может оказаться малоэффективной или даже приводить к отрицательным последствиям. 4. Если угрожающий горным работам водный объект представлен водоносным горизонтом со сравнительно ограниченными статическими и динамическими запасами, то для последующих этапов отработки должна быть проведена оценка возможности и целесообразности выемки полезного ископаемого из защитного целика. Подобные оценки строятся на сопоставлении пропускной способности целика и притока из основного водоносного горизонта на расчетный период, отвечающий намеченным срокам отработки целика. Сделанные здесь выводы могут оказаться полезными, в частности, при проектировании осушения Переверзевского месторождения Белозерского железорудного района, находящегося в аналогичных гидрогеологических условиях, а также при освоении Яковлевского и Гостищевского месторождений КМА. |
