Пособие по проектированию защиты горных выработок от подземных и поверхностных вод и водопонижения при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений (к СНиП 2.06.14-85 и СНиП 2.02.01-83)

(утв. Приказом ГПИ Фундаментпроект Госстроя СССР от 11.08.1988 № 228)

Утверждено Приказом ГПИ Фундаментпроект Госстроя СССР от 11 августа 1988 г. № 228

ПОСОБИЕ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЗАЩИТЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ОТ ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД И ВОДОПОНИЖЕНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ (К СНиП 2.06.14-85 И СНиП 2.02.01-83)

Утверждено Приказом ГПИ Фундаментпроект Госстроя СССР от 11 августа 1988 г. № 228.

Рекомендовано к изданию решением технического совета Фундаментпроекта Госстроя СССР.

Содержит положения по выбору систем защиты, карьерного и шахтного водоотлива, дополнительные данные для выполнения проектных работ. Приведены примеры расчетов водопонижений.

Для инженерно-технических работников проектных, изыскательских и строительных организаций.

При пользовании Пособием следует учитывать утвержденные изменения строительных норм и правил и государственных стандартов, публикуемые в журнале «Бюллетень строительной техники», «Сборнике изменений к строительным нормам и правилам» и информационном указателе «Государственные стандарты СССР» Госстандарта СССР.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее Пособие детализирует положения СНиП 2.06.14-85 «Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод» (в дальнейшем «защита») в части выбора систем защиты, карьерного и шахтного водоотлива, требований к изысканиям инженерных наблюдений при строительстве и эксплуатации горных предприятий и положения разд. 18 СНиП 2.02.01-83 «Проектирование водопонижения», а также общие для указанных СНиП положения по водопонизительным и водоотводящим устройствам, расчетам водопонижения и водоотвода.

Примеры, приведенные в Пособии, — абстрактные, однако они в основном базируются на апробированных на практике решениях. При этом не соблюдается строгое следование ни природным условиям объекта прототипа, ни осуществленным на нем проектным решениям.

Издание материалов к СНиП 2.06.14-85 и СНиП 2.02.01-83 в данном Пособии позволяет избежать лишних повторений и облегчает следование ссылкам на данные, приведенные в разных частях.

Пособие разработано:

Фундаментпроектом Госстроя СССР (М.Л. Моргулис - разд. 1 - 9, 11, 14, Н.В. Баринова - разд. 1, Н.Н. Воденко - разд. 5, Г.Г. Голубков - разд. 8, 14, В.К. Демидов - разд. 1, 5 - 8, 14, Д.П. Ефимович - разд. 1 - 3, 5 - 11, В.Н. Иванов - разд. 14, А.В. Ильин - разд. 2, 4, 8, Н.В. Корякина - разд. 11, Е.А. Киселева - разд. 7, 8, 14, М.Н. Пинк - разд. 2, 5 - 8, 11, 14, И.С. Рабинович - разд. 2 - 4, 7 - 9, 12, 14, 15, канд. техн. наук Г.А. Разумов — Лучевые скважины и водозаборы в разд. 9, 14, Н.М. Уткина - разд. 1, 2, 4, 5, 14, Б.Н. Фомин - разд. 8, 11);

с участием ВИОГЕМа Минмета СССР (В.Е. Анпилов — Лучевые скважины и водозаборы в разд. 9, 14, Б.П. Воропаев - разд. 2, 3, кандидаты техн. наук Г.И. Гензель - разд. 16, Е.С. Гладченко - разд. 2, 9, 16, Е.Б. Добровольский - разд. 9, Ю.И. Ляпин - разд. 2, В.П. Петриченко, Ю.В. Пономаренко, В.М. Чуйко — Лучевые скважины и водозаборы в разд. 9); Гипроцветмета Минмета СССР (Л.А. Березуцкая - разд. 2, В.Е. Лурье - разд. 4, С.Н. Максимов - разд. 4, С.В. Пармузин - разд. 2, 4); ВНИИОСПа им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР (А.Б. Мещанский - разд. 6, 7, 9, 10, Иглофильтры в разд. 14); ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР (канд. техн. наук К.С. Боголюбов - разд. 15); ВНИИВО Госкомприроды СССР (кандидаты техн. наук М.С. Коваленко, В.И. Мухопад - разд. 13); Южгипрошахта Минуглепрома СССР (В.К. Деньгуб, А.В. Курманаевский — Подземные насосные станции в разд. 4).

Пособие разработано под общей редакцией М.Л. Моргулиса.

ЧАСТЬ I. СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ОТ ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД (К СНиП 2.06.14-85)

1. ТРЕБОВАНИЯ К ИЗЫСКАНИЯМ

Общие положения

1.1. Общее инженерно-геологическое изучение месторождений полезных ископаемых, включая гидрогеологические исследования, ведется с начала геолого-разведочных работ. Оно должно быть направлено на получение исходных данных для проектирования горных предприятий, в том числе защиты горных выработок, и должно отвечать требованиям нормативов Мингео СССР, а также СНиП 2.06.14-85.

1.2. В общем случае для проектирования защиты горных выработок должны быть изучены все стороны природной обстановки на месторождении — физико-географические, гидрометеорологические, геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические условия.

При изучении природных условий должны быть использованы фондовые и литературные источники, а также материалы систематических наблюдений станций и постов в районе месторождения.

1.3. В материалах изысканий должны быть освещены экологические особенности района месторождения и определены условия сохранения окружающей среды.

Материалы изысканий должны способствовать прогнозированию влияния на окружающую среду искусственного понижения уровня подземных вод и устройства противофильтрационных завес.

1.4. Природные условия должны быть освещены в пределах ожидаемой зоны депрессии подземных вод, областей их питания и бассейна питания поверхностных вод.

Физико-географические данные

1.5. Физико-географическое изучение должно отражать особенности рельефа территории месторождения, географические факторы, влияющие на климат района, распространение грунтов с особыми свойствами, подверженность территории опасным геологическим процессам.

1.6. В результате изучения рельефа должны быть отмечены его характерные формы (хребты, возвышенности, котловины), расчлененность, характеристика и глубина вреза речных долин, характеристика овражной сети и другие данные, определяющие условия поверхностного стока.

1.7. Географические факторы, влияющие на климат, — широта и высота местности, близость ее к морю, растительный покров, распространение горных пород с особыми свойствами (просадочные, набухающие, вечномерзлые и т.п.), места сброса рудничных вод — должны изучаться в процессе изысканий и составлять предмет специальных очерков или разделов общих отчетов по изысканиям.

1.8. В случае подверженности территории месторождения опасным геологическим процессам — оползням, обвалам, селям, лавинам, карсту, землетрясениям, вулканизму — в материалах изысканий должны содержаться подробная характеристика таких проявлений и прогнозы их влияния на эксплуатацию месторождения.

Климат и гидрометеорологические данные

1.9. При изучении климата необходимо устанавливать: количество атмосферных осадков (твердых, жидких), их распределение по сезонам, интенсивность выпадения осадков, максимальное количество за сутки, толщину и длительность снегового покрова, интенсивность снеготаяния; среднемесячную температуру воздуха, амплитуды колебания температур за сутки; преобладающие направления ветра; максимальную скорость ветра; глубину сезонного промерзания и оттаивания грунтов; влажность воздуха по сезонам.

При изучении гидрологических условий следует выявить:

состав коренных и аллювиальных пород, слагающих дно и берега водотоков и водоемов, их мощность, фильтрационные свойства, наличие водоупорных пород, отделяющих водотоки от рудной зоны;

расход и сток рек и других водотоков, их режим, условия питания по временам года, характеристику водосборных бассейнов, испарение с водной поверхности; химический состав поверхностных вод; взаимосвязь поверхностных водных объектов с водоносными слоями горных пород, карстовыми полостями и тектоническими зонами.

Геологическое строение

1.10 К геологическим факторам, имеющим важное значение для проектирования защиты горных выработок, относятся:

геологическая структура района, особенности геологического разреза, условия и глубина залегания полезного ископаемого, простирание и падение слоев горных пород;

литолого-петрографический состав пород, их изменчивость в плане и разрезе, мощность слоев;

наличие ослабленных прослоев, рыхлых песчаных пород, текучих и мягкопластичных глинистых пород, сильно трещиноватых и выветрелых пород; пород с особыми свойствами (просадочных, набухающих и др.);

тектоническое строение месторождений, наличие зон крупных тектонических нарушений, зон дробления пород, простирание, падение и ширина разломов, характер и амплитуда смещений; трещиноватость пород, число и генезис трещин, характер заполнителя, закарстованность и кавернозность горных пород.

Изучение гидрогеологических и инженерно-геологических условий

1.11 При изучении гидрогеологических условий следует отмечать:

общие гидрогеологические условия района, характер водоносности пород, глубину залегания, условия питания и разгрузки подземных вод, статические и динамические запасы их;

число водоносных слоев, их толщину и распространение, литологический состав водосодержащих и водоупорных пород, распространение по площади, близость к полезным ископаемым;

статические и пьезометрические уровни подземных вод в водоносных слоях, характеристику водоносных слоев, размеры гидростатического давления на кровлю и почву полезного ископаемого, гидравлическую взаимосвязь между отдельными водоносными слоями, связь подземных вод с поверхностными водотоками и водоемами;

гидрогеологические параметры водоносных слоев, влияющие на размер притока воды в горные выработки — коэффициенты фильтрации, водопроводимость, водоотдачу;

химический состав и температуру подземных вод, их минерализацию и агрессивность, пригодность для водоснабжения;

физико-механические свойства, характеристики горных пород и инженерно-геологические характеристики всех аномальных зон (зон сдвижения горных пород, дробления, кавернозности, закарстованности, выветрелости тектонических разломов и т.п.).

1.12 В составе гидрогеологических и инженерно-геологических изысканий следует предусматривать:

гидрогеологическую и инженерно-геологическую съемку месторождения;

бурение гидрогеологических, инженерно-геологических скважин и при необходимости проходки горных выработок (шурфов, шахт, штолен, расчисток) с отбором образцов для лабораторного определения физико-механических свойств горных пород из основных литологических разностей;

гидрогеологическую документацию инженерно-геологических выработок (режим бурения, наблюдения за промывочной жидкостью, описание состава и состояния пород, замеры уровней воды);

лабораторное изучение физико-механических свойств горных пород;

полевые исследования прочностных свойств горных пород в условиях их природного залегания;

изучение химического состава подземных вод, режимные наблюдения за уровнями подземных вод по сети наблюдательных скважин в течение не менее 1 — 1,5 лет;

опытные кустовые и одиночные откачки, нагнетания, наливы для определения гидрогеологических параметров (коэффициента фильтрации, водоотдачи, пьезопроводности и др.);

геофизические исследования для решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач.

1.13. Гидрогеологическую и инженерно-геологическую съемку следует производить на основе данных вышеперечисленных физико-геологических исследований.

В состав гидрогеологической и инженерно-геологической съемки входят маршрутные обследования, проходка одной-двух разведочных выработок на каждом геоморфологическом элементе обследуемой территории, картирование выходов на поверхность коренных пород.

Съемка проводится в пределах изучаемой территории (см. п. 1.4) в масштабе 1:5000 или 1:10000 для получения предварительного представления о районе исследований.

При картировании физико-геологических явлений необходимо отмечать площадь их проявления, приуроченность к определенным формам рельефа и видам горных пород, условия и причины их возникновения, формы проявления и развития.

1.14 Буровые и горнопроходческие работы выполняются в целях:

уточнения геологического разреза на отдельных участках месторождения, состава, мощности, особенностей залегания горных пород;

отбора образцов горных пород и проб подземных вод для лабораторных исследований, установления глубины залегания подземных вод и их режима;

проведения опытных откачек (наливов, нагнетаний), полевых исследований горных пород, геофизических и зондировочных работ;

уточнения данных о зонах дробления, тектонических разломов, карста, оползней и других неблагоприятных явлений;

создания сети скважин для режимных наблюдений.

1.15. В состав буровых и горнопроходческих работ входит бурение специальных гидрогеологических и инженерно-геологических скважин, проходка шахт, шурфов, расчисток.

В случаях необходимости изучения условий залегания пород и зон трещиноватости следует предусматривать горные выработки — шахты, штольни, шурфы, прорези, расчистки.

1.16. Основным требованием к методам бурения инженерно-геологических скважин является обеспечение максимального выхода керна (не менее 80%) минимальным диаметром 85 — 90 мм и сохранение естественной влажности и сложения образцов грунта, отбираемых для определения физико-механических и прочностных свойств лабораторными способами.

Бурение гидрогеологических скважин должно проводиться, как правило, способами, исключающими глинизацию стенок скважины.

Применение глинистой промывки допускается только при обеспечении надежной разглинизации скважин.

При изучении отдельного водоносного слоя в скважине должна быть обеспечена надежная изоляция изучаемого слоя от других путем перекрытия их обсадными трубами с применением тампонажа затрубного пространства.

В процессе бурения скважин и проходки горных выработок ведутся тщательные записи в документации: описывается литологический состав и физическое состояние грунтов, отмечается уровень появления и установления подземных вод, проводятся наблюдения за выходом керна, потерей промывочной жидкости, устойчивостью пород в стенках скважины.

1.17. Планомерный отбор образцов горных пород производится из основных литологических разностей, выделенных инженерно-геологических элементов, из ослабленных зон и контактов пластов.

Отбор образцов из горных выработок и естественных обнажений, их упаковку и доставку в лабораторию следует производить в соответствии с ГОСТ 12071-84.

Число отбираемых образцов с ненарушенной структурой должно позволить изучить с достаточной полнотой физико-механические свойства грунтов каждого выделенного инженерно-геологического элемента, ослабленных зон и контактов пластов для получения нормативных и расчетных характеристик.

1.18. Прочностные и деформационные свойства грунтов должны изучаться на образцах ненарушенной структуры.

Лабораторные исследования состава, свойств и состояния горных пород должны проводиться методами, предусмотренными государственными стандартами с учетом условий работы грунта в горных выработках в периоды их строительства и эксплуатации.

При выборе методики исследований необходимо учитывать статические и динамические нагрузки в природном состоянии и при эксплуатации горных выработок, степень увлажнения пород, ориентировку основных напряжений по отношению к напластованию и слоистости пород.

1.19. Число испытаний для каждой литологической разности пород может меняться в зависимости от изменчивости свойств грунта в плане и по глубине.

В соответствии с ГОСТ 25100-82 для разных классов нескальных и скальных грунтов необходимо определять:

для песчаных пород — минералогический и гранулометрический составы, удельный вес, естественную влажность, пористость, максимальную молекулярную влагоемкость, водоотдачу, коэффициент фильтрации, угол внутреннего трения, удельное сцепление (если оно обнаружено);

для глинистых нескальных пород — минералогический состав, пластичность, удельный вес, естественную влажность, пористость, угол внутреннего трения, удельное сцепление, модуль деформации, набухание, размокание, усадку;

для скальных пород — минералогический состав, удельный вес, сжимаемость, временное сопротивление сжатию, размягчаемость, морозостойкость, водопоглощение, водонасыщение.

Для скальных трещиноватых пород определяется ориентировка трещин, их густота, ширина, состав и характер заполнителя.

Для горных пород с особыми свойствами дополнительно определяются:

для просадочных грунтов — величина относительной просадочности, общее содержание и состав водно-растворимых солей, содержание гумуса;

для засоленных грунтов — состав и количественное содержание легко- и среднерастворимых солей;

для набухающих грунтов — величина относительного набухания или усадки, величина свободного набухания, давление и влажность набухания;

для вечномерзлых грунтов — температура, льдистость, теплофизические свойства, величина относительной осадки при оттаивании, определяемые по СНиП 2.02.04-88.

1.20. Обработку опытных данных лабораторных исследований следует проводить с помощью математической статистики (ГОСТ 20522-75).

Нормативные и расчетные значения характеристик грунта вычисляются для каждого выделенного инженерно-геологического элемента с учетом данных полевого изучения горных пород.

1.21 В задачи полевых испытаний входят:

получение дополнительных данных, которые позволяют принимать поправочные коэффициенты к расчетным характеристикам горных пород, получаемым по материалам лабораторных определений (например, коэффициент ослабления в натуре для удельного сцепления);

определение характеристик горных пород в случаях, когда отобрать образцы для лабораторных исследований затруднительно, и в случаях, когда целесообразнее исходить из данных полевых, а не лабораторных испытаний;

получение дополнительных данных для выделения инженерно-геологических элементов;

выявление и оконтуривание линз и прослоев слабых горных пород (например, рыхлых песков);

определение глубины залегания кровли скальных и обломочных пород.

Полевые испытания включают испытания горных пород прессиометрами и штампами в скважинах и в горных выработках, статическое и динамическое зондирование, срезы целиков в горных выработках.

Полевые испытания грунтов следует предусматривать с учетом предполагаемых статических и динамических нагрузок в условиях проходки и эксплуатации горных выработок.

1.22. Полный объем лабораторных и полевых исследований физико-механических свойств горных пород должен быть установлен с учетом требований СНиП 2.06.14-85 и нормативных материалов по проектированию соответствующих видов сооружений и мероприятий по обеспечению устойчивости горных выработок.

1.23. Отбор проб воды осуществляется из специальных гидрогеологических скважин, оборудованных фильтрами на определенные водоносные слои. Скважины рекомендуется располагать по створам, достигающим гидрогеологических границ водоносного слоя. Отбор проб воды производится поинтервально после установления уровня и осветления воды в скважине.

Подземные воды, содержащиеся в слоях горных пород большой толщины и однородного состава, опробуют в верхней и нижней частях слоя. Пробы воды рекомендуется отбирать из разных слоев и прослоев водосодержащих пород. Для определения агрессивного воздействия и коррозионной активности подземных вод пробы воды отбираются в соответствии с ГОСТ 9.015-74.

1.24. Изучение химического состава подземных вод в комплексе изысканий для проектирования защиты горных выработок имеет следующие цели:

определение необходимых мероприятий для использования откачиваемых вод и обеспечения охраны окружающей среды при необходимости их сброса;

выявление вредных воздействий подземных вод на защитные сооружения и устройства (зарастание фильтров, агрессивность по отношению к бетону и металлам и др.);

установление (в совокупности с другими данными) условий питания и разгрузки водоносных слоев, наличия взаимосвязи между водоносными слоями и поверхностными водами;

изменения химического состава подземных вод по площади месторождения, глубине и во времени.

1.25 Опытные откачки, наливы, нагнетания предназначаются для определения:

фильтрационных характеристик водоносных слоев — коэффициента фильтрации, водопроводимости, водоотдачи, уровнепроводности, пьезопроводности, параметров перетекания;

взаимосвязи между водоносными слоями и связь их с поверхностными водами.

По сравнению с наливами и нагнетаниями опытные откачки более эффективны, так как они точнее характеризуют водоносные слои и процесс водопонижения.

1.26. Опытные откачки следует назначать кустовые и одиночные. При кустовых откачках используется опытный куст, состоящий из одной или нескольких центральных и ряда наблюдательных скважин. Из центральных скважин производится откачка, отбор проб на химические анализы и замеры уровня воды, из наблюдательных — ведутся наблюдения за изменениями в процессе откачек уровней, а иногда также за химическим составом и температурой воды.

Центральные скважины, если их несколько, располагаются, как правило, по многоугольнику (или кругу), имитируя кольцевую систему, рассматриваемую как «большой колодец», наблюдательные — по лучам от центра системы в разные стороны, чаще всего по направлению потока и перпендикулярно к нему.

Одиночные откачки из отдельных скважин (без наблюдательных) позволяют получить лишь приближенные значения фильтрационных характеристик горных пород. Однако их применение (из-за мобильности и небольших затрат) в большом количестве позволяет осветить изменчивость фильтрационных свойств горных пород на большой территории.

Опытные наливы и нагнетания рекомендуется применять (с той же целью, что и откачки) при отсутствии необходимого оборудования для опытных откачек: наливы — в основном при изучении фильтрационных свойств трещиноватых скальных пород, нагнетания (под повышенным давлением) — при низких фильтрационных свойствах пород.

С помощью откачек (наливов, нагнетаний) можно изучать водоносный слой или его отдельные зоны (участки, интервалы) по высоте. Однако данные зонного изучения недостаточно точны, и их использование целесообразно, в основном, для сравнительных оценок изменения фильтрационных свойств горных пород по высоте (толщине) водоносного слоя.

1.27. В результате геофизических исследований в комплексе с буровыми, горнопроходческими, лабораторными и полевыми следует выявлять:

дифференциацию геологического разреза в зависимости от состава, состояния и условий залегания грунтов;

глубину залегания подземных вод, мощность водоносной толщи, скорость и направления движения, области питания и разгрузки;

зоны тектонических нарушений, повышенной трещиноватости, карстовых пустот, древних долин;

характеристики оползневых процессов, зон мерзлых пород, развития таликов, подземного льда.

1.28. В состав геофизических исследований следует включать электроразведку, сейсморазведку, резистивиметрию, каротаж и др. (табл. 1).

Таблица 1

Выбор методов определяется конкретными условиями исследований и поставленными задачами. Наиболее эффективно применение нескольких геофизических методов. Интерпретация геофизических материалов проводится с учетом данных бурения скважин, проходки горных выработок, лабораторных и полевых исследований свойств и состава горных пород.

1.29. В задачи режимных наблюдений при гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях входят: установление закономерностей изменения режима и условий питания подземных вод во времени от природных и техногенных факторов; изучение состояния горных пород в горных выработках и в обнажениях, в зависимости от условий залегания (экспозиции, их состава, анизотропности, водоносности).

1.30 Состав режимных наблюдений:

метеорологические - за атмосферными осадками, температурой на метеопостах, оборудованных непосредственно на месторождении;

гидрологические - за режимом поверхностных вод, их расходами на различных участках водотоков, на гидрологических постах, установленных на реках и водоемах;

гидрогеологические - за режимом подземных вод по сети специально оборудованных скважин на разные водоносные слои;

инженерно-геологические - за грунтами в обнажениях в горных выработках, развитием процессов выветривания, оползней, обвалов, карста.

Режимные наблюдения зависят от продолжительности изыскательских работ (не менее одного-двух лет).

1.31. При необходимости получения исходных характеристик природных условий на основе сложных исследований, доказательств выбора параметров способа водопонижения и устройства противофильтрационных завес целесообразно проектировать опытно-производственное водопонижение или опытно-производственные противофильтрационные завесы (иногда и опытный карьер или опытную шахту), предусматриваемые проектной организацией как этап строительно-монтажных работ (см. п. 2.4).

Особенности изучения специфически усложненных гидрогеологических условий

1.32. Подземный поток отличается особой спецификой на месторождениях, приуроченных к антиклинальным поднятиям с наклонным залеганием скальных водоносных пород, к мульдам, зонам развития карста и районам распространения мерзлых горных пород.

1.33. Месторождения полезных ископаемых с наклонно залегающими водоносными скальными породами (черт. 1) с углами наклона, достигающими 60 - 80°, разбитые неоднородно развитыми различно заполненными трещинами, тектоническими разломами и зонами дробления, отличаются неоднородной водопроницаемостью горных пород и неодинаковой водообильностью пород в лежачем и висячем боках пласта полезного ископаемого.

Черт. 1. Геологический разрез месторождения

1 - суглинки, пески, галечники; 2 - породы коры выветривания; 3 - руда; 4 - кварцево-карбонатные породы; 5 - известняки; 6 - зона интенсивного рассланцевания пород; 7 - зона дробления

Питание водоносных слоев происходит в местах их выходов на поверхность или через покровные отложения.

В таких условиях первостепенное значение имеет изучение тектоники, трещиноватости контактных зон, условий взаимосвязи наиболее водопроводимых зон с поверхностными водотоками, характера и материала заполнения трещин, а также выполнение опытных водопонижения и противофильтрационных завес с прогнозированием размыва и выноса материала, кольматирующего трещины.

Необходимо самое широкое использование геофизических способов разведки.

1.34. Месторождения, приуроченные к мульдам (см. разд. 2, черт. 21), представляют собой артезианские бассейны с заполнением мульды переслаивающимися нескальными породами. Синклинальная структура и переслаивание водоносных и водоупорных слоев способствуют образованию напорных вод.

В таких условиях необходимо установить литологический состав слоев, заполняющих мульду и подстилающих полезное ископаемое, взаимосвязь водоносных слоев между собой и условия их питания поверхностными водами, изучить контакт кровли полезного ископаемого с налегающими породами, опытным путем определить эффективность водопонижения при отборе воды из пониженного участка мульды.

1.35. Месторождения в карстовых районах характерны специфическими формами рельефа поверхности земли, на которой наблюдаются разнообразные замкнутые впадины, а в глубине массива - различные полости, пещеры, каналы, придающие своеобразие режиму подземных вод (черт. 2).

Черт. 2. Карстовые полости

Карст развит в районах распространения растворимых пород: каменной соли, гипса, ангидрита, известняков, доломита, мела, мергеля. Наибольшее распространение на территории СССР имеют карбонатные породы - известняки и доломиты.

В этих условиях особенно необходимо изучение распространения на территории месторождения и в глубине массива карстующихся пород и области развития карста, их залегания по отношению к полезному ископаемому и взаимосвязи с поверхностными водными объектами, химического состава поверхностных и подземных вод, трещиноватости скальных пород, их минералогического и петрографического состава, характера и состава заполнения трещин и карстовых полостей; при изысканиях должны быть широко использованы геофизические методы; следует выполнять опытные водопонижения и противофильтрационные завесы.

1.36 В зонах развития вечной мерзлоты должны быть изучены:

условия распространения вечномерзлых и сезонномерзлых грунтов, их состав, свойства, криогенное строение;

участки распространения и размеры залежей подземного льда;

особенности распространения и формирования таликов;

глубина сезонного промерзания и протаивания пород, изменение температуры пород по площади и в разрезе, режим смежных отложений;

физико-механические свойства (для каждой литологической разности) талых и мерзлых грунтов, изменение текстуры, плотности и влажности по сезонам;

глубина залегания уровней межмерзлотных и подмерзлотных вод, сезонные колебания их уровней, фильтрационные характеристики талых грунтов; температурный режим, связь с поверхностными водами; прогноз изменения режима подземных вод в связи с освоением месторождения и изменением геокриологических условий;

характер, особенности и прогноз развития криогенных и посткриогенных процессов, в зависимости от природных условий и способа отработки месторождения (пучение, термокарст, солифлюкция, заболоченность, наледи).

Должна быть составлена схематическая карта криогенных явлений.

Техническое задание на изыскания

1.37. Во многих случаях после окончания геолого-разведочных работ для проектирования защиты горных выработок требуются дополнительные изыскания, которые выполняются по заданиям проектных организаций иногда теми же геолого-разведочными экспедициями, которые вели разведку месторождения, а иногда специализированными изыскательскими организациями.

1.38. Задание на изыскания должно содержать: цели изысканий, примерный их состав, требования к методикам полевых исследований и к лабораторным работам (см. примеры 1 и 2).

Пример 1. Месторождение полиметаллических руд расположено в долине большой реки на ее левом пологом берегу в 30 км от ее устья. Часть месторождения находится непосредственно под руслом реки (черт. 3).

Черт. 3. Месторождение полиметаллических руд у реки

1 - рудное тело; 2 - водоносные карбонатно-терригенные породы

Река протекает в широтном направлении и под прямым углом к геологической структуре района месторождения.

Ширина реки в районе месторождения в межень 2,5 км, глубина 2 - 4 м. Максимальный паводковый расход реки 16000 м3/с при уровне воды в реке +10 м (над "местным нулем"). По месторождению протекают также небольшие ручьи и речки. Рельеф поверхности земли представляет собой слабо всхолмленную равнину, расчлененную долинами рек и ручьев с отметками поверхности - в береговой полосе +8 м, на водоразделах - до +44 м.

Климат района резко континентальный с продолжительной морозной зимой и коротким умеренно теплым летом. Среднегодовая температура воздуха (наиболее высокая летняя температура 35 °C, наиболее низкая зимняя - минус 57 °C), среднегодовое количество осадков 432 мм. Снеговой покров достигает 1 - 1,2 м, глубина сезонного промерзания 1,5 - 2 м.

В геологическом строении месторождения (см. черт. 1) основу составляют скальные осадочные породы с крутопадающими (близкими к вертикали) пластами. В верхней части породы выветрены и прикрыты повсеместно распространенными и залегающими практически горизонтально гравийно-галечными, песчано-галечными и супесчаными отложениями, а у самой поверхности земли - суглинками.

Скальные породы, прослеженные на месторождении до глубины 1200 м, подразделяются на три пачки - верхнюю, среднюю и нижнюю, сложенные глинистыми и слюдистыми известняками с прослоями карбонатных и слюдистых сланцев (встречаются и почти чистые известняки); к известнякам верхней пачки приурочены рудные тела.

Комплекс скальных пород имеет меридиональное простирание и разбит тектоническими нарушениями, среди которых выделяются зоны повышенной трещиноватости, интенсивного рассланцевания известняков и зоны дробления.

Тектонические зоны повышенной трещиноватости неравномерно заполнены материалом разрушения коренных пород и тоже относятся к зоне дробления; в зонах интенсивного рассланцевания известняков коренные породы сильно деградированы и превращены в супеси и суглинки.

Толщина покровных отложений колеблется от 5 м в русле реки до 28 м на склонах долины реки.

Гидрогеологические условия месторождения характеризуются наличием двух основных водоносных комплексов: в покровных отложениях и в скальных коренных породах. Породы вышеуказанных комплексов обладают различными фильтрационными свойствами, но подземные воды взаимосвязаны, имеют общий (единый) уровень с выраженным уклоном 0,02 - 0,03 в сторону реки и отметками 55 - 65 м на водоразделах.

Породы покровной толщи характеризуются следующими значениями коэффициентов фильтрации, м/сут: покровные суглинки - 0,1, супеси - 0,5, мелко- и среднезернистые пески - 10 - 15, гравелистые пески - 25, гравийно-галечниковые грунты - 50.

Воды покровной толщи имеют минерализацию менее 0,5 г/л и относятся к пресным гидрокарбонатно-кальциевым и магниевым. Покровные суглинки создают затруднения для инфильтрации поверхностных вод, однако подземные воды питаются в основном за счет атмосферных осадков через покровную толщу и из мелких речек и ручьев.

Большая река служит областью разгрузки подземных вод. На это указывает общий уклон подземного потока в ее сторону. В связи с разработкой месторождения и понижения уровня подземных вод река превратится в основной их источник питания.

Подземные воды коренных пород приурочены к неравномерно трещиноватым карбонатным породам и зонам тектонических нарушений. Воды пресные, аналогичные водам покровной толщи, через которую они питаются.

Водоносный комплекс коренных скальных пород характеризуется неоднородными фильтрационными свойствами по площади и глубине и основным тектоническим элементам массива.

На основании данных геолого-разведочных работ отмечается:

слабая водопроницаемость пород, окружающих месторождение;

в пределах водообильной области (черт. 4), вмещающей рудоносную толщу, наибольшая водопроницаемость верхней части зон тектонических нарушений, где значения коэффициентов фильтрации местами измеряются десятками метров в сутки;

низкая водопроницаемость пород в блоках - менее 1 м/сут;

с глубиной водообильность пород снижается.

Черт. 4. Гидрогеологическая карта месторождения

1 - породы висячего бока рудной зоны; 2 - рудная зона; 3 - зона интенсивного рассланцевания пород; 4 - известняки лежачего бока зоны рассланцевания; 5 - зона дробления пород; 6 - зона повышенной трещиноватости; 7 - ранее выполненные геолого-разведочные скважины; 8 - намечаемые скважины для одиночных откачек; 9 - опытные кусты с одной центральной скважиной; 10 - куст с тремя центральными скважинами (групповая откачка)

Требуется определить задачи и состав необходимых изысканий по гидрогеологическому доизучению скального комплекса.

Дополнительное изучение гидрогеологии скального комплекса наиболее актуально для проектирования защиты горных выработок, так как общее геологическое строение месторождения, физико-географические и гидрометеорологические условия изучены подробно.

Необходимость дополнительного изучения гидрогеологических условий скального комплекса вытекает из того, что водопроницаемость пород освещена в основном по данным одиночных откачек. Недостаточно определены состав пород, заполняющих зоны тектонических нарушений и их физико-механические свойства, инженерно-геологическая характеристика скальных пород в массиве (в блоках) между тектоническими зонами.

Задачи первоочередных дополнительных исследований:

уточнение фильтрационных характеристик отдельных литологических разновидностей пород скального комплекса в массиве (в блоках) между тектоническими зонами и в зонах тектонических нарушений;

изменение фильтрационных свойств горных пород по глубине скального комплекса;

составление инженерно-геологической характеристики скальных пород в блоках между зонами тектонических нарушений и заполняющих их пород.

Кроме дополнительных изысканий в подобных условиях необходимы опытно-производственные работы. Однако их выполнение возможно лишь после принятия принципиального решения о способе разработки месторождения и о защите горных выработок.

Для изучения фильтрационных свойств горных пород опытными откачками намечаем 37 точек (участков) опробования (см. черт. 4), из них 9 - для кустовых откачек и 28 - для одиночных. Одиночные откачки с определением удельного дебита должны быть выполнены и из скважин кустов. Сравнительные данные одиночных и кустовых откачек на участках гидрогеологических кустов должны быть использованы для интерпретации одиночных откачек (в том числе и ранее произведенных) на остальной территории месторождения.

Участки кустовых откачек намечаем: в пределах зоны дробления - два, в зоне интенсивного рассланцевания известняков - три, в центральной части рудоносной толщи - один; 28 скважин для одиночных откачек размещаем так, чтобы охватить основные литологические разновидности и тектонические зоны.

При разработке рабочей программы изысканий должны быть определены конкретное местоположение и количество центральных и наблюдательных скважин для кустовых откачек (с учетом частичного использования в качестве наблюдательных скважин, намеченных для одиночных откачек), интервалы опробования и глубины скважин.

Поставленные выше инженерно-геологические задачи решаем с помощью скважин, предназначенных для опытных откачек, и работ, выполненных в соответствии с пп. 1.16 - 1.20, т.е. надлежащего инженерно-геологического надзора при бурении скважин, отбора образцов горных пород и исследований их состава и свойств в лаборатории, а также с использованием полевых испытаний горных пород прессиометром и статическим зондированием (в частности, в зоне интенсивного рассланцевания горных пород).

Кроме того, для решения поставленных гидрогеологических и инженерно-геологических задач необходимо полное использование геофизических методов в соответствии с пп. 1.27, 1.28 и табл. 1.

Составленная изыскательской организацией рабочая программа должна быть согласована с проектировщиками.

Пример 2. Составить задание на изыскания при следующих условиях и обстоятельствах. Разрабатываемое железорудное месторождение, разработка которого уже ведется, расположено в предгорье, в сложном тектоническом районе, характеризующемся образованием чешуй и надвигов, осложненных крупными сбросами и рядом более мелких тектонических нарушений (черт. 5, 6).

Черт. 5. Геологический разрез железорудного месторождения в предгорье

1 - переслаивающиеся глинистые породы и пески; 2 - мергели; 3 - известняки; 4 - песчаники; 5 - рудовмещающие известняки; 6 - песчаники с мусковитом; 7 - сланцы; 8 - тектоническая зона; 9 - разрушенные песчаники, мергели, сланцы, известняки; 10 - железная руда; 11 - линии разломов

Черт. 6. Железорудное месторождение в предгорье

1 - конуса выноса; 2 - песчаники; 3 - известняки; 4 - рудовмещающие известняки; 5 - контур рудного тела; 6 - контур карьера на конец отработки; 7 - дренажный штрек; намечаемые инженерно-геологические скважины: 8 - в разделяющих породах - до отм. 320; 9 - в разделяющих породах - до отм. 380; 10 - прорезающие покровную толщу, водообильные скальные породы и заглубляемые на 10 м в плотные водоупорные породы; 11 - прорезающие покровную толщу и заглубляемые на 10 м в скальные породы; 12 - прорезающие покровную толщу, разделяющие породы и заглубляемые в скальные водообильные породы до отм. 320; 13 - ранее выполненные инженерно-геологические скважины

Климат района умеренно континентальный. Среднегодовая температура 9,8 °C. Среднее выпадение осадков 576 мм.

Отметки поверхности от 600 до 505 м с общим падением к югу. Район месторождений пересекает много мелких речек, впадающих в одну главную реку, протекающую с востока на запад в 5 км от месторождения.

Покровные отложения - пески и суглинки, переслаивающиеся слоями разной толщины с прослоями лигнитовых углей - залегают с наклоном к югу согласно падению поверхности, и общая их толща изменяет свои размеры от нуля в верхней части месторождения до 260 м в его южной части.

Рудоносная толща, залегающая под покрывающими их песками и суглинками, представляет собой надвинутое эллипсовидное тело, состоящее из известняков и руды, длина его (в широтном направлении) достигает 1700 м, ширина - 760 - 1100 м, толщина - от нескольких метров до 260 м. Они подстилаются также надвинутыми, перетертыми до состояния глин, филлитами и аргиллитами с блоками, обломками и перетертым материалом других коренных пород; надвинутые породы залегают на коренных песчаниках, филлитах, аргиллитах и известняках, в различной мере нарушенных сложными тектоническими процессами и неоднородно трещиноватыми. Все эти скальные породы имеют выходы на поверхность выше месторождения, а в других местах прикрыты так же, как и породы надвига, покровной толщей.

Подземные воды получают питание в местах выхода скальных пород на поверхность, а также в 7 км восточнее месторождения, где выходят на поверхность пески покровной толщи, а в районе речки, протекающей в 18 км западнее месторождения, происходит некоторая разгрузка подземного потока.

Воды песков покровной и рудоносной толщ связаны между собой, их связь с наиболее водообильными коренными известняками и песчаниками затруднена и активно осуществляется лишь в отдельных местах восточнее и северо-западнее месторождения контактом песчаных грунтов покровных отложений с трещиноватыми и водообильными коренными скальными породами, а также на отдельных участках через тектонические зоны и рудоносную толщу. В остальной части коренные известняки прикрыты слабопроницаемыми аргиллитами, филлитами, мергелями.

Месторождение изучено, кроме геолого-разведочных работ, специальными изысканиями, выполненными по заданию проектной организации для проекта защиты горных выработок. Однако результаты опытных откачек оказались неполноценными, отбор образцов горных пород и их лабораторное изучение также не отвечали поставленным задачам.

Это требует бурения на юге и востоке месторождения некоторых контрольных инженерно-геологических скважин. Однако в повторении кустовых откачек нет необходимости, так как уточнение данных о фильтрационных свойствах пород и условиях развития понижения уровня подземных вод в различных водоносных слоях будет получено в процессе первоочередного водопонижения. Целесообразно выполнить откачки из одиночных скважин, предназначенных, в основном, для инженерно-геологических исследований, что позволит уточнить общую оценку водопроницаемости пород, отделяющих водоносные слои скальных пород от рудоносной и покровной толщ.

В проекте защиты карьера (месторождение принято разрабатывать открытым способом) предусмотрена первоочередная дренажная система из южного полукольца водопонизительных скважин для откачки подземных вод из покровной толщи, дренажного штрека в рудоносной зоне на отметке 400 м с насосной станцией и шахтным стволом на севере месторождения. В связи с этим возникла необходимость уточнения инженерно-геологических условий на участках этих сооружений. Аналогичное уточнение необходимо на участках предполагаемой взаимосвязи подземных вод покровной толщи с водообильными породами подстилающего скального комплекса.

Задачи изысканий: 1. В районе установленного в процессе рабочего проектирования местоположения подземной насосной станции и по линии дренажного штрека следует уточнить литологический состав, физико-механические свойства и получить общую (сравнительную) оценку водопроницаемости пород на горизонте сооружений и подстилающих пород, в том числе разделяющего слоя.

2. На востоке и северо-западе от месторождения, в районе предполагаемой взаимосвязи покровных отложений и водоносных скальных пород должны быть изучены: геологическое строение участка, литологический состав и физико-механические свойства нескальных и скальных водоносных пород; должны быть получены общая оценка фильтрационных свойств и водообильности скальных пород, через которые происходит питание подземных вод, и оценка проницаемости вскрываемых разделяющих пород.

3. На южном и восточном бортах карьера необходимо пробурить контрольные инженерно-геологические скважины для уточнения геологического строения, физико-механических свойств нескальных пород покровной толщи и выяснения достоверности характеристик физико-механических свойств пород, определенных для образцов, отобранных без грунтоноса при обычном колонковом бурении.

Примерный состав изысканий. Для решения поставленных задач должны быть выполнены инженерно-геологические скважины, которые намечается расположить следующим образом:

1. В районе насосной станции и по линии дренажного штрека намечается пять инженерно-геологических скважин: две из них на трассе дренажного штрека должны быть пройдены в разделяющих породах примерно до отметки +320 м, а три скважины намечаются до отметки +380 м (примерно на 20 м ниже пола насосной камеры); следует уделить внимание изучению пород в наименее исследованном интервале от +380 до +320 м; с целью получения общей оценки водопроводимости разделяющих пород во всех пяти скважинах намечают одиночные откачки.

2. На северо-западе от контура месторождения предусматриваем бурение четырех инженерно-геологических скважин: три из них проектируются на правом берегу речки, одна - на левом; скважины должны пройти покровную толщу, водообильные скальные породы и войти на 10 м в плотные, водоупорные скальные породы;

во всех указанных скважинах должны быть произведены одиночные откачки из водоносных скальных пород, а в случае вскрытия слабопроницаемых разделяющих пород - откачки или наливы.

3. На восточном борту карьера намечаем бурение четырех инженерно-геологических скважин: три скважины должны пройти покровную толщу и войти на 10 м в подстилающие скальные породы, одна скважина должна вскрыть покровную толщу, разделяющую породы, и войти в скальные водоносные породы. Эта скважина бурится до отметки +320 м, в ней намечается проведение одиночных откачек (или наливов) из разделяющих пород с целью определения водопроницаемости этих пород. Примерное расположение изыскательских скважин - см. черт. 6.

Методика изысканий. Все инженерно-геологические скважины предусматривается бурить по нескальным породам грунтоносом с отбором полной колонны керна. Бурение скальных пород предусматривается с отбором сплошной колонны керна колонковым способом.

При бурении всех инженерно-геологических скважин в пределах скальных пород должны быть подробно освещены трещиноватость, закарстованность и водообильность пород. Необходимые данные должны быть получены на основе изучения керна, наблюдений за поглощением промывочной жидкости и проведения геофизических работ.

При описании керна отмечаются: число трещин на 1 м скважины, их ширина, углы падения, минеральный состав заполнителей, размеры каверн, число каверн на 1 м скважины, минеральные образования в полостях каверн. Описание керна сопровождается зарисовками и фотографиями.

Наблюдения за водопоглощением в слаботрещиноватых породах следует вести по уменьшению воды в зумпфе. Для замера расхода воды в зумпфе следует установить мерную рейку, по которой проводятся наблюдения за изменением уровня в процессе бурения.

Расход воды во времени для различных интервалов глубин позволит дать сравнительную характеристику водопоглощения. При вскрытии сильно трещиноватых или карстовых зон, когда наблюдается значительное или почти полное поглощение промывочной воды, ориентировочно через десятиметровые интервалы производятся кратковременные (4 - 6 ч) опытные наливы на одно повышение. Опытный налив выполняется до стабилизации уровня и дебита. Замеры уровня осуществляются электроуровнемером, производительность насоса определяется по водомеру. На основании полученных данных определяются удельный дебит и коэффициент фильтрации.

Геофизические исследования предполагается производить с помощью электрокаротажа и резистивиметрии во всех скважинах, где планируются откачки.

Отбор образцов горных пород производится:

из нескальных пород до глубины 100 - 150 м из каждой литологической разности, но не реже чем через 3 м по высоте в каждой скважине, ниже глубины более 100 - 150 м по одному образцу из каждой литологической разности на скважину;

из рудоносной толщи - через 10 - 15 м по высоте в каждой скважине;

из разделяющих пород - через каждые 10 - 20 м и на горизонте расположения горных выработок;

из водоносных скальных пород - по 2 - 3 образца на каждую литологическую разность.

Примерные перечни лабораторных определений (даются обычно в приложении к заданию):

перечень 1 - для образцов несвязных пород (нормальный комплекс для 20 - 25% образцов) - пористость (с определением удельного веса породы в естественных сложении и влажности), гранулометрический состав, водоотдача, максимальная молекулярная влагоемкость, сопротивление сдвигу грунтов естественного сложения, угол естественного откоса в подводном и сухом состояниях (для образцов как высушенных, так и сохранивших естественную влажность), глубина задавливания конуса в образцы ненарушенной структуры;

перечень 1с - для образцов несвязных пород (сокращенный комплекс для 75 - 80% образцов) - пористость (с определением удельного веса породы в естественных состоянии и влажности), гранулометрический состав, глубина задавливания конуса в образцы ненарушенной структуры;

перечень 1д - для образцов несвязных пород (дополнительные определения выполняются для отдельных образцов) - минералогический состав коллоидной части термическим, спектрофотометрическим и другими методами, минералогический состав методом окрашивания при визуальном наблюдении, петрографо-минералогическое описание под микроскопом;

перечень 2 - для образцов связных пород (нормальный комплекс для 20 - 25% образцов) - пористость (с определением удельного веса породы в естественных состоянии и влажности), гранулометрический состав, пластичность по стандартной методике, сопротивление сдвигу грунтов естественного сложения, максимальная молекулярная влагоемкость, размокаемость по стандартной методике при естественной влажности, проба на вскипание, глубина задавливания конуса в образцы ненарушенной структуры;

перечень 2с - для образцов связных грунтов (сокращенный комплекс для 75 - 80% образцов) - пористость (с определением удельного веса породы в естественных состоянии и влажности), пластичность по стандартной методике, глубина задавливания конуса в образцы ненарушенной структуры;

перечень 2д - для образцов связных пород (дополнительные определения выполняются для отдельных образцов) - исследование механических свойств пород в приборах трехосного сжатия (стабилометрах), компрессионные испытания с наблюдением за консолидацией, набухание, объемная и линейная усадка, минералогический состав коллоидной части грунта, химический анализ водной вытяжки, петрографическое описание шлифа;

перечень 3 - для образцов полускальных пород (нормальный комплекс для 20 - 25% образцов) - удельный вес в естественном состоянии, удельный вес сухой породы, естественная влажность, сопротивление раздавливанию сухих и водонасыщенных образцов;

перечень 3д - для образцов полускальных пород (дополнительные определения выполняются для отдельных образцов) - сопротивление раздавливанию после трехкратного замачивания и высушивания, размокаемость после высушивания до воздушно-сухого состояния с повторением высушивания и размокания до полного распадения образца, химический анализ водной, щелочной и солянокислой вытяжки, карбонатность, минералого-петрографическое описание под микроскопом;

перечень 4 - для образцов скальных пород (число определений намечается геологом) - удельный вес, удельный вес сухой породы, сопротивление раздавливанию сухих и водонасыщенных образцов;

перечень 4д - дополнительные определения для скальных пород - минералого-петрографическое описание (по усмотрению изыскательских организаций).

2. ВЫБОР СИСТЕМ ЗАЩИТЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Общие положения

2.1 Основные задачи систем защиты горных выработок:

не допускать притоков воды в размерах, при которых возникают затруднения с ее каптажем и отводом, в результате чего нарушается нормальное ведение горных работ;

не допускать разрушения водой горных пород, окружающих выработки, за исключением случаев, способствующих разработке работ в забое (например, при применении гидромеханизации);

предупреждать прорывы воды, вызывающие приостановку горных работ и являющиеся причиной несчастных случаев.

Следует учитывать необходимость сохранения окружающей среды, обеспечивая снижение до минимума причиняемого ей ущерба и предусматривая соответствующее восполнение.

Для решения указанных задач в системах осушения следует предусматривать сооружения, устройства и мероприятия по регулированию поверхностного стока, снижению напоров и притоков в выработки подземных вод, отводу всех видов рудничных вод к намеченным местам сброса с помощью:

водопонижения с применением открытых и вакуумных водопонизительных скважин, иглофильтровых установок, дренажа и водоотлива из открытых и подземных горных выработок; противофильтрационных завес (траншейных, свайных, инъекционных, льдопородных и сооружаемых с помощью струйной технологии) гидротехнических сооружений, водоотводящих устройств и необходимых мероприятий по охране окружающей среды.

2.2. При выборе решения по системе защиты горных выработок необходимо прежде всего произвести всестороннюю оценку природных условий. Эта оценка, предварительно выполняемая по литературным, рекогносцировочным и другим данным еще до начала разведки месторождения и непрерывно уточняемая в процессе его разведки, анализа материалов разведки, предпроектной и проектной проработки вопросов освоения месторождения, должна быть направлена на выявление природных факторов, определяющих рассматриваемые в комплексе целесообразные способы и системы горных работ и защиты горных выработок от подземных и поверхностных вод.

В случае расположения месторождения в зоне возможных опасных геологических процессов (вулканических, сейсмических, оползневых, обвальных, селевых, лавинных, криогенных и др.) они должны быть учтены в проекте защиты проектируемого горного предприятия.

2.3. Необходимо учитывать, что в процессе разработки месторождения и осуществления систем защиты природные условия претерпевают значительные изменения. Изменяются условия стока поверхностных вод и питание ими подземных вод.

Резко изменяется режим подземных вод. Области разгрузки превращаются в области питания; в районе месторождения изменяются не только уровни, но и скорости направления движения, температура, химический состав, газосодержание и другие характеристики подземного потока.

Все эти изменения находятся в прямой зависимости от методов защиты и применяемых сооружений и устройств.

2.4. В сложных условиях, когда в соответствии с п. 1.31 необходимо предусматривать опытно-производственные работы, их следует выполнять по специальному проекту с включением опытных защитных мероприятий (водопонижения, противофильтрационной завесы), а также осуществляемую под их защитой какую-то часть проектируемого строительства и комплекс исследований и наблюдений, намечаемых в соответствии с разд. 5.

Опытно-производственные работы предназначаются для получения полноценных данных для проектирования защиты горных выработок на длительный период их строительства и эксплуатации, ускорения и снижения стоимости строительства путем сокращения времени, материальных и трудовых ресурсов, необходимых на сложные изыскания и строительно-монтажные работы.

2.5. Опытно-производственные работы относятся к строительно-монтажным и выполняются, как правило, строительной организацией, но для выполнения гидрогеологических и инженерно-геологических наблюдений и исследований возможно привлечение изыскательских организаций. Авторский надзор при проведении опытно-производственных работ со стороны проектной организации обязателен.

2.6. В проектах следует предусматривать поэтапное выполнение защитных мероприятий с тем, чтобы на каждом последующем этапе можно было вносить коррективы в проектные решения, если данные предыдущего этапа выявят необходимость в этом.

Выбор защиты горных выработок при определении способа разработки месторождения

2.7. Методы и системы защиты должны быть взаимоувязаны с методами и системами разработки месторождения.

Выбираемые методы защиты должны быть эффективными в конкретных природных условиях, позволяющими применять целесообразные методы и системы ведения горных работ, а также ввести в действие предприятия с минимальными капитальными затратами. При выборе методов и системы разработки месторождения приоритет должны иметь такие решения, которые требуют минимальных суммарных затрат на защиту и производство горных работ.

2.8. В одних и тех же природных условиях возможности обеспечения эффективной защиты открытых и подземных выработок неодинаковы, так же, как различны в этих случаях и требования к защите. Естественно, это обстоятельство и существо различий необходимо учитывать в самом начале проектных проработок вопросов освоения месторождения - при выборе решения о том, открытым или подземным способом осваивать месторождение. В некоторых случаях может потребоваться достаточно подробная разработка двух вариантов горного предприятия и его защиты.

Пример 3. Месторождение магнетитовых руд расположено в равнинной местности с колебанием отметок от 64 до 72 м от местного нуля. В нескольких десятках километров с разных сторон месторождения протекают реки. Климат района резкоконтинентальный. Среднегодовое количество осадков 260 мм.

Геологическое строение на глубину 120 - 200 м характеризуется горизонтальным залеганием переслаивающихся водоупорных и водоносных пород: суглинков, супесей, песков, глин, опок, песчаников, конгломератов. Водоносными являются пески, преимущественно мелкие, глинистые, песчаники, конгломераты, опоки. Общая толщина водоносных слоев доходит до 140 м. Самый нижний, подстилающий покровную толщу слой водоносных песков и конгломератов толщиной от 1 - 2 м до 50 м распространен в основном на северо-западе и в меньшей мере на востоке месторождения. Выше малоустойчивые водоносные породы встречаются еще на трех горизонтах: в среднем на 30 и 50 м над нижним слоем и в самом верху на глубине 3 - 10 м от поверхности земли.

Породы подстилающего скального массива с поверхности подверглись выветриванию, продукты которого, составляющие кору выветривания, - в основном глины и глинистые мартиты. Общая толщина коры выветривания достигает 73 м (в среднем 20 м). Однако кора выветривания развита не повсеместно и местами нижний слой песков и конгломератов залегает непосредственно на скальных породах, поэтому подземные воды в таких породах взаимосвязаны. Складчатый скальный массив сложен песчаниками, аргиллитами, магнетитовыми рудами, порфиритами, известняками, туфами, конгломератами и туфобрекчиями этих пород.

В скальном массиве выделяются три главные антиклинальные складки: южная, центральная и северная. На южном нарушении заметное развитие получил процесс каолинизации, в результате чего трещины здесь заглинизированы. Центральное нарушение имеет общее, почти широтное направление, сопровождается мощными зонами дробления, и трещиноватость здесь в основном открытая. В зоне северного нарушения трещины преимущественно заполнены кальцитом и цеолитом. Наиболее водообильными породами являются известняки, наименее - порфириты, фильтрационные свойства пород в общем не высоки. Значения коэффициентов фильтрации в надрудной толще - от 0,2 до 3, в рудоносной скальной толще - от 0,15 в верхней части до 0,02 на глубине ниже отметки 275 м. Однако необходимо учитывать, что в зонах тектонических нарушений и в карстовых может быть встречена высокая водообильность пород.

Ввиду того, что водоносные пласты разобщены, подземные воды повсеместно имеют напорный характер, связь подземных вод с поверхностными водами очень отдаленная, и подземные воды отличаются высокой минерализацией от 3 до 19,6 г/л. Уровень воды на отметках в надрудной толще от +48 до +60 м, в рудоносной - от +27 до +50 м.

Освоение этого месторождения связано с необходимостью преодоления значительных трудностей как при открытом, так и при подземном способе работ. Выбрать один из них можно лишь на основе всестороннего рассмотрения достоинств и недостатков обоих способов разработки в конкретных условиях.

Рассмотрим решения защиты при двух вариантах разработки месторождения исходя из того, что на базе этого месторождения должно быть создано горное предприятие большой мощности - свыше 20 млн. т руды в год.

Вариант открытых работ. Принимаем, что разработка ведется уступами высотой 16 - 25 м с применением высокопроизводительных экскаваторов, в том числе и роторных комплексов с конвейерным транспортом.

В этих условиях необходимо считаться с тем, что разработку пород придется вести при некоторой фильтрации воды через откосы, так как затруднительно полностью осушить породы, залегающие между двумя водоупорными слоями. Особенные трудности представляет осушение глинистых песков. В покровной толще исключение составляют самые верхние водоносные слои, для которых возможно применение передовых дренажных траншей, и нижний, по-видимому, наиболее водообильный слой песков и конгломератов, понижение уровня подземных вод в котором может быть достигнуто с помощью водопонизительных скважин, пройденных с поверхности или в виде восстающих скважин из подземных выработок в сочетании с самими подземными дренажными выработками в скальных породах.

Следует отметить, что применение подземных выработок с восстающими скважинами и скважинами, забуриваемыми в зоны разломов, весьма целесообразно для водопонижения в рудоносной толще, так как ее осушение приведет к созданию благоприятных условий для высокоэффективной разработки руды и облегчит организацию водоотлива для удаления вод поверхностного стока в самом карьере.

Взаимосвязь подземных вод в скальных породах и нижних песках и конгломератах будет способствовать осушению надрудных пород при водопонижении в рудоносной зоне.

Учитывая все вышеизложенное, принимаем систему защиты карьера в следующем виде (черт. 7, 8):

дренажный штрек с восстающими скважинами до нижних песков, вдоль участка их распространения на севере и северо-западе (образующие северную внешнюю неполнокольцевую водопонизительную систему);

дренажный штрек, примерно вдоль широтного разлома (проходящий через северное и южное рудные тела) с самоизливающимися скважинами в трещиноватых зонах, используемый для водопонижения в рудоносной толще и для сброса в него карьерных вод;

передовые траншеи для осушения самых верхних водоносных слоев;

вспомогательные иглофильтровые установки, применяемые на рабочих бортах по мере выявления необходимости в них (если фильтрация через откосы в глинистых песках вызовет нежелательные последствия), а на постоянных бортах - дренажи и дренажные пригрузки на участках высачивания подземных вод;

системы внутрикарьерной дождевой сети и водосборников.

Черт. 7. Система защиты карьера

1 - пески; 2 - конгломерат; 3 - глины; 4 - подземные дренажные выработки горизонта -175 м с восстающими самоизливающимися скважинами; 5 - подземные дренажные выработки горизонта -175 м для карьерного водоотлива; 6 - подземные дренажные выработки горизонта -305 м; 7 - подземные насосные станции; 8 - контур карьера на конец отработки; 9 - промежуточный контур карьера

Черт. 8. Система защиты карьера. Разрез 1-1 (см. черт. 10)

1 - суглинки; 2 - глины; 3 - опоки; 4 - песчаники; 5 - пески; 6 - конгломерат; 7 - глины коры выветривания; 8 - известняки; 9 - порфириты; 10 - скарны; 11 - руды; 12 - линии тектонического нарушения; 13 - иглофильтр; 14 - подземные дренажные выработки горизонта -175 м для карьерного водоотлива; 15 - дренажные пригрузки; 16 - ливнестоки и ливнеприемные колодцы; 17 - пониженный уровень подземных вод в надрудных водоносных слоях; 18 - пониженный (соответственно заглублению карьера) уровень подземных вод в рудоносной толще; 19 - подземные дренажные выработки горизонта -305 м; 20 - контур карьера на конец отработки; 21 - подземные дренажные выработки горизонта -175 м

Первый дренажный горизонт принимаем на отметке -175 м. На этом горизонте устраиваются подземные насосные станции. Так как карьер будут заглублять и ниже этой отметки, то соответственно потребуется устройство последующих дренажных горизонтов (примерно через 120 - 150 м по глубине).

Для проходки дренажных выработок и устройства подземных насосных станций предусматриваем три шахтных ствола.

Вариант подземного рудника. Принимаем, что вскрытие месторождения осуществляется пятнадцатью стволами: восемью главными стволами, тремя вспомогательными и четырьмя вентиляционно-водоотливными. Основная система разработки - этажного принудительного обрушения с отбойкой руды глубокими скважинами. Высота этажа 80 м. Одновременно ведется разработка на двух этажах, начиная с горизонтов -175 и -255 м. Горизонт -175 м вводится на два года раньше горизонта -255 м.

Систему защиты принимаем исходя из необходимости осушения разрабатываемого пространства в рудоносной толще и залегающих непосредственно на ней песков и конгломератов. С этой целью предусматриваем (черт. 9, 10):

северную неполнокольцевую дренажную систему, аналогичную внешней системе карьера для общего водопонижения в рудоносной толще и в надрудных песках и конгломератах;

системы дренажных штреков на выемочных участках, заглубленных на 10 м ниже откаточных горизонтов, с самоизливающимися скважинами, забуриваемыми в трещиноватые породы и в зоны разломов;

подземные насосные станции у водоотливно-вентиляционных стволов;

соответствующие сбоечные и вспомогательные подземные выработки.

Черт. 9. Система защиты подземного рудника

1 - конгломераты, песчаники, алевриты; 2 - известняки; 3 - порфириты; 4 - гранит-порфиры; 5 - скаполитовые породы; 6 - руды; 7 - тектонические разломы; 8 - дренажные выработки горизонта -185 м с самоизливающимися скважинами; 9 - дренажные выработки горизонта -265 м; 10 - подземные насосные станции горизонта -185 м; 11 - подземные насосные станции горизонта -265 м; 12 - вентиляционно-водоотливные стволы; 13 - главные стволы

Черт. 10. Разрез 1-1 (см. черт. 13)

1 - водонепроницаемые или слабо водопроницаемые породы; 2 - опоки; 3 - песчаники; 4 - пески; 5 - известняки; 6 - порфириты; 7 - скарны; 8 - руды; 9 - линии тектонического нарушения; 10 - откаточные и вентиляционные штреки; 11 - дренажные штреки; 12 - восстающие самоизливающиеся скважины; 13 - непониженный уровень подземных вод (НУПВ) в надрудных водоносных слоях; 14 - НУПВ в рудоносной толще; 15 - пониженный уровень подземных вод (ПУПВ) в надрудных <...>

В проекте следует сравнить общие технико-экономические показатели вариантов открытого и подземного рудников.

Из приведенного примера видно, что оба приведенные технические решения в настоящих условиях возможны, и, чтобы выбрать один из них, необходим довольно глубокий технико-экономический анализ при комплексном рассмотрении проектных решений горных работ и систем защиты горных выработок.

2.9. Взаимоувязка систем защиты горных выработок с методами горных работ зависит от специфики методов добычных работ. Рассмотрим следующий пример.

Пример 4. Месторождение серы расположено в районе горных гряд на сильно расчлененной равнинной местности с отметками поверхности 300 - 550 м в 40 км от реки.

Залежи серных руд приурочены к контактам известняков и ангидритов с наибольшим развитием в зонах тектонических нарушений, которые здесь прослеживаются в большом разнообразии: от крупных региональных разломов до мелких сбросов с амплитудой в несколько метров.

На неровной поверхности ангидритов залегают глины, конгломераты, песчаники, алевролиты и в самом верху лессовидные суглинки, общей толщиной от 200 м на западе до 0 на востоке (черт. 11, а).

Черт. 11. Структура месторождения серы и схемы его разработки и защиты

а - региональный разрез; б - план; в - разрез 1-1; 1 - суглинки; 2 - ангидриты; 3 - серные руды; 4 - известняки; 5 - тектонические нарушения; 6 - граница обводненных и необводненных залежей; 7 - расширение карьеров; 8 - ряды серодобычных скважин (метод подземной выплавки); 9 - водоотливные скважины; 10 - водопонизительные скважины; 11 - граница залежей серных руд

Подземные воды содержатся в известняках и залежах руд. Наиболее водообильны сероносные известняки, коэффициент фильтрации которых 10 - 100 м/сут. Подстилающие известняки менее водообильны. Толщина слоев водоносных пород примерно 200 м.

Добыча руды производится частично открытым способом под защитой водопонижения и подземной выплавкой серы - ПВС путем нагнетания в нее горячей воды. При этом водопонижение значительно затрудняет подземную выплавку серы, так как способствует усиленной фильтрации теплоносителя в сторону водопонизительных скважин.

Восточнее залежи расположены высоко, в зоне неводоносных пород, и их разработка открытым способом здесь не рассматривается.

Требуется наметить рациональную систему разработки и защиты открытых выработок западной части месторождения, где имеются два карьера "Южный" и "Северный". Оба эти карьера вскрыли и уже отработали высокозалегающие сероносные тела. Развитие этих карьеров возможно лишь при их углубке, для чего необходимо водопонижение.

Для разработки месторождения двумя способами (открытым и ПВС) одновременно намечаем (см. черт. 11 б, в):

в центральной части месторождения (наиболее глубокой) и на самом южном участке (южнее карьера "Южный") применение ПВС для добычи серы ниже отметок 250 м (на севере и юге при этом допускается открытая добыча серы выше отметок 250 м);

на западе центральной части - водоотливные скважины для откачки излишков воды при ПВС;

на северном и южном участках при развитии и углубке карьеров "Южный и "Северный" - водопонизительные скважины, оборудованные погружными насосами для осушения карьеров до их конечной глубины (определяемой положением залежей, не отрабатываемых ПВС).

В случае разработки только карьера "Южный" может быть допущена разработка методом ПВС глубоких залежей и в северо-западной части месторождения.

2.10. При проектировании защиты реконструируемых горных предприятий возникают задачи, связанные с необходимостью внедрения новых высокоэффективных способов разработки при максимальном использовании достигнутого искусственного понижения уровня подземных вод и действующих защитных сооружений.

В некоторых случаях целесообразна ликвидация некоторых устаревших сооружений и устройств, например, скважин, не позволяющих применить необходимые современные мощные и высокопроизводительные насосы, старые шахты, высокорасположенные (или с прогнившим креплением) подземные горные выработки и т.п. Однако, если возможна защита реконструируемых объектов с использованием существующих устройств, то это должно рассматриваться как достоинство варианта, способствующее снижению капитальных затрат и ускорению ввода производственных мощностей. Рассмотрим возможные решения защиты горных выработок при реконструкции горного предприятия на следующем примере.

Пример 5. Месторождение каменной соли расположено на правом берегу реки в 0,5 - 1,5 км от нее с абсолютными отметками поверхности от 204 до 250 м. Поверхность холмистая, прорезанная несколькими ручьями, покрыта карстовыми воронками и углублениями, в западной части месторождения - соленые озера.

Месторождение представляет собой брахиантиклинальную складку, ядро которой сложено солью; вмещающие породы представлены аргиллитами, алевролитами, туфами и песчаниками. Эта толща перекрыта глинистыми и песчано-галечниковыми породами. Местами песчано-галечниковые породы залегают непосредственно на кровле соли и головах переслаивающихся вмещающих пород (черт. 12). Толщина покровных отложений местами достигает 60 м. Карсты приурочены к поверхности соляного тела.

Черт. 12. Разрез по месторождению каменной соли

1 - галечник; 2 - глина с валунами и галькой; 3 - глина; 4 - переслаивающиеся аргиллиты, алевролиты и песчаники; 5 - гипс; 6 - соль каменная; 7 - тектонические нарушения; 8 - контур опытно-эксплуатационного карьера; 9 - предельный контур карьера; 10 - пониженный уровень подземных вод; 11 - водопонизительные скважины; 12 - дренажная выработка

Подземные воды заключены в покровных отложениях и в трещиноватых разностях вмещающих пород. Толщина водоносной части покровных отложений в западинах достигает 50 м. Коэффициент фильтрации водоносных пород покровной толщи от 6 до 220 м/сут. Наиболее высокие значения коэффициентов фильтрации присущи песчано-галечниковым отложениям, развитым в пойме реки. Коэффициент фильтрации трещиноватых скальных пород, вмещающих полезное ископаемое, - 9 - 25 м/сут.

Уровень подземных вод в западной части месторождения на глубине от 2 до 6 м, а в восточной части, где долгое время велась разработка соли и соответственно водоотлива, он снижен до глубины 14 - 17 м. Местами, где галечники, закарстованные и трещиноватые породы прикрыты глинами, подземные воды приобретают напорный характер.

Месторождение разрабатывается уже более 200 лет. В настоящее время восточная его часть разрабатывается подземным способом, где имеется несколько действующих шахт и много заброшенных.

С целью защиты месторождения от подземных вод в подошве покровной толщи пройдено много штольневых подземных дренажных выработок, в основном по контуру месторождения, и восемь водоотливных шахт. Однако усиленный водоотлив из всех этих устройств вызвал интенсификацию от карстового процесса и принес значительный ущерб из-за откачки растворенной соли.

Это горное предприятие предполагается реконструировать с сохранением подземной добычи в восточной части и устройством карьера для открытой добычи соли в западной части месторождения.

Соответственно требуется реконструировать систему защиты горных выработок и создать благоприятные условия для эксплуатации карьера.

При проектировании защиты в условиях реконструкции данного предприятия следует учесть, что из-за легкой растворимости соли необходимо свести к минимуму питание подземных вод поверхностными водами и приток последних в карьер, а также предусматривать откачку подземных вод, способствующих развитию карстового процесса.

Решение системы защиты горных выработок:

поверхность территории месторождения должна быть спланирована с засыпкой озер, карстовых воронок и других западин; на поверхности устраивается необходимая дождевая сеть - открытые канавы с асфальтобетонным покрытием, сбрасывающие воды в ручьи;

русла ручьев расчищаются и облицовываются бетоном; ручей, протекающий с севера месторождения и попадающий в зону вновь проектируемого карьера, отводится в новое русло в обход карьера; со стороны поймы реки для защиты карьера от паводков возводится земляная дамба;

все старые дренажные выработки и водоотливные шахты, расположенные в пределах соляного тела, водоотлив из которых способствовал развитию карста, ликвидируются и закладываются;

учитывая, что статические запасы воды в восточной части значительно сработаны и главной задачей защиты вообще, и особенно в восточной части месторождения, где продолжится подземная разработка соли, является перехват внешнего притока. Эту задачу можно решить с помощью контурных дренажных выработок с применением забуриваемых из них самоизливающихся скважин различного направления. Использование в защите месторождения подземных дренажных выработок целесообразно по следующим причинам: в южной и юго-восточной частях сохранились контурные подземные дренажные выработки значительной протяженности, которые можно продолжить штольневыми выработками с выпусками каптируемых вод самотеком в ручьи; выработки непосредственно не контактируют с соляным телом и будут отбирать воду в основном из покровных отложений и вмещающих пород;

со стороны реки и ее поймы, где развиты наиболее водообильные галечники, предусматривается устройство траншейной противофильтрационной завесы, заглубленной до глин, подстилающих галечники; устройство завесы возможно, в частности, путем разработки траншеи с глинистым раствором с помощью установки с гидравлическим напорным грейфером и последующей закладкой траншеи глиной;

для удаления статических запасов подземных вод в пределах территории распространения полезного ископаемого предусматриваются водопонизительные скважины в местах понижений подошвы песчано-галечниковых отложений;

для уточнения эффективности принятой системы защиты и открытого способа разработки каменной соли предусматривается опытно-производственный участок открытой добычи; разработка карьера на опытном участке начинается с устройства дренажной траншеи по контуру опытного карьера для перехвата статических запасов подземных вод на огражденной территории. В дальнейшем внутренний борт траншеи срабатывается, и на кровле глинистых пород, залегающих над полезным ископаемым, остается лоток, ложе которого должно быть покрыто асфальтобетоном.

Схема принятой системы защиты горных выработок показана на черт. 13.

Черт. 13. План месторождения каменной соли. Система защиты при реконструкции горного предприятия

1 - существующие дренажные выработки; 2 - русло ручья; 3 - намечаемые дренажные выработки; 4 - противофильтрационная завеса; 5 - опытный карьер; 6 - предельный контур карьера; 7 - горизонтали; 8 - карстовые воронки и озера; 9 - контур соляного тела на отметке -30 м; 10 - то же, на отметке -50 м; 11 - предусматриваемые водопонизительные скважины; 12 - существующие водоотливные шахты; 13 - действующие шахты; 14 - насосные станции

В соответствии с пп. 1.2 и 1.3 СНиП 2.06.14-85 при проектировании подобного объекта должен быть рассмотрен также вариант с полной ликвидацией внешней дренажной системы и замены ее противофильтрационной завесой.

Системы защиты открытых выработок

2.11. При проектировании систем защиты открытых выработок (карьеров, разрезов) особое значение приобретает взаимоувязка проектных решений по организации поверхностного стока на прикарьерной территории, защиты от подземных вод и от опасных геологических процессов из поверхностных водных объектов.

Рассмотрим комплексное решение защиты угольного разреза от подземных и поверхностных вод, селей и оползней.

Пример 6. Буроугольный разрез расположен в долине реки, протекающей с северо-востока на юго-запад между хребтами горной системы со средними высотными отметками от 2300 до 3300 м и в долине реки от 625 до 880 м. Склоны горных хребтов расчленены долинами мелких потоков, являющихся селеопасными.

Разрез заглублен до коренных скальных пород, представленных трещиноватыми кварцевыми порфирами, порфиритами и туфами, на которых залегает угленосная толща (от 50 до 100 м) - угли, песчаники, алевролиты, глины; выше - каолиновые глины, песчаники, гравелиты, алевролиты, конгломераты, известняки, мелкие кварцевые пески, валунно-галечниковые и песчано-галечниковые породы, покровные глины и суглинки (100 - 450 м). Общая глубина разреза 250 м. Вся толща, за исключением водоупорных глинистых пород, является водоносной. Наибольшей водообильностью отличаются галечниковые и распространенные со стороны нерабочего борта "горелые" породы. Питание подземных вод происходит из реки и ее правобережных притоков, а также за счет выпадающих здесь атмосферных осадков.

Месторождение разрабатывается около 40 лет. Подвигание фронта работ параллельно-западное. В связи с необходимостью увеличения производительности разреза до 10 млн. т в год проектируется его реконструкция. При этом предусматривается увеличение скорости подвигания фронта работ до 50 - 75 м в год за счет внедрения нового вскрышного и добычного оборудования, и закладка выработанного пространства.

Защита карьера находится в примитивном состоянии - имеют место фильтрация через откосы и оползневые явления.

Для обеспечения эффективной работы нового оборудования необходимо, по существу, заново организовать систему защиты разреза и создать благоприятные условия для эксплуатации карьера. В связи с этим предусматриваем (черт. 14):

для защиты карьера от затопления - прокладку вдоль восточного нерабочего борта разреза обводного тоннеля для отвода реки;

для защиты нерабочих бортов разреза от подземных вод и предотвращения развития оползней - сооружение двух штолен в северном и южном концах нерабочих бортов и в примыкающих к ним участках восточного борта; из штолен задаются восстающие (наклонные) скважины, а с поверхности бурятся сквозные фильтры; вода из штольни сбрасывается в зумпф; кроме того, на участке центральной части нерабочего (восточного) борта разреза, в районе распространения "горелых пород" - водопонизительные скважины, оборудуемые погружными насосами со сбросом откачиваемой воды по специальному трубопроводу в реку;

для защиты рабочего борта карьера от поверхностных вод и селевых потоков - устройство нагорной канавы и селеловушки; для перехвата подрусловых потоков - дренажные траншеи.

Черт. 14. Общий план системы защиты угольного разреза

1 - дренажные штольни; 2 - вентиляционные шурфы; 3 - вентиляционные скважины; 4 - перекачная насосная станция; 5 - угольный разрез; 6 - селеловушки; 7 - водопонизительные скважины; 8 - водосбросной трубопровод; 9 - сквозные фильтры; 10 - нагорная канава; 11 - плотины селехранилищ; 12 - дренажные траншеи; 13 - нижняя граница "горелых пород"

Согласно принятой системе разработки карьера выработанное пространство, прилегающее к нерабочему борту разреза, заполняется внутренними отвалами.

Для отвода поверхностных вод с внутренних отвалов предусматриваем планировку и укатку поверхности отвалов. Для дренажа воды, проникающей в отвалы, в их основании предусматриваем отсыпку фильтрующего слоя из гравийно-галечникового материала, специальные канавки с дренажными водоотводящими трубами и канавы-коллекторы, отводящие воду в водосборники разреза.

Для удаления воды из понижений в подошве разреза перед фронтом нижнего добычного уступа предусматриваем передвижные (на салазках) насосы, перекачивающие воду к водосборникам. Число насосов в карьере определяется протяженностью фронта добычных работ (не менее двух-трех агрегатов).

Кроме того, предусматриваем возможность применения горизонтальных самоизливающихся скважин и дренажных пригрузок при обнаружении фильтрации через откосы.

2.12. В условиях месторождений полезных ископаемых, прикрытых значительными толщами малоустойчивых водоносных пород, повышаются требования по защите выработок от подземных вод.

Общей задачей защиты карьера в таких условиях является создание в нем водного режима, позволяющего с минимальными затратами добиться обеспечения устойчивости бортов карьера и благоприятного для применения наиболее эффективных методов разработки, горного оборудования и транспортных средств. К системе защиты предъявляются следующие требования:

открытая фильтрация подземных вод через откосы постоянных бортов карьера в пределах малоустойчивых пород должна быть полностью предотвращена;

фильтрация подземных вод через откосы рабочих бортов должна быть снижена до размеров, не препятствующих эффективному ведению вскрышных и добычных работ;

избыточные напоры в напорных водоносных слоях должны быть своевременно сняты;

в части защиты от поверхностных вод требования те же, что перечислены в п. 2.11, но в малоустойчивых породах возрастает актуальность дождевой сети: более капитальной - на долго существующих (постоянных) бортах карьера, и несколько упрощенной - на рабочих бортах (см. разд. 3).

Весьма существенным являются различия в защитных мероприятиях на разных этапах разработки карьера, характеризующихся различиями в обстановке и методах горных работ.

Пример 7. Месторождение железных руд (черт. 15) расположено в равнинной местности, изрезанной овражно-балочной сетью, отметки поверхности изменяются от нулевой до 70 м.

Черт. 15. Схематический план железорудного месторождения

1 - контур железистых кварцитов; 2 - контур кварцитного карьера первой очереди; 3 - последующее развитие карьера; 4 - нагорная канава; 5 - плотина; 6 - накопитель

В северной части месторождения протекает река с меженным расходом 1 м3/с и паводковым - 90 м3/с. Климат - умеренно континентальный; среднегодовая температура воздуха 5,5 °C; среднегодовые осадки - 500 мм.

Полезное ископаемое представлено круто падающими и простирающимися на многие сотни метров в глубину железистыми кварцитами, переслаивающимися со сланцами и песчаниками, и залегающими на головах кварцитов богатыми железными рудами (до 60 м).

Богатые руды, в бо́льшей своей части (до 2/3) нескальные, мучнистые, в остальной части скальные трещиноватые, прикрыты толщей до 150 м (в среднем 70 м), сложенной внизу глинами с прослойками песка, песчанистыми глинами, песками, меломергелями, а в самом верху - песками и суглинками.

Нижняя часть покровной толщи (в среднем 60 м), руды и верхняя часть скальных пород (на глубину до 90 м от их кровли) - водоносные.

В покровной толще подземные воды - со свободным зеркалом (безнапорные), в руднокристаллической толще, прикрытой глинистыми породами, воды - напорные. Однако глинистые породы, залегающие на кровле руды, имеют разрывы сплошности и воды обеих толщ, связаны между собой и имеют близкие пьезометрические уровни.

В надрудной толще водопроницаемость водоносных пород к низу (до глин, непосредственно залегающих на кровле руды) возрастает, поэтому среднее значение коэффициента фильтрации с возрастанием глубины понижения уровня подземных вод принимается разным: от 12 м/сут - при понижении до 20 м, до 20 м/сут - при понижении более 40 м; в руднокристаллической толще среднее значение коэффициента фильтрации 1 м/сут.

Требуется определить рациональный комплекс защитных мероприятий для периода эксплуатации месторождения открытым способом и условия производства вскрышных работ, позволяющие решить защиту вскрывающих выработок в период строительства с минимальными затратами в сроки, необходимые для создания постоянной системы защиты карьера, разработка которого предусматривается длительный период.

При выборе защитных мероприятий и устройств исходим из того, что месторождение будет эксплуатироваться с применением буровзрывных работ (в пределах скальных пород), экскаваторов, автомобильного и железнодорожного транспорта, с внешними обвалами пустых пород.

В подобных случаях со стороны рабочих бортов целесообразно применять внешние защитные устройства, в качестве которых на этом месторождении вполне уместно применение водопонизительных скважин. При этом необходимость во внутрикарьерных защитных устройствах и мероприятиях будет сведена к минимуму и представится возможность организовать эффективную разработку горных пород.

На постоянных бортах целесообразно выполнять внутрикарьерные дренажи, но при этом необходимо решить, нужны ли внешние устройства и со стороны постоянных бортов?

На месторождении в основании 100 - 150 - метрового откоса в нескальных породах залегают сравнительно слабые глинистые грунты. Полностью убрать воду с кровли этих пород затруднительно. Однако снижение напора в покрывающих водоносных песках, выполняемое с помощью внешних водопонизительных скважин, будет иметь существенное значение в обеспечения устойчивости откосов постоянных бортов карьера. Учитывая это обстоятельство, в намечаемой системе защиты предусматриваем в качестве условно оптимального решения внешние водопонизительные устройства как со стороны рабочих бортов, так и со стороны постоянных бортов карьера. В проектах вопрос о необходимости внешних защитных от подземных вод устройств, в частности, со стороны постоянных бортов карьера, необходимо рассматривать каждый раз и принимать решение в каждом отдельном случае, учитывая все особенности инженерно-геологических условий постоянных бортов, основываясь на расчетах их устойчивости и технико-экономическом сопоставлении вариантов.

Аналогично, т.е. на основе технико-экономического анализа, должен рассматриваться вопрос о целесообразности применения подземных дренажных выработок. Наряду с тем, что их использование требует значительных капитальных затрат, они весьма эффективны для осушения трещиноватых скальных пород. В сочетании с самоизливающимися или вакуумными скважинами и сквозными фильтрами дренажные выработки могут быть также эффективно применены для водопонижения в покровных нескальных породах, для дренажа тектонических зон и карьерного водоотлива. Применение подземных дренажных выработок в сочетании со сквозными фильтрами и восстающими скважинами зачастую целесообразнее при их технико-экономическом сравнении с долго эксплуатируемыми водопонизительными скважинами, оборудуемыми скважинными насосами. Принимаемая для периода эксплуатации система защиты представится в следующем виде:

внешние устройства и мероприятия по регулированию поверхностного стока на территории, прилегающей к карьеру: перенос реки к северу от месторождения с устройством защитной дамбы вдоль ее нового русла, нагорные канавы и отвод паводковых вод оврагов путем перегораживания их плотинами с устройством перекачных насосных станций;

внешние защитные устройства от подземных вод, в качестве которых принимаем кольцевую систему из подземных дренажных выработок в сочетании со сквозными фильтрами и восстающими скважинами с центральными подземными насосными станциями;

внутрикарьерные защитные устройства, в составе которых необходимо предусмотреть: внутрикарьерные дренажи, дренажные пригрузки откосов, дождевую сеть, водосборники, скважины для сброса каптируемых в карьере вод в подземные выработки и специальные подземные выработки для приема вод, сбрасываемых из карьера, и для отвода их к центральным подземным насосным станциям.

Необходимое время для сооружения принятой системы, требующей проходки шахтных стволов с применением замораживания грунтов и других сложных горнопроходческих и строительных работ, не менее 4 - 5 лет, т.е. равно продолжительности строительства карьера. В связи с этим существенное значение имеет защита открытых выработок в строительный период. В этот период, когда возникает необходимость быстрого понижения уровня подземных вод на большой площади разрабатываемого карьера, важно решить, в какой мере может быть допущена фильтрация воды через откосы и водоотлив непосредственно из горных выработок. Это следует решать одновременно с решением вопроса о методах разработки вскрывающей выработки.

При экскаваторной разработке открытая фильтрация в забой снижает эффективность работ и должна быть сведена к минимуму.

Надлежащая организация горных работ с устройством передовых траншей, выполняющих роль горизонтальных дрен, позволит несколько повысить размеры допускаемой фильтрации подземных вод в карьер и при экскаваторной разработке.

Более широкие возможности для применения водоотлива из основных открытых горных выработок (что позволяет получить весьма экономичное решение по их защите) создаются при разработке водоносных пород методами гидромеханизации, эффективность которой при фильтрации подземных вод в выработку не только не снижается, но даже возрастает. В этом случае требования к допускаемой фильтрации определяются исключительно соображениями, касающимися общей устойчивости бортов карьера.

Наиболее благоприятные условия для применения водоотлива из открытых выработок создаются при подводной разработке пород с помощью плавучих земснарядов, которая вполне возможна при вскрытии месторождений типа рассматриваемого в этом примере. Когда глубина открытой выработки превосходит возможности черпания земснаряда, разработка ведется с постепенным понижением зеркала воды в карьере (черт. 16). Если при этом скорости понижения зеркала воды в котловане не превосходят допускаемых в табл. 1 СНиП 2.06.14-85 (п. 3.14), то внешние водопонизительные устройства для защиты выработки в период ее подводной разработки могут и не потребоваться. Однако из-за возможных отклонений при производстве работ и учитывая значительную глубину требуемого понижения уровня воды в открытой выработке (в среднем 60 м), следует при проектировании подводной разработки предусмотреть резервную внешнюю систему из водопонизительных скважин, оборудованных глубинными насосами, которые можно будет включать в работу по мере необходимости.

Черт. 16. Технологическая схема разработки карьера в период строительства

1 - суглинки; 2 - мел; 3 - пески; 4 - глина; 5 - богатые руды; 6 - кварциты; 7 - гидромонитор; 8 - землесосная станция; 9 - буровой станок; 10 - экскаватор гусеничный "прямая лопата"; 11 - экскаватор шагающий "Драглайн"; 12 - земснаряд при разработке I подводного уступа; 13 - земснаряд при разработке II подводного уступа

В дальнейшем водопонизительные скважины могут быть переоборудованы в сквозные фильтры.

Принимая вышеуказанные решения по защите карьера для периодов эксплуатации и строительства с учетом применения при разработке вскрывающей выработки плавучего земснаряда, определим в соответствии с п. 1.14 СНиП 2.06.14-85 порядок сооружения и ввода устройств системы защиты (черт. 17, 18):

до начала строительства карьера должны быть введены в действие все запроектированные внешние устройства по регулированию поверхностного стока;

до начала подводной разработки вскрывающей выработки должны быть подготовлены и оборудованы погружными насосами резервные водопонизительные скважины по контуру вскрывающей выработки, размеры которой определяются в горной части проекта рудника; эти резервные водопонизительные скважины используются при появлении признаков оползневых явлений, угрожающих устойчивости постоянных бортов карьера или рабочих бортов в размерах, препятствующих нормальному ведению горных работ;

к моменту окончания подводной разработки - ввод в действие контурной системы водопонизительных скважин, которые по мере готовности подземных выработок переустраиваются в сквозные фильтры с одновременным вводом дополнительных восстающих скважин;

к моменту сдачи карьера в эксплуатацию - готовность внутрикарьерной дождевой сети и дренажей на постоянных бортах карьера, дренажных пригрузок на рабочих бортах карьера;

к моменту достижения проектной производительности карьера - готовность подземной дренажной системы и всего комплекса защитных сооружений, устройств и мероприятий согласно проекту.

Черт. 17. Система защиты карьера от подземных вод

1 - железорудные кварциты; 2 - сланцы филитоподобные; 3 - песчаники кварцитовые; 4 - контур распространения богатых железных руд; 5 - контур первоочередной выработки, вскрывающей руду земснарядом; 6 - контур кварцитного карьера I очереди; 7 - контур карьера последующего развития; 8 - прибортовой дренаж; 9 - ствол дренажной шахты; 10 - дренажные выработки I очереди; 11 - дренажная система последующего развития; 12 - водопонизительные скважины; 13 - резервные водопонизительные скважины при работе земснаряда; 14 - водопонизительные скважины, переоборудуемые в сквозные фильтры; 15 - сквозные фильтры; 16 - сбросные скважины; 17 - вентиляционные скважины

Черт. 18. Система осушения карьера. Разрез 1-1

1 - суглинки; 2 - мел; 3 - пески; 4 - глины песчаные; 5 - песчаники; 6 - глины с брекчией; 7 - сланцы; 8 - богатые железные руды; 9 - железистые кварциты; 10 - уровень подземных вод в надрудной толще; 11 - уровень подземных вод в руднокристаллической толще; 12 - контур карьера выработки, вскрывающей руду земснарядом; 13 - контур карьера последующего развития; 14 - ствол дренажной шахты; 15 - сквозные фильтры последующего развития дренажной системы; 16 - сквозные фильтры первой очереди; 17 - восстающие скважины; 18 - резервные водопонизительные скважины при работе земснаряда; 19 - сбросные скважины; 20 - дренажные выработки

Кроме соблюдения указанной очередности ввода в действие устройств системы защиты, целесообразно, в соответствии с п. 1.6 СНиП 2.06.14-85 применять еще большее поэтапное деление. Так, из водопонизительных скважин первой очереди следует вначале ввести в действие не более половины их расчетного числа с тем, чтобы по данным наблюдений за их работой уточнить общее требуемое их число и не производить лишних затрат.

Пример 8. Месторождение железной руды, прикрытой значительной толщей малоустойчивых пород, осваивается с помощью экскаваторов и автотранспорта (применение гидромеханизации исключено из-за дефицита электроэнергии при недостаточной изученности гидрогеологических условий).

Район месторождения представляет собой слабо всхолмленную равнину с отметками поверхности 170 - 180 м с общим уклоном к реке, протекающей в широтном направлении в 8 км южнее месторождения, где отметки снижаются до 120 - 127 м у уреза реки. Климат - резко континентальный; среднегодовая температура воздуха 2 °C с амплитудой колебания до 90°; среднегодовые осадки - 250 мм.

Скальная железная руда приурочена к комплексу круто падающих пластов горных пород (черт. 19). В лежачем боку мощных рудных тел, простирающихся на большую глубину, измеряемую сотнями метров, преобладают диориты, а в висячем боку - известняки и порфириты. В верхней своей части скальные породы подверглись эрозии, в результате которой образовалась кора выветривания, представленная глинистой и дресвяно-щебенистой породами; над рудой (более крепкой скальной породой, чем окружающие) кора выветривания, как правило, отсутствует, и рудная зона к тому же возвышается над окружающим рельефом скальных пород.

Черт. 19. Система осушения карьера. Разрез 1-1 (см. черт. 20)

1 - суглинки; 2 - глины песчанистые; 3 - глины сланцеватые; 4 - глины опоковые; 5 - песчаники; 6 - пески; 7 - оолитовые руды; 8 - глины лигнитовые; 9 - глины коры выветривания; 10 - туфы и лавобрекчии базальтовых порфиритов; 11 - туфобрекчии андезитовых порфиритов; 12 - туффиты; 13 - известняки; 14 - роговики; 15 - диориты и диорит- порфириты; 16 - рудная залежь; 17 - зоны тектонических нарушений; 18 - дренажный штрек со сквозными фильтрами; 19 - водопонизительные скважины II очереди; 20 - опытные скважины; 21 - водопонизительные скважины I очереди; 22 - подуступ с дренажной пригрузкой откоса и канавкой на рабочем борту (выполняется при необходимости); 23 - дренажная пригрузка на постоянном борту; 24 - уровень подземных вод в верхних песках; 25 - непониженный уровень подземных вод в надрудных песках и руде; 26 - пониженный уровень подземных вод; 27 - контур карьера на конец отработки

Рудоносный комплекс покрыт толщей (в среднем 110 - 120 м) нескальных пород, представленных внизу глинами бокситовыми и лигнитовыми, выше - 40-, 60-метровый слой песков с выраженным двухметровым прослойком глинистых оолитовых руд. Над песками залегают последовательно снизу вверх песчаники, опоки и опоковидные глины, сланцеватые глины, пески, глины с тонкими прослойками песков и в самом верху - лессовидные суглинки.

Уровень подземных вод отмечен не глубоко от поверхности земли.

Специальные изыскания по требуемому дополнительному изучению гидрогеологических условий месторождения вызвали бы значительные затраты, связанные с бурением глубоких скважин, производством глубоких опытных водопонижений и других сложных работ для получения необходимых характеристик, с выяснением значимости всех водоносных и водоупорных слоев и прослойков, их гидрогеологических параметров и других данных, позволяющих выбрать обоснованные решения защиты горных выработок.

В таких случаях целесообразно проведение опытно-производственных работ (см. п. 1.31 и 2.4).

Принимая решения о проведении опытно-производственных работ, наметим предварительное решение по защите горных выработок, выделим в нем первоочередную часть, которая и будет опытной, но в то же время позволит развернуть строительство и выявит необходимые данные для уточнения предварительного решения и составления окончательного проекта.

При этом исходим из того, что целесообразно начать разработку с возвышающейся части рудных тел, примыкающей к их лежачему боку, что позволит ограничиться минимальными объемами первоначальной вскрыши и сразу в какой-то части образовать постоянный борт карьера;

первоначальное кольцо водопонизительных скважин должно быть по возможности минимальных размеров, чтобы достичь быстрого эффекта понижения уровня подземных вод вскрывающей выработки;

следует проверить необходимость водопонизительных скважин для защиты от фильтрации подземных вод через откосы постоянного борта после его образования и устройства на нем внутрикарьерных дренажей; а также необходимость систематических дополнительных мероприятий (дренажных пригрузок, канавок применения иглофильтровых установок и др.) над прослойком оолитовых руд в толще песков и целесообразность из-за этого ведения горных пород с подуступом на рабочем борту.

Предварительно принимаем (черт. 19, 20):

первоочередное кольцо водопонизительных скважин по контуру вскрывающей выработки и конечное кольцо водопонизительных скважин по контуру карьера на конец отработки; по первоочередному кольцу водопонизительных скважин подземных выработок в предварительном решении не предусматриваем, так как его восточная ветвь (со стороны постоянного борта) может быть отключена, если защита постоянного борта от подземных вод с помощью внутрикарьерных дренажей окажется достаточной, а западная ветвь вскоре будет сработана при подвигании рабочего борта. Поэтому водопонизительные скважины по первоочередному кольцу должны быть оборудованы погружными насосами;

подземные дренажные выработки - только по конечному контуру карьера со стороны висячего бока рудных тел (западная ветвь внешнего дренажа), имея в виду, что водопонизительными скважинами вдоль нее будут служить сквозные фильтры и восстающие самоизливающиеся скважины.

Черт. 20. Система осушения карьера. План (к примеру 8)

1 - туффиты; 2 - известняки; 3 - туфы и лавобрекчии базальтовых порфиритов; 4 - туфобрекчии андезитовых порфиритов; 5 - андезитовые порфириты; 6 - диориты и диорит-порфириты; 7 - скарны; 8 - роговики; 9 - рудные залежи; 10 - зоны тектонических нарушений; 11 - водопонизительные скважины I очереди; 12 - опытные скважины; 13 - водопонизительные скважины II очереди; 14 - водопонизительные скважины II очереди, переоборудуемые в сквозные фильтры; 15 - дренажный штрек со сквозными фильтрами; 16 - шахтный ствол; 17 - наблюдательные скважины в скальных породах; 18 - наблюдательные скважины в песках

Кроме того, должны быть предусмотрены специальные подземные выработки для приема воды от карьерных дренажей, зумпфов и других устройств.

Ввиду большого расстояния между восточной ветвью первоочередного кольца и конечным контуром внешней дренажной системы следует предусмотреть дополнительно промежуточную ветвь водопонизительных скважин, оборудованных погружными насосами, главным образом из-за необходимости длительного срока подготовки системы по конечному контуру и достижения с ее помощью необходимого понижения уровня подземных вод в пределах карьера.

Предполагается, что осушение надрудных песков не вызовет особых осложнений из-за взаимосвязи их с рудоносной толщей в местах разрывов в глинистых породах, подстилающих пески, а также из-за понижения почвы песков в сторону к периферии, где намечаются водопонизительные скважины. В проекте опытно-производственного водопонижения необходимо указать, что в процессе разработки может выявиться целесообразность устройства подуступа над прослойком оолитовых руд, как показано на черт. 19. Начать разработку допускается без подуступа.

В состав опытно-производственных работ следует включить изучение состояния закарстованности известняков и влияние откачки из карстов на развитие депрессии в рудоносной и надрудных толщах. При этом исходим из того, что участки, где наблюдаются понижения кровли скальных известняков, отвечают наиболее слабым (неустойчивым к размыву и выветриванию) их разновидностям, и на этих участках можно ожидать развития карста и в глубине массива. На четырех таких участках располагаем глубокие опытные скважины и намечаем откачки из них.

Общее число водопонизительных скважин по контуру первоочередного кольца должно быть определено по имеющимся данным и с учетом аналогов из условия понижения уровня подземных вод, позволяющего вскрыть руду и даже начать ее разработку. Однако устройство и ввод в действие водопонизительных скважин должны быть постепенными, причем первоначально должно быть выполнено не более половины расчетного числа первоочередных скважин.

Для наблюдений при опытно-производственном водопонижении намечаем 16 первоочередных наблюдательных скважин: 11 - в надрудных песках и 5 - в рудоносной зоне. Их располагаем по лучам в направлениях: на юг (к реке) и на запад: по три - в надрудных песках - на контуре, в 200 и 600 м от контура; по две - в рудоносной толще - на контуре и в 600 м от контура; на север и на восток: по две - в надрудных песках - на контуре и в 600 м от контура; в пределах карьера по одной - в рудоносной зоне и в надрудных песках.

В задачи опытно-производственных работ должно входить, кроме проверки и изучения всех вышеуказанных вопросов, определение гидрогеологических и инженерно-геологических характеристик горных пород. Поэтому в проекте необходимо предусмотреть также отбор образцов горных пород, лабораторные исследования и достаточно широкий комплекс наблюдений (см. разд. 5).

2.13. При мульдообразном строении месторождения целесообразно применять водопонизительные системы из скважин, расположенных в понижениях водоносных пластов. При этом экономично решается задача полного осушения карьера (разреза).

Пример 9. Буроугольное месторождение, приуроченное к синклинальной складке, предусмотрено осваивать открытым способом. Верхний угольный пласт, который предполагается разрабатывать, образует мульду, заполненную песчаниками протяженностью около 2 км, шириной 800 м и общей толщиной (песчаников и угольного пласта) в вершине складки 85 м. Эта толща подстилается переслаивающимися трещиноватыми аргиллитами, песчаниками и тонкими слоями углей, а вверху прикрыта глинистыми породами.

Все трещиноватые породы - водоносные, но повсеместно развитый чехол покровных глинистых пород ограничивает питание подземных вод атмосферными осадками.

Требуется наметить систему защиты разреза.

В этих условиях, естественно, необходимо использовать благоприятные условия залегания горных пород, позволяющие организовать отбор подземных вод с самых низких отметок разрабатываемой толщи, т.е. расположить водозаборные устройства по оси синклинали. В качестве водозаборных устройств могут быть использованы водопонизительные скважины, оборудованные насосами, или подземные дренажные выработки. Последние, требующие значительных капитальных затрат, могут оказаться целесообразнее при длительном сроке службы, необходимости организовать карьерный водоотлив при больших притоках поверхностных вод, при разработке части месторождения подземным способом и наличии шахтных стволов и подземных насосных станций.

Учитывая сравнительно небольшие размеры разреза и ограниченное питание подземных вод, когда в основном предстоит осушение статических запасов воды в горных породах, принимаем систему защиты разреза из линейного ряда водопонизительных скважин, оборудованных насосами (черт. 21).

Черт. 21. Схема осушения буроугольного месторождения

1 - глинистые породы; 2 - песчаники; 3 - уголь; 4 - аргиллиты; 5 - контуры карьера; 6 - водопонизительные скважины; 7 - контур пласта угля; 8 - непониженный уровень подземных вод; 9 - сниженный уровень подземных вод

2.14. При расположении месторождений вблизи поверхностных водных объектов (или под ними), кроме опасности непосредственного затопления выработок поверхностными водами, возможны также значительные притоки подземных вод и осложнения при их откачке.

В таких условиях от правильной оценки природных факторов и предвидения возможных осложнений практически зависит успех освоения месторождения и безопасность ведения горных работ.

Пример 10. Требуется определить систему защиты карьера по разработке полиметаллических руд в условиях примера 1.

Выполнение намеченных в нем изысканий и дополнительная обработка материалов ранее произведенных геолого-разведочных работ с использованием данных одиночных откачек, сопоставлением их с данными кустовых откачек позволили установить следующие средние значения коэффициентов фильтрации k пород по участкам (черт. 22).

Черт. 22. Система защиты карьера

1 - зона рассланцевания; 2 - зона дробления; 3 - зона разлома; 4 - рудные тела; 5 - контур заболоченности; 6 - засыпка понижений рельефа; 7 - противофильтрационная завеса I очереди (выполняется с поверхности до отм. -220.0 м); 8 - конечный контур карьера; 9 - контур карьера I очереди; 10 - контур дна карьера I очереди на отм. -115.0 м; 11 - дренажные выработки на горизонтах -125.0, -260.0, -390.0 м; 12 - самоизливающиеся скважины; 13 - шахтные стволы; 14 - противофильтрационная завеса II очереди (выполняется с отметок -115.0 до -335.0 м при установлении необходимости в ней в процессе разработки карьера I очереди); 15 - осушительные (дренажные) канавы; 16 - нагорная канава

Породы между двумя основными тектоническими зонами (в среднем на всю глубину до 400 м):

со стороны висячего бока рудоносной зоны - = 0,4 м/сут;

со стороны лежачего бока рудоносной зоны - = 0,8 м/сут;

в зоне интенсивного рассланцевания пород - = 0,29 м/сут.

Породы основных тектонических зон (в разломах и зонах дробления) до глубины:

70 м - 30 м/сут

         140 " - 12   "
         220 " -  5   "
         400 " -  0,5 "

На глубине 400 м может быть принят относительный водоупор.

Наибольшая водообильность пород в верхней части объясняется большей подверженностью этой зоны выветриванию, особенно в русловой части месторождения.

Скальные осадочные породы за пределами месторождения и окружающей его водообильной зоны (см. черт. 3) слабо водопроницаемы:

юго-западнее месторождения развиты в основном сланцевидные породы с коэффициентом фильтрации 0,1 м/сут;

толща карбонатно-глинистых и песчано-глинистых осадочных пород, залегающих с юга, юго-востока и северо-востока месторождения, имеет коэффициент фильтрации порядка 0,5 м/сут.

Открытые работы предусматривается вести до глубины 400 м, ниже предполагается вести разработку подземным способом.

Для защиты карьера первостепенное значение приобретает организация поверхностного стока и в первую очередь отвод или оттеснение реки от территории разработок. Река, протекающая по территории месторождения, примерно в 30 км от него впадает в другую большую реку, поэтому можно рассматривать перехват речного стока выше месторождения и переброс его по системе каналов и с использованием местной гидрографической сети в отдаленное от месторождения русло. Такое решение потребовало бы весьма значительных капитальных затрат — реальнее оттеснение реки с помощью ограждающей дамбы и устройство с береговой стороны соответствующих нагорных канав.

Исходя из вышеуказанного решения по организации поверхностного стока, рассмотрим целесообразные решения по защите карьера от подземных вод.

В этой связи необходимо учитывать, что рудоносная толща окружена в общем слабопроницаемыми породами, создающими естественную преграду для потока подземных вод. Следовательно, подземные воды могут проникать в горные выработки в основном по зонам тектонического дробления горных пород и по тектоническим разломам, особенно при их раскольматации. При таких обстоятельствах необходимо максимально снизить градиент напора фильтрационного потока и свести до минимума интенсивность откачки подземных вод для того, чтобы максимально снизить опасность раскольматации трещин и пор горных пород в зонах, где они представлены раздробленными разновидностями. Этому будет способствовать оттеснение реки. Разведанные зоны повышенной проницаемости горных пород целесообразно перекрыть противофильтрационными завесами. К таким зонам относятся тектонические разломы, направленные с северо-запада на юго-восток, и восточная зона дробления горных пород.

Противофильтрационные завесы должны быть выполнены на глубину не менее 220 м. На большей глубине, как это следует из вышеприведенных данных, фильтрационные свойства пород в этих зонах примерно такие же, как и других пород, окружающих рудную зону.

Борта карьера сложены в основном скальными устойчивыми породами, поэтому может быть допущена открытая фильтрация через них в карьер. Однако организация водоотлива непосредственно из карьера при значительном притоке подземных вод (даже при наличии противофильтрационных завес) будет сложной. Поэтому целесообразно предусмотреть подземные выработки для приема карьерных вод и подземные насосные станции для их откачки. Подземные выработки будут в известной мере служить и в качестве дренажных, и приток воды непосредственно в карьер уменьшится.

Разработка карьера с водоотливом в скальной толще приведет к осушению и покровных отложений. Не исключено, что в начале работ окажется целесообразным применить систему водопонизительных скважин для понижения уровня подземных вод в пределах покровной толщи.

Система защиты карьера представится в следующем виде (см. черт. 22):

река оттесняется дамбой с отметкой верха примерно 12 м; между карьером и дамбой предусматриваем две завесы, перекрывающие фильтрационный поток со стороны реки по зонам повышенной проницаемости; завесы предусматриваем глубиной 220 м, ниже которой коэффициент фильтрации горных пород в среднем равен 0,5 м/сут; положение дамбы и этих двух завес следует проектировать на основе фильтрационных расчетов (технико-экономического сопоставления вариантов).

Намечаем вести разработку таким образом, чтобы северо-западный борт карьера частично совпадал с его конечным положением, и предусматриваем резервную завесу, выполняемую у этого борта на глубине 100 — 125 м; в случае выявления значительной фильтрации по тектоническим разломам в обход основной завесы (см. черт. 28); в проекте следует предусмотреть также соответствующие средства для тампонажа горных пород в случае выявления необходимости в этом на других участках;

воду, поступающую в карьер, предусматриваем сбрасывать в подземные выработки с отводом по ним воды к водосборникам соответствующих подземных насосных станций;

подземные горные выработки предусматриваем не менее чем на двух горизонтах — примерно через 120 — 200 м по глубине. Эти выработки, предназначенные в основном для приема воды из карьера, будут также служить и дренажом. Для этого из выработок при подходе к тектоническим зонам, не доходя до них на расстояние, определяемое по данным опережающего бурения, следует проходить рассечки, параллельные разломам, из которых забуривать самоизливающиеся скважины в тектонические зоны. Снижение напоров подземных вод с помощью этих скважин облегчит проходку подземных выработок. Однако должна быть предусмотрена возможность проходки подземных выработок через тектонические зоны с применением цементации или замораживания горных пород;

для проходки подземных выработок намечаем два шахтных ствола, которые можно расположить с разных сторон карьера, чтобы проходить выработки из каждого ствола навстречу один к другому, ускоряя этим создание системы; выработки должны пересекать тектонические зоны по возможности под прямым углом, и их расположение должно обеспечивать удобства сброса в них карьерных вод;

в зависимости от сроков создания подземной дренажной системы и начала разработки карьера должно быть принято решение о необходимости (или отсутствии необходимости) системы водопонизительных скважин для осушения покровных отложений.

В подобных условиях очень важно при проектировании определить рациональный порядок работ по освоению месторождения. В данном случае необходимо, чтобы дамба, противофильтрационные завесы и подземная дренажная система были сооружены до начала разработки карьера.

При рассмотрении каких-либо других вариантов следует выполнить тщательный анализ всех промежуточных ситуаций для устранения излишних непроизводительных затрат и аварийной обстановки на месторождении.

2.15. Специфические осложнения для защиты горных выработок возникают в условиях вечной мерзлоты, засоленности и газоносности подземных вод.

В таких условиях все основные технологические решения по устройству системы защиты должны быть проработаны и определены в основном проекте, иначе не может быть доказана реальность и эффективность проектируемых защитных устройств и мероприятий.

Пример 11. Месторождение минерального сырья расположено в зоне распространения вечномерзлых пород. Для района характерен слегка расчлененный равнинный рельеф, гидрографическая сеть развита слабо.

Климат района резко континентальный с продолжительной суровой зимой и коротким жарким летом. Среднегодовая температура — 7,8 °C.

Вечномерзлые породы развиты на всей площади. Нулевая изотерма располагается на глубине порядка 700 м. Наибольшая глубина сезонного протаивания приходится на август и составляет 2 — 3 м в целом по району и 6 — 8 м по бортам открытых горных выработок.

Толща вечномерзлых вмещающих пород сложена (сверху вниз) мергелями с прослоями глинистых доломитов, доломитами и глинистыми известняками (107 — 146 м), а ниже сильнотрещиноватыми алевролитистыми мергелями, известковистыми алевролитами и глинистыми доломитами с трещинами, загипсованными на 15 — 20% (133 — 172 м).

Ниже залегает слой относительно водоупорных глинисто-карбонатных пород (17 м), прикрывающих водоносные известняки и доломиты, переслаивающиеся (книзу чаще) с линзами и слоями (не имеющими сплошного развития) водоупорных гипсоангидритовых пород.

Все водоносные слои связаны между собой и образуют единую подмерзлотную водоносную толщу, имеющую кровлю на глубине 280 — 320 м, подстилающуюся на глубине около 500 м долеритами и характеризующуюся средней водопроводимостью kh = 70 м2/сут и напором на кровлю, примерно равным 190 м. В пределах толщи наблюдаются газо-нефте-битумопроявления.

Подмерзлотные воды имеют хлоридно-натриевый состав, минерализацию, возрастающую с глубиной от 85 до 130 г/л и содержат растворенные газы — 0,4 м3 на 1 м3 воды: азот (70 — 90%), метан (около 5%), сероводород (2 — 3%) и др.

Месторождение до глубины 450 м предусматривается разрабатывать открытым способом (черт. 23).

Черт. 23. Геологический разрез по месторождению

1 — мергель; 2 — известняк; 3 — доломит; 4 — алевролит; 5 — ангидрит; 6 — долерит; 7 — полезное ископаемое; 8 — глинистость; 9 — известковистость; 10 — гипсованность; 11 — битуминозность; 12 — водопонизительные скважины; 13 — непониженный уровень подземных вод; 14 — пониженный уровень подземных вод; 15 — промежуточный контур карьера; 16 — зона развития карьера

Требуется определить защиту карьера и технические решения специальных мероприятий при ее создании и эксплуатации, отвечающих особым природным условиям месторождения.

Требования к системе защиты могут быть сформулированы в следующем виде:

должно быть обеспечено снятие на первом этапе высоких гидростатических напоров до размеров, исключающих возможность внезапных прорывов напорных подземных вод при подходе открытых горных работ к кровле подмерзлотной водоносной толщи;

опережающее снижение уровня подземных вод ниже горизонта горных работ, исключающее фильтрацию воды через борта карьера.

Удовлетворение этим требованиям может быть достигнуто с помощью кольцевой системы водопонизительных скважин глубиной 480 — 500 м, оборудуемых соответствующими погружными насосами (черт. 24).

Черт. 24. Система водопонижения. План

1 — водопонизительная скважина, оборудуемая погружным насосом; 2 — трубопровод, подающий раствор; 3 — трубопровод, отводящий шлам; 4 — трубопровод отвода воды от водопонизительных скважин; 5 — трубопровод промышленного водоснабжения; 6 — напорный трубопровод от станции перекачки до накопителя; 7 — групповая насосная станция; 8 — накопитель; 9 — станция перекачки; 10 — конечный контур карьера по поверхности

Для создания и эксплуатации такой системы в условиях мощной толщи вечной мерзлоты, высокой минерализации и газоносности подземных вод необходимо прежде всего проработать соответствующую технологию устройства водопонизительных скважин и определить необходимые средства и мероприятия, обеспечивающие возможность их осуществления и безопасность при строительстве и эксплуатации системы защиты.

Намечаем следующие решения.

Бурение скважин следует выполнять с помощью агрегатов турбинного бурения типа РТБ, которые должны подбираться (так же, как и долота) соответственно требуемым диаметрам скважин и крепости пород (см. разд. 9), и буровой установки БУ-75БРЭ.

В качестве породоразрушающего инструмента при бурении в зоне распространения многолетнемерзлых пород до кровли водоносного горизонта может быть применен агрегат РТБ-760 с долотами 41Д-394С. Привод турбобуров типа РТБ осуществляется от трех насосов БРН-1. При бурении водопонизительных скважин в зоне водоносного горизонта следует применять агрегат РТБ-590 с долотами Б-269С с приводом от двух насосов БРН-1.

В качестве промывочной жидкости может быть использован раствор, образуемый в процессе бурения карбонатных пород. Вследствие того, что температура разбуриваемых пород составляет в среднем -2 °C, во избежание замерзания промывочной жидкости к ней добавляют 4% по массе поваренной соли. Для стабилизации раствора и предотвращения обрушения стенок скважин в связи с низкой водоустойчивостью мерзлых пород в промывочную жидкость следует добавлять 3% высоковязкой карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ-600).

Цементирование остающихся на период эксплуатации обсадных колонн следует производить до устья с целью полной замены в затрубном и межтрубном пространстве промывочной жидкости цементным камнем. Эта замена необходима для предупреждения смятия обсадной колонны замерзающей жидкостью в период восстановления мерзлоты после растепления стенок скважины.

Для цементационных работ следует предусматривать раствор с добавками хлоридов натрия и кальция, которые обеспечивают образование цементного камня нормального качества при температурах от -2 до -5 °C. Состав раствора должен уточняться в процессе работ путем постановки соответствующих контрольных опытов. Цемент для анализа должен быть взят из той же партии, которой будет производиться цементирование. Температура при опыте должна соответствовать наиболее низкой температуре, при которой будет происходить схватывание цемента за колонной. Для улучшения температурного режима в скважине следует нагревать промывочную жидкость до температуры от 20 до 30 °C и осуществлять подогрев ею затрубного пространства в период схватывания и твердения цементного раствора.

На черт. 33 показана водопонизительная система в период устройства с использованием двух групповых насосных станций и растворных узлов, причем каждая из насосных станций обеспечивает одновременную работу двух буровых установок. Таким образом, система защиты предусматривает применение следующих узлов: буровой установки без блока буровых насосов; групповой насосной станции; растворного узла.

В период эксплуатации откачиваемые из скважин во́ды предусматриваем подавать по трубопроводам к насосной станции перекачки, с помощью которой они подаются по напорным трубопроводам в накопитель. Перед сбросом откачиваемых вод в накопитель должна быть предусмотрена их очистка от вредных примесей.

В проекте следует предусмотреть под все временные сооружения (площадки буровых установок, групповые насосные и др.) двухметровую подсыпку, которая может быть выполнена из скальных пород вскрыши с щебеночным покрытием. Постоянные здания и сооружения (помещения трансформаторных подстанций, насосная станция перекачки) целесообразно проектировать на свайных основаниях с продуваемым подпольем.

Также необходимо предусмотреть осуществление ряда мероприятий, направленных на обеспечение безопасных условий при газопроявлениях. К наиболее опасным местам, где возможны скопления токсичных и взрывоопасных газов в период бурения скважин, относятся укрытия буровых установок и привышечных сооружений, укрытия циркуляционной системы, здания групповых насосных станций. Во всех этих помещениях должна быть установлена контрольно-измерительная аппаратура с систематическим замером содержания сероводорода и метана. На устье скважин следует предусматривать систему принудительной вентиляции.

В проекте необходимо исходить из следующего:

концентрация газов в атмосфере помещений и мест, прилегающих к устью скважин, не должна превышать по сероводороду 10 мг/м3, по метану от 0,5 до 2% в зависимости от вида работ. При больших концентрациях газов работы должны быть остановлены, а люди выведены из этих зон;

отвод промывочной жидкости и откачиваемой из скважин воды должен осуществляться в закрытых лотках (желобах) или трубах;

при подъеме бурового инструмента должен осуществляться долив раствора в скважину без снижения его уровня;

ведение работ с применением открытого огня, электросварки, газосварки и пайки, ремонтных и монтажных работ, связанных с нагреванием деталей оборудования и коммуникаций открытым огнем и т.д., разрешается выполнять при содержании метана менее 0,5%. В составе проекта должны быть определены также мероприятия по защите от пожаров и оказанию первой доврачебной помощи в случае отравления сероводородом.

Основное механо-технологическое оборудование и запорная арматура насосной станции перекачки должны быть приняты в химически стойком исполнении, а электрооборудование — во взрывозащищенном исполнении. В помещении машинного зала контрольно-измерительная аппаратура (КИА) должна быть со световой и звуковой сигнализацией при превышении содержания сероводорода в атмосфере помещения 10 мг/м3. Кроме рабочей, следует предусмотреть аварийную сигнализацию вентиляции машинного зала, обеспечивающую 8-кратный обмен воздуха в час.

Другие технические решения по системе защиты месторождения от подземных вод принимаются обычными для строительства промышленных объектов в районах Крайнего Севера.

Системы защиты подземных рудников

2.16. При проектировании систем защиты подземных рудников необходимо обеспечить охрану рудников от поверхностных водных объектов и водных объектов от вредного влияния подземных разработок.

Решение этих задач приобретает особую актуальность, когда происходит активная связь поверхностных водных объектов с подземными водами.

Пример 12. Месторождение бокситов расположено на склоне горного хребта; отметки поверхности колеблются от 150 до 195 м.

По поверхности протекает ряд речек.

Климат района резко континентальный с суровой затяжной зимой (до -52 °C) и коротким дождливым летом; годовые осадки — 480 мм.

Рудная пластообразная залежь простирается в меридиональном направлении по длине 25 км, при средней толщине рудных тел 6 — 7 м. Она залегает в толще известняков, с запада и востока контактирующих с туффитами, диоритами, песчаниками. Ширина полосы известняков от 2 — 3 км на юге, до 10 — 15 км на севере.

Известняки в различной мере закарстованы и трещиноваты, поглощают почти все выпадающие на территорию атмосферные осадки (за исключением некоторой части — испаряющейся) и значительную часть речного стока, временами достигающую 25 — 30 тыс. м3/ч. Некоторое питание известняки получают (при откачке из них) и из некарстующихся пород.

Месторождение эксплуатируется. Верхние горизонты месторождения разрабатывались открытым способом и мелкими шахтами, затем были применены наклонные стволы до глубины 250 — 300 м. Более глубокие горизонты вскрывались вертикальными стволами. Разработка велась в основном с обрушением кровли. На глубинах свыше 300 м частично применялась разработка с закладкой выработанного пространства. В качестве защиты применялось водопонижение с помощью основных горных выработок, самоизливающихся скважин, забуриваемых из них в различных направлениях в зависимости от гидрогеологической обстановки, и в последнее время с помощью водопонизительных скважин, забуриваемых с поверхности и оборудуемых скважинными насосами. Значительный эффект, в части уменьшения притока воды в выработки, получен на одном участке после изоляции (бетоном) русла речки, протекающей на этом участке.

Тем не менее при развитии горных работ притоки возросли до значительных размеров (свыше 10000 м3/ч).

В связи с необходимостью разработки глубже залегающих рудных тел, основываясь на опыте предыдущих лет, требуется определить эффективные способы защиты горных выработок (включая и шахтные стволы) для глубин свыше 500 м.

Глубокие горизонты вскрываются с помощью вертикальных стволов; разработка руды на глубине свыше 400 м производится с закладкой выработанного пространства.

Перед защитой ставятся следующие задачи:

обеспечить безопасные условия проходки горно-капитальных и подготовительных выработок;

полностью предотвратить или свести до минимума поступление воды в добычные забои.

Для решения поставленных задач предусматриваем:

принимая во внимание, что в лежачем боку известняков (на западе) залегают слабопроницаемые породы, все стволы следует располагать с этой западной стороны месторождения; в случае встречи при проходке стволов трещиноватых пород с повышенной проницаемостью, целесообразно применение цементации;

учитывая, что поглощение известняками речного стока в значительной мере определяет высокие притоки воды в выработки, первостепенной задачей является отвод рек с территории месторождений или гидроизоляции речных русел. Поскольку отвод рек практически невозможен из-за характера рельефа земной поверхности, предусматриваем гидроизоляцию русел путем устройства железобетонных каналов в сочетании с водохранилищами, сооружаемыми перед входом рек в карстовую область и предназначенными для регулирования расхода речного стока (черт. 25).

Черт. 25. Система защиты подземных выработок рудника

1 — закарстованные известняки; 2 — водоупорные диориты, туффиты, песчаники; 3 — тектонические нарушения; 4 — шахта; 5 — канализация рек I очереди; 6 — канализация рек II очереди; 7 — групповые установки водопонизительных скважин I очереди; 8 — групповые установки водопонизительных скважин II очереди

С целью сокращения инфильтрации атмосферных осадков осуществляется ликвидация на поверхности карстовых воронок, а на участках формирования временных водотоков (суходолов) — строительство железобетонных каналов.

В связи со значительной площадью распространения известняков и развитием депрессионной воронки на десятки километров притоки воды в шахты даже после выполнения гидротехнических работ по изоляции речных русел и временных водотоков останутся весьма значительными. Поэтому для перехвата потока подземных вод, формирующегося за пределами месторождений, предусматривается сооружение групповых систем водопонизительных скважин, закладываемых на флангах эксплуатируемой части бассейна. Эти системы состоят из водопонизительных скважин глубиной до 650 м, оборудуемых погружными насосами типа ЭЦВ 16-375-17Х, ЭЦВ 14-210-300Х и ЭЦВ 14-120-540. Для увеличения захватной способности из основных стволов некоторых водопонизительных скважин целесообразно бурить по 2 — 5 наклонных скважин длиной от 50 до 200 м. Заложению водопонизительных скважин должно предшествовать контрольно-разведочное бурение и геофизические исследования с целью выявления расположения зон повышенной водообильности в плане и разрезе.

Для осушения глубоких горизонтов возможна замена осуществляемых с поверхности групповых водопонизительных систем на южном, северном и северо-восточном флангах бассейна на подземные дренажные системы, включающие в себя специальные шахтные стволы, горизонтальные выработки, сквозные фильтры и наклонно восстающие самоизливающиеся скважины.

Кроме перечисленных внешних общебассейновых защитных сооружений и мероприятий, для каждого шахтного поля предусматриваем внутришахтные устройства и мероприятия:

специальные дренажные подземные горные выработки, направленные в зоны повышенной водообильности;

самоизливающиеся скважины, забуриваемые из основных и дренажных выработок (черт. 26);

опережающие скважины, применяемые при проходке горизонтальных выработок.

Черт. 26. Разрез 1-1 (см. черт. 25)

1 — закарстованные известняки; 2 — некарстующиеся водоупорные известняки; 3 — водоупорные диориты, туффиты, песчаники; 4 — рудная залежь; 5 — тектонические нарушения; 6 — самоизливающиеся скважины; 7 — шахтные стволы; 8 — горные выработки

Для своевременного принятия дополнительных мер и корректировки при необходимости проектных решений, как в пределах шахтных полей, так и в районе всего бассейна, должны быть предусмотрены наблюдательные скважины, гидропосты и другие устройства, намечаемые в соответствии с разд. 5.

Наряду с применением водопонижения, не исключая обязательной изоляции поверхностного стока, в проекте защиты должны быть рассмотрены варианты с применением противофильтрационных завес, ограждающих шахтное поле или выемочные участки от водообильных зон, а также варианты заполнения карстовых полостей и тампонажа трещиноватых пород глиноцементно-песчаными, глиноцементными и другими смесями и растворами.

2.17. При глубоком залегании полезного ископаемого и наличии над ним нескольких водоносных слоев, разобщенных выдержанными слоями водоупорных пород, необходимо прежде всего оценить степень разобщенности водоносных слоев и возможные изменения их гидравлической взаимосвязи в периоды строительства и эксплуатации месторождения.

Большое значение при этом рассмотрении будут иметь способ и система разработки полезного ископаемого. В частности, принимая подземный способ разработки и системы с закладкой выработанного пространства, можно свести к минимуму нарушения в покровной толще горных пород, а это позволит ограничить требования к системе защиты в период эксплуатации месторождения областью распространения лишь тех водоносных слоев, которые имеют достаточно активную гидравлическую связь с толщей, содержащей полезное ископаемое.

Пример 13. Богатые железные руды залегают среди кварцитов на глубине 480 — 590 м. Они образуют мощную (до 300 м) полосообразную в плане залежь с выступами кварцитов средней шириной 440 м клинообразного поперечного сечения. Висячий и лежачий бока рудной залежи представлены филлитовидными сланцами. На периферии развиты плагиограниты, серые граниты, гранодиориты, метапесчаники.

Богатые железные руды подразделяются на скальные, имеющие прочность на сжатие 10 — 60 МПа, и нескальные глиноподобные разновидности. Скальные околорудные породы в различной мере трещиноватые с временным сопротивлением сжатию 30 — 200 МПа. Кора выветривания скальных пород, представленная глиноподобными и глыбовощебеночными разновидностями развита на глубину 30 — 100 м от кровли массива.

На размытой поверхности дислоцированных и сильно выветрелых пород скального рудоносного массива залегает толща (до 550 м) осадочных образований, сложенная чередующимися водоносными (в различной мере водообильными) и водоупорными слоями. Водоносным является и неоднородный рудоносный скальный массив.

Сланцы и кварциты характеризуются слабой водообильностью, коэффициент фильтрации их в среднем составляет соответственно 0,014 и 0,003 м/сут.

Фильтрационные свойства богатых железных руд характеризуются коэффициентом фильтрации 0,04 — 0,18 м/сут; водоотдачей \mu_{g} = 0,03 - 0,15 ; напор над кровлей рудоносного массива составляет в среднем 460 м; подошва водоносных пород на глубине, превышающей 1000 м (от поверхности земли), при разведке не достигнута.

Непосредственно на кровле скального рудоносного массива залегают известняки. Средняя толщина слоя известняков 50 м: в надрудной части — 35 м, а в сторону к лежачему и висячему бокам увеличивается до 80 м (главным образом за счет понижения отметок подошвы слоя). Водообильность и проницаемость слоя известняков неоднородна и зависит от степени трещиноватости, закарстованности и наличия глинистых прослойков; значения коэффициента фильтрации слоя изменяются от 0,002 до 7,05 м/сут. В вертикальном разрезе более проницаемые разновидности приурочены к верхней и средней частям слоя; внизу они монолитнее и содержат большее количество сланцеватых глин и поэтому менее проницаемы. В плане наиболее проницаемые разновидности известняков приурочены к надрудной части слоя и к участку вдоль русла протекающей на поверхности реки. Установлена активная взаимосвязь вод известняков и рудоносного массива. Практически слой известняков и рудоносный скальный массив могут рассматриваться как единый комплекс, хотя и неоднородный по проницаемости; на черт. 27 показано, как может быть охарактеризована на территории распространения руды водообильность этого комплекса размером водопроводимости kh, м2/сут.

Черт. 27. Гидрогеологическая карта месторождения с наблюдательными скважинами опытно-производственного водопонижения

1 — горные выработки; 2 — контур рудного тела; 3 — границы различной водопроводимости; 4 — граница зоны расположения водопонизительных скважин; 5 — тектонический разлом; 6 — шахтные стволы; 7 — наблюдательные скважины в верхней толще; 8 — наблюдательные скважины в водоносных слоях над известняками; 9 — наблюдательные скважины в известняках; 10 — наблюдательные скважины в рудоносной толще

Над известняками залегают слои глин с прослойками и линзами песков и слои мелких песков с прослойками глин, составляющие в общем 60 — 80-метровую толщу, воды которой связаны с водами известняков и рудоносного массива. Коэффициент фильтрации песков 0,3 — 2,2 м/сут. Связь вод этих слоев с водами известняков и рудоносного массива в общем замедленная и неоднородная: там, где пески залегают непосредственно на известняках, гидравлическая связь несколько более активная, а с водами песков, залегающими среди глин и в верхних слоях, — весьма замедленная.

Выше залегает имеющий региональное распространение 30-метровый слой плотных, практически водоупорных глин. Этот пласт по существу отделяет все вышележащие водоносные породы от нижележащих, гидравлически связанных с рудоносной зоной, и является разделяющим слоем. 350 — 400-метровая толща над разделяющим слоем представлена: песчаниками с прослоями песков (k = 0,024 — 0,4 м/сут); разнозернистыми песками (k = 0,14 — 2,6 м/сут); меломергелями (k до 15,6 м/сут) с прослоями неводоносных водоупорных разновидностей; песками с линзами глин и песчаников; песчано-глинистыми породами и покровными суглинками.

При групповых откачках из известняков и рудоносной зоны и понижении уровня воды в них более чем на 100 м, уровни воды в слоях горных пород над разделяющим слоем не реагировали.

Таким образом, в районе месторождения можно выделить две отдельные, не взаимосвязанные водоносные толщи: верхнюю — над разделяющим слоем глин и нижнюю — под ними.

Богатые железные руды решено добывать подземным способом, что, собственно, в данных условиях является безальтернативным решением.

Следует отметить, что наличие разделяющего водоупорного слоя, разобщающего водоносные слои горных пород, является несколько облегчающим обстоятельством для подземной разработки богатых железных руд, но и при этом освоение такого месторождения сопряжено с огромными трудностями, причинами которых являются:

высокие напоры подземных вод: до 50 атм над кровлей руды и 60 атм над самым верхним добычным горизонтом;

залегание на кровле руды водообильного слоя известняков, воды которого имеют активную связь с водами рудоносной толщи и менее активную связь с водами песчано-глинистых пород, залегающих непосредственно на известняках;

содержание в толще известняков глинистых прослойков, затрудняющих осушение этого слоя;

неустойчивый характер мучнистых разновидностей руды, могущих при недостаточном осушении проявлять свойства плывунов и составляющих более 50% всех запасов богатых руд;

необходимость проходки почти половины горнокапитальных выработок в породах с малой прочностью R_{c} \leq 10\text{МПа} ;

водоносность верхней, хотя и отделенной толщи малоустойчивых пород, представляющей весьма серьезное осложнение для устройства глубоких шахтных стволов и водопонизительных скважин.

Поэтому принята система разработки, позволяющая ожидать минимальных нарушений в надрудной толще покровных отложений, но тем не менее не снимающая требования практически полного осушения в зоне разработок.

Решено разработку богатых железных руд вести слоями толщиной по 3 м с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. Вскрытие первоочередного участка намечено осуществить с помощью трех шахтных стволов со стороны лежачего бока рудоносной зоны, направленных к ней квершлагов и штреков, пройденных вдоль рудной залежи на глубине 600 м от поверхности земли; на 20 м выше проходятся вентиляционно-закладочные выработки, а ниже — через 60 — 80 м намечаются следующие добычные горизонты.

Требуется определить необходимую систему защиты горных выработок от подземных вод, позволяющую обеспечить:

безопасные условия ведения горных работ;

сохранность горно-капитальных выработок и предотвращение прорывов в них и в очистные выработки подземных вод и породы;

благоприятные условия работы горного и транспортного оборудования;

полное извлечение полезного ископаемого.

Учитывая все это, основные положения по защите горных выработок от подземных вод принимаем в следующем виде:

осуществить водопонижение в нижней водоносной толще;

проходку шахтных стволов в пределах всей покровной толщи и выветрелых пород скального массива, окружающего рудоносную зону (примерно на глубину 600 — 620 м) вести с применением замораживания горных пород, а на большей глубине — обычным способом и при необходимости — с применением цементации; при проектировании подготовительных выработок, часть из которых потребуется проводить по слабым породам, следует предусматривать применение цементации, а при необходимости и замораживание горных пород или щитовой способ проходки.

Водопонизительная система рудника должна обеспечить:

снятие напора подземных вод в толще известняков и в руде до кровли известняков к началу проходки верхних вентиляционно-закладочных горных выработок;

осушение известняков и снятие напора подземных вод в рудном теле до кровли руды к началу проходки выработок первого эксплуатационного горизонта;

осушение руды в пределах верхнего — первого, эксплуатационного горизонта — до начала очистных работ и в дальнейшем осушение руды с опережением добычных работ.

Для достижения вышеуказанных целей наиболее эффективна система защиты рудника от подземных вод, предусматривающая:

снижение напора в известняках и рудоносной толще с помощью водопонизительных скважин, устраиваемых с поверхности и оборудуемых погружными насосами;

осушение известняков с помощью вертикальных самоизливающихся скважин, забуриваемых из откаточных и вентиляционных выработок;

осушение рудного тела с помощью вертикальных, наклонных и горизонтальных самоизливающихся скважин, забуриваемых из выработок основных откаточных горизонтов.

Для первоочередного водопонижения в известняках и в рудоносной зоне предусматриваем систему водопонизительных скважин, оборудованных погружными насосами. Вследствие значительной неоднородности известняков и больших различий на отдельных участках их фильтрационных свойств было бы нецелесообразно применять в подобных условиях строго геометрические (контурные или линейные) схемы размещения водопонизительных устройств. На этом месторождении большего эффекта можно ожидать при групповом расположении скважин в зонах максимальной водообильности горных пород (черт. 28). Целесообразность применения групповых систем водопонизительных скважин, сосредоточенных в таких зонах, т.е. на участках шахтного поля с минимальным содержанием среди известняков глинистых пород, определяется еще и тем, что это позволит исключить осложнения, возникающие при бурении неустойчивых разновидностей глин.

Черт. 28. Расположение водопонизительных скважин для снижения напора в известняках и рудоносной толще

1 — руда; 2 — железистые кварциты; 3 — сланцы; 4 — тектонические разломы; 5 — горные выработки; 6 — водопонизительные скважины в надрудных известняках опытно-производственного водопонижения; 7 — водопонизительные скважины в рудоносной толще опытно-производственного водопонижения; 8 — дополнительные водопонизительные скважины первоочередного участка в надрудных известняках; 9 — дополнительные водопонизительные скважины первоочередного участка в рудоносной толще

Водопонизительные скважины в зависимости от требуемой производительности можно оборудовать погружными электронасосами типа ЭЦВ 14-120-540ХТрГ или ЭЦВ 12-63-520ХТрГ с номинальной производительностью, соответственно 120 и 63 м3/ч, но в дальнейшем для этого рудника должны быть выработаны оптимальные параметры требуемых насосов, и они должны быть специально заказаны.

Последующее осушение известняков и рудного тела будет осуществляться восстающими скважинами, забуриваемыми из подземных выработок.

В проекте рудника должно быть предусмотрено первоочередное строительство главных водоотливных комплексов у шахтных стволов, предшествующее проходке первых вскрывающих квершлагов и откаточных штреков в лежачем боку рудной залежи на глубине более 600 м. Строительство таких комплексов должно опережать развитие горных работ на вентиляционно-закладочном горизонте, расположенном на 90 м выше.

Для обеспечения безопасных условий проходки выработок вентиляционно-закладочного горизонта предусматриваем бурение с заглублением в известняки из квершлагов и откаточных выработок вертикальных самоизливающихся скважин глубиной 165 м. Скважины сооружаются из специальных камер, размеры которых выбираются из условия размещения буровой установки и технологической оснастки, обеспечивающих бурение скважин при гидростатическом напоре на устье 250 — 300 кПа. Из каждой камеры сооружается узел из 3 — 4 скважин (черт. 29, 30), ввод которых в эксплуатацию предусматривается после сооружения главных водоотливных установок.

Черт. 29. Подземные устройства водопонизительной системы

1 — рудная залежь; 2 — тектонические разломы; 3 — шахтные стволы; 4 — горные выработки с самоизливающимися скважинами первоочередного участка; 5 — дальнейшее развитие рудника; 6 — водоотливной комплекс

Черт. 30. Система водопонижения первоочередного участка. Разрез 1-1 (см. черт. 29)

1 — пески; 2 — пески глинистые; 3 — глина; 4 — глина песчаная; 5 — мел; 6 — мергель; 7 — песчаник; 8 — известняк; 9 — боксит; 10 — руда осадочная; 11 — каолинит; 12 — гидрослюдизированные платограниты; 13 — неизменные платограниты; 14 — гидрослюдизированные сланцы; 15 — сланцы; 16 — конгломераты и гравелиты; 17 — кварциты; 18 — руда; 19 — тектонические разломы; 20 — узел самоизливающихся скважин; 21 — шахтные стволы; 22 — водопонизительные скважины, оборудуемые насосами; 23 — непониженный уровень подземных вод; 24 — сниженный уровень подземных вод в нижней водоносной толще к началу проходки вентиляционно-закладочных выработок; 25 — сниженный уровень подземных вод к началу очистных работ; 26 — вентиляционно- закладочный горизонт; 27 — I добычной горизонт; 28 — II добычной горизонт

Для полного перехвата воды, перетекающей из известняков в рудоносную толщу, предусматриваем бурение также и из выработок вентиляционно-закладочного горизонта узлов наклонных и вертикальных самоизливающихся скважин. Узлы скважин предусматриваем на расстоянии примерно 50 м один от другого.

Для дальнейшего осушения руды предусматриваем сооружение выработок каждого последующего горизонта и выполнение из них по аналогичной схеме самоизливающихся скважин до начала очистных работ на вышележащем горизонте. Такое опережение позволит осушать рудную зону ниже горизонта добычи полезного ископаемого и создавать условия безопасного ведения горных работ.

В период эксплуатации рудника система защиты развивается по простиранию рудной залежи.

Приведенное решение системы защиты подземного рудника требует серьезного обоснования гидрогеологическими и технико-экономическими расчетами и сравнениями с другими возможными решениями. Необходимо также выполнить опытно-производственное глубокое водопонижение. В подобных условиях решение поставленных задач по защите рудника от подземных вод с помощью намеченных методов не может быть убедительно доказано на основе геолого-разведочных данных. Необходимо проверить в производственных условиях и уточнить конструкции водопонизительных скважин глубиной до 600 м и конечным диаметром 500 — 600 мм, а также технологию и необходимое оборудование для их осуществления; следует также испытать в конкретных эксплуатационных условиях имеющиеся отечественные и зарубежные насосы с подачей 60 — 200 м3/ч и напором до 550 м.

Кроме этого, необходимо получить ряд дополнительных данных, уточняющих гидрогеологическую характеристику водоносных слоев нижней толщи, и при глубоком понижении в ней уровня подземных вод (более 200 м) убедиться в действительной ее изоляции от верхних водоносных слоев, т.е. требуют уточнения:

расчетные гидрогеологические параметры основного водоносного комплекса (известняки — рудная зона);

гидравлическая взаимосвязь известняков с вышележащими водоносными слоями;

характер развития депрессии в слоях нижней водоносной толщи.

Для решения всех этих задач предусматриваем выполнить из числа намеченных водопонизительных скважин в первую очередь 10 — в известняках и 2 — в рудной зоне (см. черт. 28), а также примерно 90 наблюдательных скважин: 46 — в известняках, 16 — в рудоносной зоне, 22 — в водоносных слоях над известняками и 6 — в верхней толще (над разделяющим слоем глин), располагая все эти скважины на обширной территории (см. черт. 27).

Опытно-производственное водопонижение должно быть выполнено в период проходки шахтных стволов.

Пример 14. Шахтное поле месторождения бурого угля расположено на водоразделе двух небольших рек, отметки поверхности 200 м.

На глубине 50 м от поверхности залегает продуктивная пачка толщиной 5 — 6 м, состоящая из двух слоев угля, разделенных одно-, двухметровым слоем глин; в кровле и подошве углей также залегают глины, ниже глин, подстилающих угли, — водоносные известняки, выше, над глинами, образующими кровлю углей, — надугольные, также водоносные пески в виде нескольких слоев толщиной от 0,4 до 15 м, разделенных линзами и не имеющих сплошного распространения прослойками глин.

Надугольные пески прикрыты выдержанным слоем глин (толщиной не менее 5 м), над которыми чередуются слои известняков (толщиной 1 — 4 м), содержащие подземные воды, выше — до поверхности земли — залегают песчано-глинистые породы.

Воды в подстилающих известняках и в надугольных песках — напорные. Напор на подошву углей составляет 12 м, над их кровлей в надугольных песках — 12 — 20 м. В известняках, залегающих выше надугольных песков, подземные воды, как правило, безнапорные, столб воды над подошвой известняков — 2 - 4 м.

Требуется выбрать систему защиты горных выработок от подземных вод исходя из того, что шахтное поле нужно вскрыть двумя центральными вертикальными стволами глубиной 60 м, проходимыми с применением замораживания грунтов. Разработка угля намечена лавами, нарезаемыми от центра к границам шахтного поля.

Непосредственную угрозу при разработке углей представляют напорные воды в подстилающих известняках и воды надугольных песков. В этих водоносных слоях необходимо понизить уровень подземных вод: в подстилающих известняках следует понизить напор на 2 — 3 м ниже подошвы угля с таким расчетом, чтобы даже при аварийном отключении водопонизительной системы были исключены прорывы напорных вод в горные выработки снизу; в надугольных песках понижение уровня подземных вод должно быть практически полным.

В то же время в понижении уровня в известняках, залегающих выше надугольных песков, на этом шахтном поле нет необходимости. Это понижение было бы неэффективной мерой, так как полного осушения достигнуть не удалось бы; к тому же, столб воды над разделяющим слоем незначительный по сравнению с расположенной ниже осушаемой толщей (всего около 10% высоты, измеряемой от уровня воды над разделяющим слоем до кровли разрабатываемого пласта угля). В этом случае нарушения разделяющего слоя при посадке лав не повлекут значительного увеличения притока воды к водозаборным устройствам и не создадут опасности для горных выработок. Исключение составляют участки у стволов, пройденных с применением замораживания горных пород, так как при их проходке возможны значительные нарушения разделяющих слоев и после оттаивания горных пород — прорывы подземных вод в руддворы.

Поэтому на участках околоствольных выработок необходимо предусматривать дополнительные мероприятия, например, сброс воды из верхних известняков в подземные выработки или в поглощающие пласты.

В системе защиты шахтного поля предусматриваем (черт. 31):

водопонизительные скважины, оборудованные погружными насосами для снятия напора в подугольных известняках;

часто расположенные самоизливающиеся скважины, забуриваемые или выполняемые путем забивки фильтровых колонн в надугольные пески, из ниш в подземных горных выработках;

дополнительные водопоглощающие скважины в районе шахтных стволов, забуриваемые с поверхности и оборудованные фильтровыми звеньями в верхних и нижних известняках, что позволит значительно осушить верхние известняки и предотвратить опасность прорывов воды из них в околоствольные выработки.

Черт. 31. Водопонизительная система шахтного поля

а — лава; б — подготовительные выработки; в — околоствольный двор; 1 — суглинки; 2 — пески; 3 — глина; 4 — сланцы; 5 — уголь; 6 — известняк; 7 — уровень подземных вод в известняках надугольной толщи; 8 — непониженный уровень подземных вод в надугольных песках; 9 — пониженный уровень подземных вод в надугольных песках; 10 — непониженный уровень подземных вод в подугольных известняках; 11 — пониженный уровень подземных вод в подугольных известняках; 12 — шахтный ствол; 13 — водопонизительные скважины в подугольных известняках; 14 — водопоглощающие скважины; 15 — восстающие самоизливающиеся скважины, забуриваемые из ниш в горных выработках; 16 — горные выработки

2.18. К значительным затруднениям при подземной добыче полезного ископаемого приводит отсутствие в его кровле надежного водоупора и перекрытие нескальными водоносными породами. Необходимость осушения покровной толщи становится весьма актуальной, и требования к системе осушения в определенных условиях могут быть максимальными. Характерным является следующий пример.

Пример 15. Месторождение железной руды расположено в пределах слаборасчлененной равнины с отметками от 40 до 50 м от условного нуля реки, протекающей в 6 км южнее в широтном направлении. Климат района резко континентальный, сухой, с суровой продолжительной зимой и коротким жарким летом. Среднегодовое количество осадков 260 мм.

С поверхности залегает 100-метровая толща нескальных (частично полускальных) отложений, представленных супесями, суглинками и песками, глинами с прослойками песков, опоками и песчаниками, песками и глинистыми породами коры выветривания коренных скальных пород.

Рудоносная толща приурочена к комплексу скальных пород, залегающих на глубине 100 м от поверхности земли с общим падением на восток под углом от 55 до 85°.

В лежачем боку рудоносной толщи залегают туфы и туфобрекчии андезитовых порфиритов с прослоями андезитовых порфиритов и непосредственно контактирующие с рудными телами известняки, кавернозные и закарстованные.

Рудоносная толща сложена скарнированными и скаполитовыми породами и магнетитовыми рудами в виде расчлененных рудных тел, редких и мелких вверху и более крупных на глубинах 300 — 800 м, где сосредоточены основные запасы руды.

В висячем боку залегают туффиты, диабазовые порфириты, туфы и туфобрекчии андезитовых и базальтовых порфиритов.

В верхней части скальные породы разрушены и трещиноваты; в толще наблюдаются многочисленные субширотные и субмеридиональные тектонические нарушения скального массива.

Подземные воды верхней части покровной толщи (над опоками) пресные; они практически не связаны с минерализованными водами, заключенными в опоках, песчаниках и нижних песках, имеющими общее свободное зеркало ниже кровли опок. Водоносные породы верхней части покровной толщи маловодообильны и подстилаются не менее чем десятиметровым слоем (в среднем 20 м) глин.

Воды опок, песчаников и нижних песков имеют весьма отдаленную область питания, что обусловливает их высокую минерализацию, но при глубоком водопонижении они будут питаться из реки, и это обеспечит их стабильный приток к руднику. Уровень подземных вод в опоковой толще на отметке +10 м со свободным зеркалом, средний коэффициент фильтрации этих водоносных пород (опок, песчаников, песков), залегающих над глинистой корой выветривания k = 10 м/сут.

Воды рудоносной толщи в общем имеют напорный характер: верхним водоупором являются глины коры выветривания, но в них имеются «окна», в частности, над рудой (где пески непосредственно лежат на скальных породах), через которые осуществляется гидравлическая связь подземных вод обеих толщ. Породы палеозоя характеризуются большой трещиноватостью и в некоторой части существенной водообильностью; по фильтрационным свойствам выделяются три зоны: полоса известняков — k = 1 м/сут; рудная зона — k = 0,3 м/сут; вулканогенные породы — k = 0,1 м/сут.

В пределах толщи установлена вертикальная градация, связанная с уменьшением с глубиной трещиноватости и закарстованности:

от -55 до -65 м — зона скальных пород, затронутых выветриванием, с низкими фильтрационными свойствами, обусловленными кольматацией трещин (за исключением зон известняков); среднее значение k = 0,2 м/сут;

от -65 до -110 м — зона максимальной водообильности (наибольшее количество карстовых полостей, открытых трещин); среднее значение k = 0,7 м/сут;

от -110 до -175 м — зона пониженной водообильности; среднее значение k = 0,1 м/сут;

глубже -175 м — зона низкой водообильности.

Основные запасы руды, залегающей на глубине более 300 м, необходимо разработать подземным способом, в то же время недопустимо терять верхние, хотя и не очень крупные запасы руд, а их разработка открытым способом нерентабельна. Поэтому на первый план выдвигается проектное решение об освоении и эксплуатации всего месторождения на всю высоту подземным способом.

Рассмотрим защиту подземного рудника при разработке руды с обрушением налегающих и вмещающих пород. Рудник разбивается на этажи через 60 — 70 м. Горизонты подготовительных выработок определены: -140 м (вентиляционный), -200, -260, -330, -400 м и далее через 70 м.

Границы шахтного поля по простиранию — 2 км, по падению — 1 км.

По площади порядок отработки определен с юга на север, по вертикали — сверху вниз.

Вскрытие месторождения осуществляется со стороны лежачего бока двумя центральными стволами: главным и вспомогательным и двумя фланговыми стволами: южным и северным вентиляционными.

Очистные работы предусматриваются с применением, в основном, системы этажного принудительного обрушения (на рудных телах толщиной более 20 м) и системы подэтажных штреков (на рудных телах толщиной менее 20 м).

Применение указанных систем разработки полезного ископаемого представляется наиболее экономичным в данных условиях и облегчается тем, что крепость вмещающих пород выше, чем руды.

В подобных условиях принудительное обрушение пород может быть допущено лишь при условии полного осушения вовлекаемых в разработку и обрушение водоносных пород рудоносного комплекса и нижней части покровной толщи, включая надрудные пески, песчаники и опоки. Необходимости осушения самых верхних водоносных слоев в данных условиях не имеется — водоносность верхней части покровной толщи не представляет опасности при разработке руды подземным способом даже с обрушением налегающих и вмещающих пород.

Практически полного осушения водоносных пород, непосредственно залегающих на рудоносной толще в условиях, подобных рассматриваемым в настоящем примере, как показывает опыт, можно достигнуть с помощью внешних и внутрирудничных водопонизительных устройств. С помощью внешней кольцевой водопонизительной системы можно снизить напор подземных вод на удаленном расстоянии от рудника — на контуре системы и снизить градиенты напора и расход фильтрационного потока в сторону к внутрирудничным водопонизительным устройствам, предназначенным для ускорения сработки статических запасов подземных вод и в пространстве, ограниченном контуром внешней водопонизительной системы. Отбор воды следует осуществлять из надрудных песков и водоносных пород рудоносного комплекса.

Учитывая, что месторождение вскрывается четырьмя стволами и большим количеством подготовительных выработок, целесообразную систему защиты намечаем в следующем виде.

Вдоль контура зоны сдвижения горных пород на конец отработки месторождения предусматриваем кольцевую систему из подземных дренажных выработок и сквозных фильтров (черт. 32). Дренажные выработки предусматриваем из двух стволов (южного и северного вентиляционных) в подошве наиболее водообильной зоны палеозойских пород на горизонте -110 м. Внутри рудного контура предусматриваем систему забуриваемых с поверхности водопонизительных скважин, располагаемых вдоль подготовительных выработок на горизонтах -200 и -260 м и вентиляционной выработки на горизонте -140 м. Эти скважины вначале будут работать с насосами, а по мере готовности подготовительных выработок будут с ними сбиты и переоборудованы в сквозные фильтры. Кроме всех этих основных водопонизительных устройств, в проекте должны быть предусмотрены самоизливающиеся скважины, забуриваемые:

из дренажных штреков — восстающие на надрудные пески (черт. 33), располагаемые в промежутках между сквозными фильтрами;

из подготовительных выработок — опережающие забой — в направлении проходки, а также направленные на установленные разведкой зоны водообильных скальных пород (см. черт. 33);

из нарезных выработок — направленные в различные стороны в соответствии с местной гидрогеологической обстановкой для осушения разрабатываемых рудных тел и обрушаемых затем окружающих выработки пород (черт. 34).

Черт. 32. Общая схема системы осушения

1 — известняки; 2 — железные руды; 3 — диабазовые порфириты; 4 — андезитовые порфириты; 5 — вулканические брекчии; 6 — туфы и туфобрекчии; 7 — туфобрекчии андезитовых и базальтовых порфиритов; 8 — туффиты; 9 — участки, где надрудные пески залегают на скальных породах; 10 — линии тектонического нарушения; 11 — контур зоны сдвижения по поверхности подземного рудника; 12 — вентиляционные дренажные стволы; 13 — главный и вспомогательный шахтные стволы; 14 — дренажные выработки горизонта -110 м со сквозными фильтрами и восстающими скважинами; 15 — вентиляционные выработки горизонта -140 м с дренажными устройствами; 16 — подготовительные выработки горизонта -200 м с дренажными устройствами; 17 — подготовительные выработки горизонта -260 м с дренажными устройствами; 18 — центральная насосная станция горизонта -400 м; 19 — насосные станции горизонта -110 м

Черт. 33. Разрез 1-1 (см. черт. 41)

1 — супеси; 2 — опоки и опоковые глины; 3 — пески; 4 — глины; 5 — песчаники; 6 — кора выветривания палеозойских пород; 7 — порфириты; 8 — туфы и туфобрекчии; 9 — вулканические брекчии; 10 — туффиты; 11 — известняки; 12 — диабазовые порфириты; 13 — руды; 14 — тектонические нарушения; 15 — горные выработки с восстающими скважинами; 16 — уровень подземных вод в верхних песках; 17 — уровень подземных вод в надрудных песках и в руде; 18 — пониженный уровень подземных вод; 19 — шахтные стволы; 20 — сквозные фильтры

Черт. 34. Система самоизливающихся скважин вокруг камеры перед началом взрывов

1 — пониженные уровень подземных вод перед обрушением потолочины камеры; 2 — самоизливающиеся скважины; 3 — линия, отделяющая потолочину, обрушаемую во II очередь; 4 — перемычки; 5 — вентиляционные выработки; 6 — откаточные выработки; 7 — камера (очистное пространство); 8 — скважины для размещения взрывных веществ, используемые для стока воды из рудного тела

Должно быть предусмотрено также устройство вспомогательных перемычек, предотвращающих в случае прорывов воды и песчано-глинистых пород, поступление их на другие горизонты.

Подземные насосные станции целесообразно предусматривать: у каждого ствола, из которого ведется проходка дренажных штреков на горизонте -110 м, а у вспомогательного ствола — на горизонте -400 м — главную и при необходимости на других откаточных горизонтах — участковые.

Внутрирудничные устройства и мероприятия в период строительства рудника и в начальный период его эксплуатации играют важную роль и должны выполняться с повышенной интенсивностью. По мере осушения и сработки уровней в надрудных водоносных слоях — в песках, песчаниках, опоках и, соответственно, в рудной зоне, потребность во внутрирудничных средствах будет снижаться. Особенно это станет заметным после отработки верхних этажей, когда возрастет связь между водами надрудной и рудоносной толщ и усилится дренирующая роль самих подземных выработок.

Защита рудника от поверхностного стока на этом месторождении должна заключаться в устройстве нагорных канав, местных водотоков и в соответствующих планировочных работах на участках шахтных стволов, где поверхностные воды должны быть отведены от сооружений.

Порядок ввода в действие сооружений и устройств выбранной системы защиты, отвечающий требованиям п. 1.19 СНиП 2.06.14-85, следующий:

1. должны быть организованы и соответственно защищены от поверхностного стока площадки шахтных стволов, а затем должны быть выполнены и другие защитные от поверхностных вод мероприятия; поскольку стволы на этом месторождении целесообразно проходить с применением замораживания грунтов, то до начала проходки шахтных стволов должны быть выполнены необходимые льдопородные завесы; в первую очередь (причем, заблаговременно) должны быть пройдены три шахтных ствола, из которых будут проходиться подземные дренажные выработки, южный и северный вентиляционные и вспомогательный;

2. водопонизительные скважины следует вводить группами, равномерно распределенными по контуру площади территории рудника, из расчета:

для скважин внешней системы — на достижение понижения на контуре в надрудной и рудной толщах до глубины, на 5 — 7 м превышающей подошву песков — к началу очистных работ;

для скважин над подземными выработками рудника — на сработку к этому же сроку статических запасов подземных вод в надрудной толще, в контуре внешней системы;

учитывая срок строительства рудника до начала очистных работ (5 лет), а также необходимость некоторого времени на организацию строительной площадки и устройство водопонизительных скважин, контрольный срок продолжительности откачки для достижения требуемого понижения составит примерно 3 года; первые водопонизительные скважины на контуре потребуется вводить в действие с погружными насосами, в дальнейшем они могут выполняться сразу как сквозные фильтры;

поэтапность ввода водопонизительных скважин и последующих мероприятий позволит корректировать определенные расчетом объемы водопонизительных работ и, в частности, число водопонизительных скважин и расходы откачек;

3. в период проходки подготовительных выработок, которые следует вести одновременно на трех горизонтах: -140, -200 и -260 м (с опережением верхних горизонтов в зависимости от производственных возможностей) следует выполнять и вводить в действие самоизливающиеся скважины, забуриваемые из дренажных и подготовительных выработок; в проекте должна быть предусмотрена возможность переоборудования, при необходимости (с учетом требований п. 4), восстающих скважин, забуриваемых на пески и на руду в вакуумные, путем подключения к ним вакуумных установок типа УВВ или других для ускорения осушения песков и руды;

4. к моменту начала очистных работ может быть допущен разрыв уровней подземных вод в надрудных песках и рудоносной зоне, при этом уровень подземных вод в надрудных песках (над первоочередными камерами) не должен превышать их подошву свыше 5 — 7 м, а в рудной зоне перед взрывами должны быть осушены от гравитационной воды взрываемые руда и окружающие ее породы.

Остаточный уровень в надрудных песках (5 — 7 м) в данных условиях не представляет опасности: при взрывах порода разрыхляется, и то количество воды, которое попадет в выработанное пространство выше горизонта -140 м, лишь несколько повысит влажность заполнившей его породы, а со временем уровень подземных вод над рудой сработается полностью.

При проектировании следует рассматривать и другие возможные проектные решения, в частности, использование для контурной системы водопонизительных скважин, оборудованных насосами, взамен дренажных штреков со сквозными фильтрами, восстающими скважинами и подземными насосными станциями на горизонте -110 м.

3. ОРГАНИЗАЦИЯ ВНУТРИКАРЬЕРНОГО СТОКА И КАРЬЕРНЫЙ ВОДООТЛИВ

Общие положения

3.1 Организация внутрикарьерного стока преследует следующие цели:

а) предотвратить обычно сопутствующие неорганизованному стоку размыв и разрушение откосов карьера (разреза);

б) сократить инфильтрацию воды в горные породы и фильтрацию ее к водопонизительным устройствам или в сторону к откосам на более низких горизонтах;

в) создать условия, при которых попадающие в карьер воды не препятствуют эффективному ведению горных работ;

г) организовать централизованный водоотлив и сосредоточенный водоотвод, облегчающие дальнейшее удаление, использование или сброс рудничных вод в отведенное место.

3.2. Карьер (разрез) должен быть огражден нагорными канавами и, при необходимости, защитными дамбами для сведения к минимуму возможности попадания в него поверхностного стока с прилегающей территории и вод из поверхностных водоемов и водотоков 5%-ной обеспеченности.

3.3. Система организации внутрикарьерного стока и карьерного водоотлива в общем случае включает дождевую сеть, насосные станции с водосборниками, отдельные насосные установки с зумпфами, трубопроводы.

В некоторых случаях можно отводить воды из карьера или с части его уступов к местам сброса самотеком.

3.4 При проектировании организации внутрикарьерного стока и карьерного водоотлива должны быть учтены:

а) подземные воды, высачивающиеся в карьер (разрез), приток которых определяется на основании гидрогеологических расчетов (см. разд. 14);

б) утечки технологических, хозяйственных и бытовых вод в карьере (разрезе); размеры утечек принимаются по данным горной части проекта предприятия;

в) воды, образующиеся из атмосферных осадков, выпадающих на площадь, ограниченную защищающими карьер (разрез) нагорными канавами и дамбами; в случае отсутствия с одной из сторон выработки опасности проникновения в нее поверхностных вод и нет защитных ограждающих устройств, граница рассматриваемой площади на неогражденном участке карьера (разреза) принимается вдоль его бровки; величина расчетного карьерного стока, образующегося из атмосферных осадков, определяется расходами дождевых вод обеспеченностью, устанавливаемой для различных расчетных случаев в соответствии с рекомендациями пп. 3.5 - 3.7.

3.5. При проектировании дождевой сети расчетный приток дождевых вод следует определять методом предельных интенсивностей, исходя из периода однократного превышения расчетной интенсивности дождя, равного 5 годам, а для особо ответственных объектов или опасных в отношении устойчивости бортов выработок (в случаях, специально оговоренных в задании на проектирование) — 10 годам (см. п. 5.5 СНиП 2.06.14-85), что соответствует в первом случае — 20%-ной, а во втором — 10%-ной обеспеченности интенсивности дождя.

3.6. При проектировании главной (и участковой) насосной станции, согласно требованиям Единых правил безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом (п. 482), необходимо предусматривать подачу рабочих насосов, обеспечивающую откачку в течение не более 20 ч максимально ожидаемого суточного притока воды, который рекомендуется принимать с учетом вод по п. 3.4, а, б и притока дождевых вод, определяемого исходя из суточного слоя осадков при периоде его однократного превышения 0,33 года, а для особо ответственных объектов (см. п. 3.5) — 1 год.

3.7. При проектировании водосборников согласно п. 3.12 СНиП 2.06.14-85 должна быть обеспечена их вместимость (с использованием, по возможности, выработанного пространства) у главной и каждой участковой насосной станции, как правило, равная объему расчетного стока, который рекомендуется принимать за время 1 сут с учетом вод по п. 3.4, а, б и притока дождевых вод, определяемого исходя из суточного слоя осадков при периоде его однократного превышения 5 лет, а для особо ответственных объектов (см. п. 3.5) — 10 лет, за вычетом воды, откачиваемой за это же время (1 сут) насосной станцией; при невозможности выполнения этого требования в проекте должны быть предусмотрены необходимые мероприятия, позволяющие временное затопление нижних рабочих горизонтов, и водосборники вместимостью, равной не менее 3-часового нормального притока вод (по п. 3.4, а, б).

Предусматриваемые мероприятия (в основном, в части размещения оборудования систем и методов разработки) должны исключать возникновение существенных затруднений при производстве горных работ и допускать нормальную эксплуатацию карьера (разреза) и при дождях, превышающих расчетную интенсивность, а также при таянии снега. В необходимых случаях следует допускать откачку повышенных притоков карьерных вод не только рабочими, но и резервными насосами.

Расчет поверхностного стока в карьере

3.8. Расчетный приток дождевых вод q_{r} , л/с, к лоткам и канавкам на уступах карьера (разреза) по методу предельных интенсивностей следует определять по формуле

q_{r} = \frac{z_{mid}A^{1,2}F}{t_{r}^{1,2n - 0,1}} K , (1)

где z_{mid} — среднее значение коэффициента, характеризующего поверхность бассейна стока, которое рекомендуется определять как средневзвешенную величину исходя из значений z, приведенных в табл. 2;

A — параметр, определяемый по формуле

A = q_{20}20^{n}(1 + \frac{lgP}{lgm_{r}})\gamma , (2)

здесь q_{20} — интенсивность дождя, л/с на 1 га, для данной местности продолжительностью 20 мин при P = 1 год, определяемая по черт. 35;

n — показатель степени, определяемый по табл. 3;

P — период однократного превышения интенсивности дождя, принимаемый в соответствии с п. 3.5 и заданием на проектирование;

m_{r} — среднее число дождей за год, принимаемое по табл. 3;

\gamma — показатель степени, принимаемый по табл. 3;

F — расчетная площадь стока, га, принимаемая в соответствии с п. 3.4, в;

t_{r} — расчетная продолжительность дождя, равная продолжительности протекания дождевых вод по поверхности и водостокам до расчетного участка, мин, определяемая по формуле

t_{r} = t_{con} + t_{can} + t_{p} , (3)

t_{con} — продолжительность протекания дождевых вод до канавы на первом (верхнем) уступе, принимаемая равной 5 — 10 мин, а для канав на остальных уступах — 2 - 3 мин;

t_{can} — то же, по канавам до сбросной линии, мин, определяемая по формуле

t_{can} = 0,021 \frac{l_{can}}{v_{can}} , (4)

l_{can} — длина расчетного участка канавы от водораздела до сбросной линии, м;

v_{can} — расчетная скорость течения в канаве на участке, м/с;

t_{p} — продолжительность протекания дождевых вод по трубам сбросной линии до рассчитываемого сечения, мин, определяемая по формуле

t_{p} = 0,017 \frac{l_{p}}{v_{p}} , (5)

l_{p} — длина расчетного участка сбросной линии, м;

v_{p} — расчетная скорость течения на участке, м/с;

при t_{r} = 5\text{мин} в формулу (1) вводится поправочный коэффициент, равный 0,8;

K — коэффициент, учитывающий неравномерность выпадения дождя по площади и принимаемый по табл. 4.

Таблица 2

Примечание. Приведенные значения коэффициентов z и \psi_{mt} можно уточнять по местным условиям на основании соответствующих исследований.

Изолинии интенсивностей q_{20} (по данным ЛНИИ АКХ)

Черт. 35. Значения величин интенсивности дождя q_{20}

Таблица 3

Таблица 4

Пример 16. Определить расчетные расходы водоотводной канавы на участке B_{1}A , расположенной на первом (верхнем) уступе карьера, при средней скорости течения в канаве 0,70 м/с и сбросной линии АБ, отводящей воду из примыкающих к ней водоотводных канав (черт. 36) исходя из средней скорости воды в трубах 5 м/с. Карьер расположен в районе Курской обл.

Черт. 36. Участок борта карьера (к примеру 16)

1 — задернованная поверхность; 2 — обнажения в карьере поверхности песчаных пород; 3 — прочие породы; 4 — нагорная канава; 5 — водоотводные канавы; 6 — сбросная линия; 7 — водосбросной лоток на уровне скальных пород

Расчетная площадь стока для рассчитываемого участка водоотводной канавы от водораздельной точки B_{1} до сопряжения со сбросной линией в точке А слагается из территории между нагорной канавой и бровкой карьера с задернованной грунтовой поверхностью (3,5 га) и обнаженной в верхнем откосе поверхностью песчаных пород (0,5 га); длина расчетного участка канавы (от наиболее удаленной точки B_{1} до рассматриваемого сечения в точке А) составляет 350 м.

Расчетная площадь стока для рассчитываемого участка сбросной линии включает площадь одернованной территории между нагорной канавой и бровкой карьера на участке B_{1}B_{2} (между двумя водоразделами) и участка борта карьера между этими же водоразделами B_{1} и B_{2} , бровкой карьера и лотком на кровле скальных пород, представленного поверхностью песчаных пород (0,5 + 0,9 + 2,3 + 1,0 + 1,5 = 6,2 га) и поверхностью прочих пород (1,1 + 3,2 + 0,7 + 2,5 = 7,5 га); длина расчетного участка сбросной линии (от примыкающей водоотводной канавы на первом уступе до лотка на кровле скальных пород составляет 220 м).

Определяем среднее значение коэффициентов стока z_{mid} в зависимости от принимаемых по табл. 2 коэффициентов z, характеризующих поверхность стока:

для водосборной площади участка канавы

z_{mid} = \frac{0,038 \cdot 3,5 + 0,032 \cdot 0,5}{3,5 + 0,5} = 0,037 ;

для водосборной площади участка сбросной линии

z_{mid} = \frac{0,038 \cdot 6,65 + 0,032 \cdot 6,2 + 0,064 \cdot 7,5}{6,65 + 6,2 + 7,5} = 0,046 .

Принимаем продолжительность протекания дождевых вод до канавы на первом (верхнем) уступе, t_{con} , равной 10 мин.

Определяем по формуле (4) продолжительность протекания дождевых вод по канаве на первом (верхнем) уступе карьера от наиболее удаленной точки (точка B_{1} ) до сбросной линии при v_{can} = 0,7\text{м}/\text{с}

t_{can} = 0,021 \frac{350}{0,7} = 10,5\text{мин} .

Определяем по формуле (5) продолжительность протекания дождевых вод по трубам сбросной линии до лотка на кровле скальных пород (до точки Б) при v_{p} = 5\text{м}/\text{с}

t_{p} = 0,017 \frac{220}{5} = 0,75\text{мин} .

Продолжительность протекания дождевых вод до рассчитываемых сечений t_{p} определяем по формуле (3):

в точке А водоотводной канавы

t_{r} = 10 + 10,5 = 20,5\text{мин} ;

в точке Б сбросной линии

t_{r} = 10 + 10,5 + 0,75 = 21,25\text{мин} .

Определяем значения величин, входящих в формулу (2):

интенсивность дождя, л/с на 1 га, продолжительностью 20 мин при P = 1 год (q_{20}) для района Курской обл. находим по карте черт. 44: q_{20} = 90\text{л}/\text{с} ;

период однократного превышения расчетной интенсивности дождей, P, принимаем в соответствии с п. 3.5 - P = 5 лет;

показатели степени n и \gamma , среднее число дождей за год m_{r} , находим по табл. 3 как для района равнинных областей запада и центра Европейской части СССР: n = 0,71; \gamma = 1,54 ; m_{r} = 150 .

По формуле (2) определяем параметр A

A = 90 \cdot 20^{0,71}(1 + \frac{lg5}{lg150})^{1,54} = 90 \cdot 8,389 \cdot 1,536 = 1160 .

Определяем по формуле (1) расчетные расходы дождевых вод q_{r} в рассчитываемых сечениях, принимая согласно табл. 4 коэффициент K равным 1:

в точке А водоотводной канавы

q_{r} = \frac{0,037 \cdot 1160^{1,2} \cdot 4}{20,5^{1,2 \cdot 0,71 - 0,1}} = \frac{0,037 \cdot 4757 \cdot 4}{9,69} = 72,66\text{л}/\text{с} ;

в точке Б сбросной линии

q_{r} = \frac{0,046 \cdot 1160^{1,2} \cdot 20,35}{21,25^{1,2 \cdot 0,71 - 0,1}} = \frac{0,046 \cdot 4757 \cdot 20,35}{9,96} = 445,04\text{л}/\text{с} .

3.9 Суточный приток дождевых вод в карьер (разрез) Q_{p} , м3/сут, определяют по формуле

Q_{p} = 10K\psi_{mt}H_{p}F , (6)

где \psi_{mt} — среднее значение общего коэффициента суточного стока, вычисляемое как среднее взвешенное для расчетной площади по частным значениям \psi , приведенным в табл. 2, или определяемое по формуле

; (7)

H_{p} — слой суточных осадков при периоде его однократного превышения P, лет; значения H_{p} принимаются по данным ближайших метеостанций; при отсутствии данных метеостанций допускается принимать значения H_{p} при P = 5 годам и 10 годам по табл. 5, а для P = 0,33 года и P = 1 году вычислять по формуле

H_{p} = \mu_{p}H_{5} ; (8)

\mu_{p} = (\frac{1 + \frac{lgP}{lgm_{p}}}{1 + \frac{lg5}{lgm_{r}}})\gamma . (9)

Таблица 5

Значения \mu_{0,33} и \mu_{1} для различных районов СССР приведены в табл. 3.

Пример 17. Для карьера, расположенного в районе Самарканда, определить суммарные притоки поверхностных вод, необходимую подачу рабочих насосов карьерной насосной станции и требуемую вместимость водосборников. Приток в карьер подземных вод, фильтрующих в обход дренажных устройств — 400 м3/ч; потери бытовых и технологических вод в карьере — 100 м3/ч. Площадь водосбора F = 1000 га, 30% водосборной площади — вскрытые в карьере пески с общим коэффициентом стока \psi = 0,075 , для остальной части водосборной площади \psi = 1,15 .

В соответствии с п. 3.6 приток поверхностных вод для подбора оборудования насосной станции определяем из периода однократного превышения P = 0,33 года.

Значение коэффициента \mu_{0,33} находим по табл. 3, как для юга Казахстана, равнин Средней Азии и склонов гор высотой до 1500 м — \mu_{0,33} = 0,27 .

Слой осадков при P = 5 лет для района Самарканда согласно табл. 5 H_{5} = 33\text{мм} .

Расчетный слой осадков при P = 0,33 года определяем по формуле (8)

H_{0,33} = 0,27 \cdot 33 = 8,91 .

Коэффициент K, учитывающий неравномерность выпадения осадков по площади F = 1000 га, согласно табл. 4 K = 0,9.

Средний коэффициент стока

\psi_{mt} = 0,075 \cdot 0,3 + 0,15 \cdot 0,7 = 0,1275 .

Расчетный суточный сток дождевых вод в карьере для подбора оборудования насосной станции по формуле (6)

Q_{0,33} = 10 \cdot 0,9 \cdot 0,1275 \cdot 8,91 \cdot 1000 = 10224,2\text{м}^{3}/\text{сут} .

Суммарный расчетный суточный сток поверхностных вод в карьере:

\Sigma Q = 10224,2 + 400 \cdot 24 + 100 \cdot 24 \approx 22224\text{м}^{3} .

Необходимая подача рабочих насосов Q_{p} насосной станции:

Q_{p} = \frac{22224}{20} \approx 1110\text{м}^{3}/\text{ч} .

Расчетный суточный приток к карьеру для определения вместимости водосборников согласно п. 3.7 определяем по формуле (6) при P = 5 лет и суточном слое осадков (по табл. 5) H_{5} = 33\text{мм} :

Q_{5} = 10 \cdot 0,9 \cdot 0,1275 \cdot 33 \cdot 1000 = 37868\text{м}^{3}/\text{сут} .

Суммарный расчетный сток в карьере для расчета водосборников:

\Sigma Q = 37868 + 400 \cdot 24 + 100 \cdot 24 = 49868\text{м}^{3} .

Необходимая вместимость Q_{c} , м3, водосборника, принимая подачу рабочих и резервных насосов 1500 м3/ч, получим

Q_{c} = 49868 - 1500 \cdot 24 \approx 14000\text{м}^{3} .

Дождевая сеть

3.10. В составе дождевой сети следует предусматривать открытые канавы и лотки на бермах и по дну карьера, дождеприемники и сбросные линии — трубчатые или в виде быстротоков (черт. 37).

Черт. 37. Дождевая сеть в карьере

1 — канава для отвода поверхностных вод на постоянном борту; 2 — водосбросная труба; 3 — сбросные скважины; 4 — кювет на железнодорожном съезде; 5 — канава для отвода поверхностных вод на временном борту карьера; 6 — труба под железнодорожным съездом

В проекте следует предусматривать самотечный отвод воды по дождевой сети к внешним водоотводящим устройствам и далее к установленным местам сброса карьерных вод. При отсутствии такой возможности должен быть предусмотрен отвод воды по дождевой сети к водосборникам, откуда вода откачивается с помощью насосных станций.

На бермах прочных и неразмываемых пород допускается не предусматривать канав и лотков, если в них нет необходимости для отвода вод с вышележащих уступов и если неорганизованный сток поверхностных вод с этой части борта не может вызвать осложнений для разработки и транспортировки пород в карьере (разрезе).

Вид сечения, размеры и уклоны канав следует определять в соответствии с разд. 12.

3.11. Прием воды в сбросную линию из открытых канав дождевой сети следует осуществлять через дождеприемные колодцы (черт. 38), оборудованные решеткой для защиты сбросной линии от мусора.

Черт. 38. Сопряжение водоотводной канавы со сбросной линией

1 — дождеприемный колодец; 2 — водосбросная труба; 3 — канава с облицовкой

Открытые канавы, примыкающие к дождеприемному колодцу, следует устраивать с облицовкой по длине 2 — 5 м.

3.12. Сбросные линии для сброса воды из канав на уступах в сторону к карьерным водосборникам рекомендуется выполнять из труб (черт. 39) и располагать, как правило, по откосу нерабочего борта карьера, подлежащего длительной эксплуатации.

Черт. 39. Разрез по сбросной линии

1 — суглинки; 2 — мел; 3 — пески; 4 — глины; 5 — скальные породы; 6 — канава и дождеприемные колодцы; 7 — водосбросная труба; 8 — водосборник

Диаметр труб сбросных линий должен быть не менее 200 мм.

3.13. Скорость движения воды в трубах сбросных линий должна быть не менее 0,7 м/с и не более 10 м/с в металлических, 7 м/с — в неметаллических.

Гидравлический расчет труб сбросных линий следует выполнять при их полном расчетном наполнении.

Скорость движения воды в трубопроводе сбросной линии следует определять по формуле

, (10)

где g — ускорение силы тяжести, м/с2;

h — напор, равный разности уровней воды перед входом и выходом из трубопровода, м;

\xi — коэффициент местного сопротивления трубопровода сбросной линии, определяемый по табл. 6;

\lambda — коэффициент сопротивления трубопровода по длине, определяемый по формуле

, (11)

l — длина трубопровода, м;

d — диаметр трубопровода, м;

n — коэффициент шероховатости материала трубопровода, принимаемый для трубопровода из труб:

металлических — 0,013;

неметаллических — 0,014.

Таблица 6

Местное сопротивление	Схема	Значения коэффициента \xi
Вход в трубу без расширения		0,5
Плавно очерченный вход в трубу		0,1 — 0,2
Приемная сетка без клапана		2,0 — 3,0
Приемный клапан с сеткой		5,0 — 8,0
Обратный клапан		1,7
Колено с углом 90° (по нормальному сортаменту)		\xi_{\text{к}} = 0,5 - 0,6
Колено с углом \alpha		\frac{\alpha}{90°} \xi_{\text{к}}
Выход из трубы в резервуар или в канал под уровнем		1,0
Переход сужающийся (по нормальному сортаменту)		0,1
Переход расширяющийся (по нормальному сортаменту)		0,2
Тройник в направлении ответвления		1,5
Ответвление при косом тройнике		1,0
Ответвление при входе в магистраль		0,5
Магистраль при отсутствии расхода в ответвлении		0,1
Ответвление при соединении и разделении потоков		1,5

Пропускная способность трубопровода Q, м3/с, в рассчитываемом сечении определяется по формуле

Q = vw, (12)

где w — площадь сечения потока (трубопровода), м2.

Пример 18. Определить диаметр трубопровода сбросной линии исходя из необходимости пропуска по нему заданного расхода дождевых вод Q = 0,25 м3/с, напора h = 7 м и длины трубопровода l = 65 м. Трубопровод сооружается из неметаллических труб. На трубопроводе имеются следующие виды местных сопротивлений, коэффициенты которых принимаем по табл. 6:

вход в трубу без расширения — \xi_{1} = 0,5 ;

выход из трубы под уровень воды — \xi_{2} = 1,0 ;

два колена, каждое с углом \alpha = 15° — \xi_{3} = 0,1 .

Сумма коэффициентов местных сопротивлений трубопровода составляет

\Sigma\xi = 0,5 + 1 + 2·0,1 = 1,7 .

Принимаем диаметр трубопровода равным 0,3 м.

Для выбранного диаметра определяем по формуле (11) коэффициент сопротивления трубопровода по длине при n = 0,014:

.

Определяем по формуле (10) скорость движения воды в трубопроводе сбросной линии:

.

Пропускная способность трубопровода сбросной линии, определяемая по формуле (12), составляет:

Q = 3,52 \cdot \_\_\_\_ \frac{3,14 \cdot 0,3^{2}}{4} \_\_\_\_ = 0,249\text{м}^{3}/\text{с} .

Выбранный диаметр обеспечивает пропуск заданного расхода дождевых вод.

Водосборники и карьерные насосные станции

3.14. В проекте должна быть рассмотрена целесообразность организации водоотлива как с помощью насосных станций, располагаемых в карьере (разрезе), так и с помощью подземных насосных станций.

Применение вынесенных из карьера (разреза) подземных насосных станций удобно в эксплуатации, однако их применение требует значительных капитальных затрат.

Достоинства применения подземных насосных станций существенно проявляются, когда допускается значительная фильтрация в карьер (разрез) подземных вод, а также при разработке карьера (разреза) с использованием выработанного пространства для размещения внутренних стволов, что приводит к необходимости частого перемещения насосных станций в случае их расположения в открытой выработке.

Устройство подземных насосных станций для удаления карьерных вод также целесообразно в случаях, когда подземная дренажная система используется и для защиты горных выработок от подземных вод.

Однако организация водоотлива непосредственно из карьера требует меньших капитальных затрат и расхода энергетических ресурсов при эксплуатации.

3.15. Независимо от выбора метода удаления карьерных вод, не отведенных за пределы выработки самотеком, водосборники для их приема, как правило, следует предусматривать в карьере. При этом необходимо по возможности использовать выработанное пространство.

В случаях, когда по условиям залегания полезного ископаемого и принятой технологии горных работ затруднительно содержать в карьере водосборники значительной вместимости для приема поверхностного стока, допускается при надлежащем обосновании предусматривать в карьере лишь сравнительно небольшие емкости. Основные водосборники должны быть подземными, которые в таких случаях должны удовлетворять всем требованиям, предъявляемым как к подземным (см. разд. 4), так и к карьерным (см. п. 3.7) водосборникам.

3.16. При проектировании размещения водосборников в карьере следует исходить из условия залегания полезного ископаемого, погоризонтных притоков подземных и поверхностных вод, технологии горных работ, принятого способа удаления карьерных вод.

3.17. Сброс воды из карьерных водосборников и осветляющих емкостей в подземные выработки должен осуществляться сбросными скважинами, оборудованными задвижками и мерными устройствами, позволяющими регулировать объем воды, сбрасываемой в подземные выработки (черт. 40 и 41).

Черт. 40. Карьерный водосборник

1 — сбросные скважины; 2 — водосборник; 3 — дренажная выработка сквозная проветриваемая; 4 — плавучий земснаряд для чистки водосборника

Черт. 41. Сбросная скважина

1 — оголовок сбросной скважины с предохранительной сеткой; 2 — сбросная скважина; 3 — сальник; 4 — задвижка; 5 — выпуск из сбросной скважины; 6 — стальная пластина-гаситель; 7 — мерный водослив; 8 — дренажный штрек; 9 — водоотводная канава

Сбросные скважины в зависимости от пород, в которых они устраиваются, следует предусматривать с применением крепления обсадными трубами (в неустойчивых породах) или без применения крепления (в устойчивых породах). При применении крепления сбросных скважин обсадными трубами затрубное пространство, как правило, должно быть зацементировано на всю высоту скважин.

Гидравлический расчет сбросных скважин аналогичен расчету сбросных линий в карьере (см. п. 3.12).

3.18. При удалении воды из карьера (разреза) с помощью карьерных насосных станций размещение их и водосборников в неглубоких карьерах (разрезах), как правило, приурочивается к пониженным участкам дна карьера.

В сложных условиях выбирать схему карьерного водослива необходимо на основе соответствующего технико-экономического анализа.

В частности, при разработке глубоких карьеров без внутренних отвалов основных притоков подземных и поверхностных вод на верхних горизонтах целесообразно устройство главной насосной станции с водосборниками на относительно высоких отметках — в подошве водообильной зоны, а небольшие притоки с нижних горизонтов — перекачивать в водосборники главной насосной станции.

3.19. В случае быстрого образования в карьере постоянного борта в проекте можно предусматривать устройство стационарной главной насосной станции.

3.20. Максимальный уровень воды в водосборнике следует принимать на 0,5 м ниже поверхности уступа, на котором располагается насосная станция, а минимальный — в соответствии с допустимой высотой всасывания насосных агрегатов, установленных на станции; минимальный уровень воды должен быть выше дна водосборника не менее чем на 1 м.

Стенки водосборников, располагаемых в неустойчивых грунтах, следует укреплять фильтрующей обсыпкой или (при длительной эксплуатации) облицовкой монолитным или сборным бетоном или железобетоном.

Очистку водосборников следует предусматривать грязевыми насосами или землесосами.

3.21. Для карьерного водоотлива следует проектировать, как правило, незаглубленные насосные станции с установкой насосных агрегатов в один ряд с параллельным расположением их продольных осей.

3.22 При проектировании размещения насосных агрегатов в насосной необходимо учитывать следующие основные требования:

насосные агрегаты и вспомогательное оборудование должны размещаться таким образом, чтобы были обеспечены свободный доступ к ним, удобство и безопасность их обслуживания;

профилактический ремонт насосного агрегата должен производиться на месте при работающих соседних агрегатах;

компоновка оборудования должна осуществляться исходя из минимальной протяженности внутристанционных коммуникаций;

визуальное наблюдение за работающими агрегатами должно обеспечиваться с одного пункта (от щита управления).

3.23. При выборе типа насосов и определении числа рабочих агрегатов необходимо учитывать совместную работу насосов и трубопроводов, а также руководствоваться следующими соображениями:

число агрегатов в насосных станциях должно быть не менее двух;

необходимо устанавливать как можно меньше рабочих насосов, так как экономически выгодна установка крупных насосов, имеющих более высокие КПД, чем несколько средних и малых, и, кроме того, суммарная подача нескольких насосов при параллельной работе на общие трубопроводы всегда меньше, чем сумма их подач при раздельной работе на данную систему;

при длительной подаче насосы должны работать в области наивысших КПД, кратковременные расходы могут подаваться с более низким КПД;

целесообразно на насосных станциях устанавливать насосы одного типа, что обеспечивает их взаимозаменяемость и значительно упрощает их эксплуатацию;

число резервных насосов следует принимать при числе рабочих насосов до четырех — не менее одного, при числе рабочих насосов более четырех — не менее 25% числа рабочих насосов. При установке на станции разнотипных насосов резервные насосы следует принимать с характеристикой, соответствующей наибольшему насосу.

3.24. Для обеспечения свободного доступа к насосным агрегатам и безопасного их обслуживания следует предусматривать проходы шириной, м, не менее:

    между агрегатами                                        - 1,0;
      "   агрегатами и стенами помещения                    - 1,0;
    между неподвижными выступающими частями оборудования    - 0,7;
    между агрегатами и электрораспределительным щитом       - 2,0.

Насосы с неразъемным корпусом по горизонтальной плоскости, у которых вал с рабочим колесом при демонтаже выдвигается наружу по направлению оси насоса, следует устанавливать на расстоянии от стен или других агрегатов не менее чем на длину вала насоса плюс 0,25 м (но не менее 0,8 м). Такое же расстояние должно быть установлено и для удобства демонтажа электродвигателей с горизонтальным валом.

В насосных станциях, оборудованных насосными агрегатами с диаметром нагнетательного патрубка до 100 мм включ., допускается установка агрегатов у стен или на кронштейнах на стенах машинного зала, а также на одном фундаменте без прохода между ними, но с проходом вокруг них шириной не менее 0,7 м.

Щиты и пульты управления насосными агрегатами и задвижками следует, как правило, располагать на балконах или на площадках вдоль стен.

3.25. Для монтажа, ремонта и демонтажа технологического оборудования, арматуры и трубопроводов в помещении машинного зала стационарных насосных станций следует предусматривать следующее подъемно-транспортное оборудование с ручным приводом при массе узлов, т:

до 1 (включ.) — кошку и таль по монорельсу

св. 1 до 5 — подвесную кран-балку.

Для перемещения оборудования и арматуры массой до 0,3 т допускается применение такелажных средств.

3.26. В помещении машинного зала с крановым оборудованием следует предусматривать монтажную площадку, располагаемую обычно в торце здания насосной станции на уровне поверхности земли.

Доставку оборудования и арматуры на монтажную площадку следует производить такелажными средствами или талью на монорельсе, выходящем из здания, а в обоснованных случаях — транспортными средствами.

Размеры монтажной площадки в плане определяются габаритами оборудования и транспортных средств, а также расстоянием максимального приближения крюка грузоподъемного механизма к боковым и торцевым стенам.

Вокруг оборудования и транспортных средств, устанавливаемых на монтажной площадке в зоне обслуживания кранового оборудования, должен быть обеспечен проход шириной не менее 0,7 м.

3.27. Высоту помещения, оборудованного стационарными грузоподъемными механизмами, следует определять в соответствии с правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов.

При отсутствии грузоподъемных механизмов высоту помещений следует принимать согласно СНиП 2.09.02-85.

Размеры ворот или дверей следует определять исходя из габаритных размеров оборудования или транспортного средства с грузом.

3.28. Насосные агрегаты, как правило, должны устанавливаться на фундаменты, размеры которых определяются по заводским установочным чертежам. Высоту фундамента над уровнем чистого пола машинного зала следует назначать в зависимости от удобства монтажа всасывающих и напорных трубопроводов, но не менее 150 — 200 мм. Ширину и длину фундамента следует принимать на 100 — 150 мм больше ширины и длины плиты или рамы, на которой монтируется насос с приводным электродвигателем.

Для удаления воды от мытья полов и аварийных разливов полу машинного зала следует придавать уклон к водоотводному лотку, отводящему воду в сборный приямок.

3.29. На насосных станциях карьерного водоотлива всасывающие трубопроводы, как правило, следует подводить отдельно к каждому насосу. Устройство самостоятельной всасывающей линии для каждого насоса улучшает гидравлические условия работы насоса на всасывание, исключает влияние соседних насосов и значительно упрощает систему коммуникаций.

Для уменьшения потерь всасывающий трубопровод должен быть меньшей длины и иметь минимальное число фасонных частей.

Во избежание образования воздушных мешков всасывающий трубопровод следует прокладывать с подъемом в сторону насоса (уклон не менее 0,005).

По этой же причине при переходе с одного диаметра на другой на горизонтальных участках трубопровода следует применять переходы с горизонтальной верхней образующей (косые переходы).

Диаметр всасывающих трубопроводов следует назначать исходя из скорости движения воды в них 0,7 — 1,5 м/с.

3.30. Диаметр напорных трубопроводов в пределах насосной станции следует назначать в зависимости от скорости движения воды в них, принимаемой 1,2 — 2 м/с, а на коротких участках — до 3 м/с.

Напорная линия каждого насоса должна быть оборудована запорной арматурой и, как правило, обратным клапаном, устанавливаемым между напорным патрубком насоса и запорной арматурой.

3.31. Размещение запорной арматуры на внутристанционных коммуникациях должно обеспечивать возможность замены или ремонта любого из насосов, обратных клапанов и основной запорной арматуры с обеспечением непрерывной требуемой подачи работающими насосами.

При установке монтажных вставок их следует размещать между запорной арматурой и обратным клапаном.

3.32. Трубопроводы внутри насосной станции должны выполняться, как правило, из стальных труб, соединяемых на сварке с применением фланцев для присоединения к арматуре и насосам, и прокладываться таким образом, чтобы они были доступны для осмотра и ремонта, а в местах соединений с арматурой должна быть обеспечена возможность свободной сборки и разборки.

Укладку трубопроводов следует предусматривать, как правило, над поверхностью пола (на опорах или кронштейнах) с устройством над ними мостиков, которые могут быть также использованы для установки вспомогательного электротехнического оборудования и подвески кабелей. Допускается укладка трубопроводов ниже уровня пола в каналах, перекрываемых съемными плитами. Размеры каналов должны обеспечивать возможность монтажа и демонтажа отдельных участков трубопроводов, а в местах установки фланцевой арматуры следует предусматривать уширения каналов.

3.33. Всасывающие и напорные коллекторы с запорной арматурой следует располагать в здании насосной станции, если это не вызывает увеличения размеров здания.

3.34. Задвижки (затворы) на трубопроводах любого диаметра при дистанционном или автоматическом управлении должны быть с электроприводом. Допускается применение пневматического, гидравлического или электромагнитного привода.

При отсутствии дистанционного или автоматического управления запорную арматуру диаметром 400 мм и менее следует предусматривать с ручным приводом, диаметром свыше 400 мм — с электрическим или гидравлическим приводом; в отдельных случаях при обосновании допускается установка арматуры диаметром свыше 400 мм с ручным приводам.

3.35. При откачке воды, обладающей повышенной кислотностью (pH <= 5), в насосных станциях необходимо предусматривать установку насосов, арматуры и трубопроводов, изготовленных из кислотоупорных материалов.

3.36 В насосных станциях следует предусматривать заливку насосов одним из следующих способов:

из напорного трубопровода с установкой на всасывающем трубопроводе приемного клапана с сеткой;

отсасыванием воздуха эжектором, присоединенным к самой верхней части корпуса насоса (с использованием воды из напорного трубопровода);

отсасыванием воздуха вакуум-насосом;

установкой заливного насоса.

3.37. Для обеспечения нормальной эксплуатации основного оборудования насосных станций следует предусматривать установку контрольно-измерительной аппаратуры. Состав приборов, их типы, места установок должны определяться в зависимости от основного оборудования станции, характера ее работы и принятой системы управления (автоматическое, диспетчерское, местное). Число приборов должно быть минимальным, но достаточным для управления и контроля.

Устанавливаемая в насосных станциях аппаратура должна контролировать давление в напорных трубопроводах и у каждого насосного агрегата, расходы воды в напорных трубопроводах, температуру подшипников агрегатов (при необходимости), уровень воды в водосборнике.

3.38. Насосные станции следует проектировать, как правило, с управлением без постоянного присутствия обслуживающего персонала: автоматическим — в зависимости от технологических параметров (уровня воды в водосборнике, давления или расхода воды в напорных трубопроводах); дистанционным (телемеханическим) — из пункта управления; местным — периодически присутствующим персоналом с передачей необходимых сигналов на пункт управления или пункт с постоянным присутствием обслуживающего персонала.

При автоматическом или дистанционном (телемеханическом) управлении необходимо предусматривать также местное управление.

На автоматизированных насосных станциях следует предусматривать:

дистанционное или автоматическое включение и отключение рабочих насосов в зависимости от уровня воды в водосборнике;

автоматическое включение резервных насосов при аварии рабочих насосов;

автоматическую заливку насосов;

аварийную, звуковую и световую сигнализацию на щите управления;

автоматический контроль температуры подшипников в соответствии с требованиями завода-изготовителя насосов;

автоматический контроль подачи насосов.

Для передвижных насосных станций и насосных установок, не имеющих линий связи, следует, как правило, предусматривать автоматическое управление насосами и аварийную сигнализацию с помощью звукового или светового сигналов, устанавливаемых снаружи помещения.

3.39. В помещении машинного зала насосной станции следует предусматривать устройство приточно-вытяжной вентиляции. При избыточном выделении тепла от двигателей количество подаваемого воздуха определяется расчетом. При отсутствии избытков тепла принимается однократный обмен воздуха.

3.40. Объемно-планировочные и конструктивные решения зданий насосных станций надлежит принимать согласно СНиП 2.09.02-85 и СНиП 2.01.02-85.

3.41. Число напорных трубопроводов от насосной станции следует, как правило, принимать не менее двух. Допускается предусматривать один трубопровод от участковых и вспомогательных насосных станций, а также от главной насосной станции, перекачивающей воду из карьера, в котором допускается подтопление нижних горизонтов.

Проектирование напорных трубопроводов от насосной станции следует осуществлять в соответствии с указаниями разд. 12.

3.42. Передвижные насосные станции целесообразно комплектовать из инвентарных насосных станций с одним (черт. 42) или двумя (черт. 43) насосными агрегатами, смонтированными в вагоне на салазках.

Черт. 42. Передвижная насосная установка с одним насосом ЦНС 300-120

1 — насос; 2 — электродвигатель; 3 — плита фундаментная; 4 — бак заливочный с подставкой; 5 — здание насосной на полозьях; 6 — клапан обратный поворотный; 7 — вентиль; 8 — рукав; 9 — деревянная подкладка; 10 — клапан обратный приемный

Черт. 43. Передвижная водоотливная установка на два насоса

1 — насос заливочный; 2 — всасывающий трубопровод; 3 — электродвигатель; 4 — насос ЦНС 180-128; 5 — напорный трубопровод; 6 — задвижка; 7 — сбросной трубопровод; 8 — напорный трубопровод заливочного насоса; 9 — всасывающий трубопровод заливочного насоса; 10 — таль с ручным приводом

На черт. 44 приведена схема передвижной водоотливной установки, составленной из двух вагонов с двумя насосными агрегатами в каждом.

а)

б)

Черт. 44. Карьерная насосная станция из двух передвижных насосных установок

а — план; б — гидравлическая схема; 1 — насосная установка; 2 — трубопроводы

3.43. При необходимости устройства глубоких водосборников рекомендуется устраивать плавучие насосные станции на понтонах или поплавках (черт. 45).

Черт. 45. Плавучая насосная станция

1 — понтон; 2 — насосный агрегат; 3 — вакуум-насос; 4 — рама опорная; 5 — задвижка; 6 — клапан обратный; 7 — навес; 8 — опора; 9 — шарнирное соединение; 10 — опора береговая; 11 — мостик переходной; 12 — клапан обратный приемный

3.44. В проекте следует предусматривать также вспомогательные передвижные (черт. 46) или переносные насосные агрегаты для откачки воды из локальных пониженных участков карьера.

Черт. 46. Передвижной насосный агрегат

1 — бак вместимостью 0,1 м3; 2 — агрегат электронасосный 3К-64; 3 — салазки; 4 — кронштейн; 5 — напорный трубопровод

4. ПОДЗЕМНЫЕ ДРЕНАЖНЫЕ ВЫРАБОТКИ, ШАХТНЫЙ ВОДООТЛИВ

Общие положения

4.1. Подземные дренажные выработки можно предусматривать в системах защиты горных предприятий, как при подземной, так и при открытой разработке полезного ископаемого.

4.2. При проектировании защиты подземного горного предприятия (шахты, рудника) следует предусматривать использование основных горных выработок в качестве дренажных. В них необходимо предусматривать водоотводные канавки, все необходимые подземные устройства (насосные станции, водосборники и др.) для надлежащей организации шахтного водоотлива или самотечный сброс рудничных вод через штольни.

Во многих случаях дренирующего действия основных выработок и соответствующего шахтного водоотлива достаточно для бесперебойного ведения горных работ. В противных случаях следует предусматривать забуривание из специальных камер различного вида водопонизительных скважин, устройство сквозных фильтров и, при необходимости, специальных дренажных выработок (как показано в примерах 3, 5, 15).

4.3. При проектировании защиты карьера (разреза) с внешней дренажной системой следует учитывать, что подземные дренажные выработки весьма эффективны в отборе воды из трещиноватых скальных пород. Их эффективность может быть повышена, а возможности использования расширены и на водопонижение в нескальных породах в сочетании с водопонизительными скважинами (см. п. 4.2).

Кроме этого, применение подземных дренажных выработок позволяет создать систему централизованного водоотлива как дренажных, так и всех собирающихся в карьере поверхностных вод с помощью средств и устройств, расположенных вне карьера, что создает благоприятные условия для ведения горных работ наиболее эффективными методами.

4.4. При открытых разработках полезного ископаемого допускается рассматривать подземную дренажную систему вместе с шахтными стволами (или штольнями) как самостоятельную административно-производственную единицу, получившую название дренажная шахта.

В проекте следует предусматривать возможность приема в выработки дренажной шахты как подземных вод, так и всего карьерного поверхностного стока.

Дренажная шахта может быть выделена и на подземном горном предприятии, если проектом предусматривается обособленная дренажная система (см. пример 15, в котором для подземного рудника предусмотрена внешняя кольцевая дренажная система).

4.5 В общем случае для строительства и нормальной эксплуатации подземной дренажной системы необходимы:

линейные и контурные, как правило, горизонтальные (практически с небольшим уклоном) дренажные выработки с ходками и камерами для водопонизительных скважин (см. п. 4.2);

водосборники и зумпфы;

насосные станции с комплексом вспомогательных выработок (коллекторов, приемных колодцев, трубных ходков и др.);

электровозные депо, аккумуляторные, электроподстанции;

герметические перемычки с дверями и трубами;

скважины (и восстающие) для трубопроводов и шахтные стволы или штольни.

4.6. Дренажные системы должны иметь не менее двух выходов на дневную поверхность и вентиляцию, обеспечивающую полную безопасность работающих от воздействий вредных газов.

При открытой разработке месторождения необходимо предусматривать нагнетательное проветривание. При этом проветривание главных насосных станций следует предусматривать свежей (входящей) струей воздуха, и поэтому главные насосные станции должны быть расположены у тех стволов, через которые подается воздух.

Вентиляция выработок, в которые поступает вода из карьера через сбросные скважины, должна быть проточной, т.е. выработки, в которых устраиваются для сбросных скважин ниши, не могут быть тупиковыми, и их следует проектировать со сквозным сообщением с вентиляционным стволом. Длина тупиковой ниши для сбросной скважины должна быть не более 10 м.

4.7. Для дренажной системы могут быть использованы шахтные стволы (или штольни) горного предприятия, если они предусмотрены в горной части проекта и проходка из них, а затем и эксплуатация дренажных выработок не внесут осложнений в технологию основных работ. Те же требования предъявляются к проектированию камер (электровозное депо, аккумуляторная и др.).

Если же для подземной дренажной системы предусматривается самостоятельное сообщение с поверхностью, то в проекте необходимо рассмотреть различные варианты выходов: один ствол и второй выход в карьер; два (или несколько) ствола с различных сторон дренажной системы — фланговое расположение; два ствола в центре (с одной стороны) дренажной системы (центральное расположение) с применением спаренных дренажных штреков.

Выбор должен быть сделан на основе всестороннего технико-экономического сравнения вариантов. При этом следует учитывать:

стоимость сооружения, условия проходки и эксплуатации системы, сроки ввода ее в действие.

4.8. Шахтные стволы и штольни дренажных систем должны иметь сечение, позволяющее передвижение людей, транспортировку породы и необходимого проходческого и эксплуатационного оборудования, размещение, монтаж, демонтаж и ремонт водоотливных и вентиляционных трубопроводов и кабелей. Оборудование, отвечающее требованиям единых правил безопасности, должно быть надежно закреплено соответственно сроку службы и армировано.

4.9. Все горные выработки, подземные сооружения и установки дренажных систем и шахтного водоотлива должны отвечать требованиям СНиП II-94-80 и их следует предусматривать с учетом типовых решений и государственных стандартов.

4.10. Водоотливные установки шахтного водоотлива должны быть оборудованы аппаратурой автоматизации, контроля и дистанционного управления, обеспечивающей нормальную работу без постоянного присутствия обслуживающего персонала.

На водоотливных установках с автоматическим управлением разрешается работать с постоянно открытыми неуправляемыми задвижками.

При ожидаемом химическом составе откачиваемых вод с показателем pH <= 5 в проекте следует предусматривать насосы, арматуру и трубопроводы в кислотоупорном исполнении.

4.11. При проектировании подземных дренажных выработок и шахтного водоотлива необходимо иметь данные, позволяющие определить размеры нормального и максимального притоков вод; в проекте должны быть приведены прогнозы: изменения притоков подземных вод в паводковые периоды; возможных изменений проницаемости пород в результате действия дренажа; потери технологических и бытовых вод в горных выработках; химический состав шахтных вод.

В определенных случаях, в частности, при проведении подземных выработок в трещиноватых и закарстованных породах, связанных с поверхностными водами, а также в дренажных шахтах карьеров максимальные притоки могут существенно превышать нормальные притоки. В таких условиях прогнозы максимальных притоков приобретают особую актуальность, и они могут стать определяющими при проектировании подземных водоотливных установок.

4.12. Прогнозы изменения притоков вод в паводковые периоды следует выполнять на основании данных изысканий и режимных наблюдений, выполнявшихся в период, предшествующий проекту, анализа материалов наблюдений ближайших метеостанций и постов, а также по данным аналогов — разработок полезных ископаемых в сходных условиях.

Данные о потерях технологических и бытовых вод принимаются по материалам горной части проекта предприятия.

Приток подземных вод определяется по результатам гидрогеологических расчетов (см. ч. IV).

Дренажные выработки

4.13. Подземные дренажные выработки имеют целью максимально возможный перехват воды из соприкасающихся с ними водоносных пород, зон тектонических нарушений, карстовых зон и из выработанного пространства, заполненного обрушенными породами. Такие выработки также служат для приема и отвода к подземным насосным станциям или через штольни в самотечную водоотводящую сеть воды из скважин, забуриваемых с поверхности, из карьеров и из самих дренажных выработок.

По своему назначению и характеру работы подземные дренажные выработки представляют собой галерейный дренаж. Однако вследствие специфических особенностей горных предприятий, соответствующей их оснащенности горнопроходческим оборудованием и расположения дренажных выработок (обычно на значительной глубине), они имеют существенные конструктивные отличия от галерейных дренажей, применяемых в промышленном и гражданском строительстве (см. ч. III, разд. 11). В то же время в соответствующих условиях различные виды галерейных дренажей возможно предусматривать в разных областях строительства (т.е. и на предприятиях или в гражданском строительстве возможно применение подземных дренажных выработок, применяемых на горных предприятиях, а на горных предприятиях возможно использование дренажных галерей, аналогичных приведенным в разд. 11).

4.14. В крепких породах следует предусматривать дренажные выработки без крепления (черт. 47, а, б). При необходимости в креплении дренажных выработок, его следует предусматривать водопроницаемым: из деревянных окладов (черт. 47, в), из стальных опорных элементов с дощатой забиркой (черт. 47, г), из сборных железобетонных элементов (черт. 47, д) и др. Как правило, не следует использовать те виды крепления, которые могут препятствовать поступлению воды в дренажную систему (например, сплошное бетонное или железобетонное крепление). При необходимости в таком креплении следует предусматривать за крепью дренажную засыпку и выпуск из нее воды в выработку через отверстия в обделке (черт. 47, е) или через специальные окна с сетками.

На участке водонепроницаемых пород допускается применять сплошное бетонное или железобетонное крепление, а также торкретбетонную обделку с анкерами (черт. 47, ж, з).

Черт. 47. Сечения дренажных выработок

а — однопутной без крепления; б — двухпутной без крепления; в — с деревянным креплением; г — с металлическим креплением; д — со сборным железобетонным креплением; е — с бетонным креплением с отверстиями; ж — с торкретбетонным креплением с анкерами; з — сбоечная выработка с торкретбетонным креплением с анкерами; 1 — водоотводная канавка; 2 — дерево; 3 — забирка; 4 — металлическая крепь; 5 — пустотелые стойки; 6 — металлический верхняк; 7 — распорки; 8 — железобетонные плиты; 9 — дренажная засыпка; 10 — отверстия; 11 — торкретбетон; 12 — анкера

4.15. Выбор размеров и формы сечения дренажных выработок следует производить соответственно характеру горных пород, в которых выработки проходятся, с учетом необходимости размещения требуемых канавок, кабелей, вентиляционных трубопроводов, наличного горнопроходческого оборудования, объемов работ, требуемых сроков ввода в действие подземного дренажа, проектируемой продолжительности его эксплуатации и др. Размеры и формы дренажных выработок, приведенные на черт. 47, следует рассматривать как примерные.

4.16. Водоотводные канавки в дренажных выработках, а также в подготовительных и других протяженных подземных горных выработках, каптирующих подземные, технологические, бытовые, хозяйственные и другие воды, допускается предусматривать в соответствии с гидравлическим расчетом (см. разд. 12).

4.17. В трещиноватых закарстованных высоководообильных породах, когда ожидаются весьма значительные притоки воды, следует рассматривать целесообразность устройства спаренных дренажных выработок на разных уровнях с тем, чтобы нижняя выработка служила одновременно водосборником. Обе выработки должны быть соединены сбойками и иметь (учитывая их уклон) такую разность отметок, при которой вода по сбойкам поступала бы в верхнюю выработку лишь после полного заполнения нижней выработки.

В проекте должна быть предусмотрена возможность подтопления и верхних выработок (а также и системы неспаренных одиночных дренажных выработок) в случаях внезапных прорывов или при длительных повышенных притоках. Для этого дренажные выработки должны быть отделены от руддвора и насосной железобетонной перемычкой с водонепроницаемыми дверями, которые в таких случаях закрываются герметически и вода пропускается к насосной через трубу, а размер притока регулируется задвижкой.

4.18. При проектировании дренажных выработок в водообильных трещиноватых и закарстованных породах, а также в районе тектонических зон и старых затопленных выработок необходимо учитывать, что их следует проходить с опережающим бурением.

Длина опережения должна быть не менее 5 м. Целесообразно вести опережающее бурение пучком (веером) скважин (черт. 48), обеспечивая достаточный разведанный целик не только впереди забоя, но и в боках выработки. Для этого в проекте должны быть предусмотрены соответствующие камеры, из которых будет выполняться бурение опережающих скважин.

Черт. 48. Схема расположения опережающих скважин

1 — дренажный штрек; 2 — опережающие скважины; 3 — камера для бурения скважин станком НКР-100М

В дренажных выработках, которые должны пересечь тектонический разлом или предназначены для его дренажа, необходимо предусматривать, не доходя разлома, рассечки, из рассечек — орты, из ортов — скважины: опережающие и водопонизительные, самоизливающиеся (черт. 49).

Черт. 49. Схема расположения дренажных выработок, направленных к тектоническим зонам

1 — рассечка вдоль разлома; 2 — законченный орт с самоизливающимися водопонизительными скважинами; 3 — орт в проходке с опережающими скважинами

Рассечка должна быть достаточно длинной, а водопонизительные скважины — отстоять от основной выработки на таком расстоянии, чтобы тампонаж, который может потребоваться при пересечении дренажной выработкой разлома, не зацементировал скважины.

4.19. В проекте можно предусматривать использование камер опережающих скважин для забуривания водопонизительных скважин в других направлениях.

При необходимости следует предусматривать специальные камеры для различных водопонизительных скважин из подземных выработок, а также для сбросных скважин, забуриваемых с одного подземного горизонта на другой нижерасположенный. Размеры таких камер зависят от применяющегося оборудования, числа, направления и глубины запроектированных водопонизительных скважин.

На черт. 50, а показана камера для установки дренажного бурения УДБ-8, предназначенной для бурения скважин начальным диаметром 190 мм на глубину до 150 м под углом к вертикали от 0 до 3,14 рад; на черт. 50, б — для бурения восстающих скважин диаметром до 155 мм на глубину до 100 м; на черт. 50, в — для бурения опережающих скважин станком СКБ-4 диаметром до 100 мм на глубину до 300 м.

Черт. 50. Камеры для бурения скважин в горных выработках

а — для станка УДБ-8; б — для бурения опережающих скважин; в — для бурения восстающих скважин станком НКР-100М

В проекте должны быть также предусмотрены ходки для сбойки выработок со сквозными фильтрами и сбросными (с одного подземного горизонта на другой) скважинами (черт. 51).

Черт. 51. Ходок к сквозному фильтру

1 — скважина; 2 — сальниковое уплотнение; 3 — задвижка; 4 — труба d_{y} = 100\text{мм} ; 5 — выпуск; 6 — бетонная подушка; 7 — шланг; 8 — водоотводной лоток

4.20. Подземные дренажные выработки могут быть использованы также для выполнения из них тампонажа горных пород, заполнения карстовых полостей, для проведения в них гидрогеологических и инженерно-геологических исследований и других целей, отвечающих проектным решениям защиты. Все это и требуемые для указанных целей вспомогательные выработки следует предусматривать в проекте.

Схемы шахтного водоотлива и насосное оборудование

4.21. В проекте должна быть определена схема шахтного водоотлива на весь охватываемый проектом период строительства и действия горного предприятия (шахты, карьера).

При этом должны быть выбраны:

а) местоположение шахтных стволов и штолен, через которые дренажные воды откачиваются или отводятся к местам сброса или сбора для водопользования;

б) горизонты устройства насосных (ступени водоотлива);

в) расположение всех основных насосных станций, к которым относятся:

центральные насосные станции — расположенные у водоотливных шахтных стволов (штолен, скважин), принимающие воду со всего или части шахтного поля и откачивающие воду непосредственно или с помощью перекачных станций на поверхность;

участковые насосные станции, собирающие воду с участка шахтного поля (месторождения) и перекачивающие воду в водосборник главной насосной станции;

зумпфовые насосные станции, расположенные у зумпфа шахтного ствола и откачивающие воду, стекающую в зумпф ствола из самого ствола и руддвора;

насосные станции перекачки — насосные станции второго и последующего подъемов, применяемые в случаях, когда у насосов насосных станций нижележащих горизонтов не хватает напора;

временные насосные станции, применяемые в период устройства (до ввода в действие) центральной или участковой насосной станции.

4.22. Выбор схемы водоотлива должен основываться на соответствующих технико-экономических расчетах с сопоставлением капитальных затрат на устройство водоотливных комплексов с затратами на их эксплуатацию и учетом создаваемых условий для безопасного ведения основных горных работ. При этом необходимо иметь в виду следующие удобные в эксплуатации схемы:

а) устройство центральной насосной станции на самом нижнем рабочем горизонте и сброс воды со всех промежуточных горизонтов на нижний горизонт (черт. 52, а). Эта схема особенно целесообразна при невысокой водообильности горных пород и относительно небольшой (в пределах высоты подъема имеющихся насосов) глубине залегания полезного ископаемого.

Черт. 52. Схемы шахтного водоотлива

а — одноступенчатый водоотлив; б — расположение главной водоотливной установки в подошве верхней водообильной зоны; в — схема с постепенно отключаемыми промежуточными насосными станциями; г — установка с последовательным соединением насосов; д — схема раздельного водоотлива; 1 — главная водоотливная установка; 2 — участковая насосная станция; 3 — отключенные насосы; 4 — перекачные насосы

При понижении на отдельных участках гипсометрий почвы полезного ископаемого возможно устройство на этих участках (или на одном из них) участковых насосных станций, откачивающих воды на горизонт центральной насосной станции.

Во всех этих случаях центральная насосная станция является главной водоотливной установкой шахты (рудника);

б) устройство центральной насосной станции — главной водоотливной установки — на верхних горизонтах и откачка вод с нижележащих горизонтов в водосборники главной водоотливной установки участковыми насосными станциями (черт. 52, б).

Эта схема особенно выгодна, когда вверху залегают высоководообильные породы, а внизу — маловодообильные и ожидается устойчивый приток подземных вод на верхних горизонтах; тогда главной водоотливной установкой, устроенной в подошве водообильной зоны, будет откачиваться основной объем притекающих вод с минимальными энергетическими затратами;

в) если водообильные породы простираются на большую глубину, то целесообразно устройство центральных насосных станций на промежуточных горизонтах.

Это оказывается, в частности, необходимым при продолжительной эксплуатации верхних горизонтов, так как сброс значительных количеств воды на протяжении длительного периода на глубокие горизонты влечет за собой повышенные энергетические затраты.

Если ожидается по мере развития работ и соответственно водоотлива на нижних этажах снижение притока на верхних этажах, то в проекте может быть предусмотрено постепенное отключение верхних насосных станций и осуществление шахтного водоотлива по одноступенчатой схеме (черт. 52, в) со сбросом сниженных притоков воды с верхних этажей на самый нижний этаж.

Наряду с этим в проекте может быть установлена необходимость в насосных станциях перекачки. Тогда для этой цели могут быть использованы некоторые насосные станции промежуточных горизонтов, которые могут быть оставлены и для одновременной откачки остаточного притока с вышележащих горизонтов (см. пример 19).

В этих случаях требованиям, предъявляемым к главным водоотливным установкам, на каждом этапе должны удовлетворять насосные станции, откачивающие воды на поверхность, остальные действующие насосные станции выполняют роль участковых и станций перекачки;

г) одноступенчатая схема в большинстве случаев наиболее экономична и удобна в эксплуатации. Но ее применение ограничено имеющимися трубами для напорных трубопроводов и высоконапорными насосами. Поэтому для глубоких шахт при откачке воды с одного горизонта может быть применена схема с последовательным включением насосов, установленных на разных горизонтах (черт. 52, г);

д) при наличии обособленных притоков на разных горизонтах из несвязанных между собой водоносных слоев и при этом на одном из горизонтов ожидается приток кислотных вод, требующих специального оборудования, можно предусматривать схему раздельного водоотлива (черт. 52, д).

При сбросе воды с верхних этажей на нижний энергию сбрасываемого потока можно частично использовать, в частности, подключением сбросного трубопровода к всасывающему трубопроводу действующего насоса (черт. 53), что повысит его энергетические показатели.

Черт. 53. Схема шахтного водоотлива при использовании напора воды верхних горизонтов

1 — насадка; 2 — смеситель; 3 — насос

4.23. В дренажной шахте при фланговом расположении стволов и проходке дренажных выработок из двух (или более) стволов с уклонами к ним водоотлив может быть организован (у каждого ствола) по одной из вышеуказанных схем (см. п. 4.22) в зависимости от особенностей месторождения, характера и условий развития дренажной системы.

4.24. Для шахтного водоотлива следует, как правило, применять многоступенчатые секционные, одноступенчатые с полуспиральным подводом жидкости к двустороннему рабочему колесу и спиральные многоступенчатые центробежные насосы с горизонтальным валом.

Данные по основным из них приведены:

по секционным насосам типа ЦНС — в табл. 7;

по спиральным насосам двустороннего входа типа Д — в табл. 8;

по спиральным многоступенчатым насосам типа ЦН — в табл. 9.

Таблица 7

Таблица 8

Таблица 9