Подземный способ осушения: дренажные шурфы, стволы и скважины

Дренажные шурфы со штреками используются для непосредственного осушения поля карьера, в геологическом разрезе которого присутствуют устойчивые трещиноватые породы: песчаники, глинистые сланцы, аргиллиты, алевролиты и известняки. Дренажный шурф проходят на 10–20 м глубже предельного горизонта горных работ на подвижном борту, а нередко, для удлинения срока существования шурфа, — на неподвижном борту карьера.

От дренажного шурфа вкрест простирания пород проводят одну или несколько дренажных выработок (квершлагов), подходящих к карьеру ниже отметки горизонта открытых работ. Затем по простиранию пласта полезного ископаемого перпендикулярно к первым выработкам закладывают еще один-два штрека. Обычно этой системы осушительных выработок достаточно для обезвоживания пород, вскрываемых карьером (рис. 1). Для лучшего отвода подземных вод из осушаемой толщи по линии штрека, проложенного под карьером, через 200 м и более устанавливают сквозные фильтры, назначение которых — осушить всю вышележащую толщу пород и разрабатываемый пласт. В некоторых случаях для этого проходят гезенк от горизонта работ до дренажного штрека. Для перехвата потока подземных вод, движущихся к карьеру в водоносном слое небольшой мощности, создают водопреградительный штрек непосредственно в осушаемом слое. Стекающую по штреку воду отводят в водосборник и откачивают насосами.

Рис. 1. Схема осушения угольного карьера дренажными шурфами и штреками (по И. П. Пономареву):
1 — коренные породы лежачего бока; 2 — дренажный штрек по наносам горизонта — 5 м; 3 — опоки; 4 — водоотливной шурф; 5 — коренные породы висячего бока; 6 — квершлаг к дренажному шурфу; 7 — дренажный штрек по углю на горизонте — 65 м; 8 — дренаж по углю; 9 — уголь

Как показал опыт эксплуатации угольных карьеров Урала, отсутствие дренажных устройств может привести к образованию оползней, нарушающих работу карьеров.

При определении ожидаемого притока воды в дренажный шурф, ствол и дренажные штреки надо иметь в виду, что точность расчета зависит не только от точности определения величин, входящих в формулы, но и от полноты учета гидрогеологических особенностей месторождения: размеров и условий питания водоносного горизонта, характера запасов подземных вод, связи подземных вод с поверхностными, скорости проходки горных выработок и других факторов.

Расчет притока воды в вертикальный ствол шахты. Вертикальный ствол шахты и шурф можно рассматривать как колодец, вскрывший подземный поток, сохраняющий постоянный напор на контуре питания и удовлетворяющий граничным условиям первого рода. Для определения водопритока вычисляют максимальный ожидаемый приток, когда ствол доведен до проектной глубины, полагая при этом, что стенки его в нижней части водопроницаемы и свободно пропускают воду.

Рис. 2. Приток воды в вертикальную выработку, пересекающую безнапорный (а) и напорный (б) водоносные горизонты до водоупора

Приток в ствол, пересекающий безнапорный водоносный горизонт до водоупора (рис. 2, а)

где Н — мощность безнапорного водоносного горизонта, м; R — радиус влияния ствола, м; r — радиус ствола шахты (внешний радиус крепления), м.

Приток в ствол, пересекающий напорный горизонт до водоупора (см. рис. 2, б), рассчитывают по формуле

где m — мощность водоносного пласта, м.

Приток в ствол, только вскрывающий напорный водоносный горизонт забоем, имеющим плоскую форму, будет Q = 2dSk, где d — диаметр ствола шахты, м; S — величина напора над кровлей водоносного пласта, м.

Приток в ствол, пересекающий пласт, состоящий из нескольких водоносных слоев разной проницаемости, можно определить одним из двух методов в зависимости от гидрогеологических условий участка.

При неоднородной толще, сложенной слабо изолированными слоями с мало отличающейся проницаемостью, приток вычисляют по формулам, приведенным выше, но под величиной k понимают средний коэффициент фильтрации водосодержащих пород, определяемый по формуле

где k1, k2, …, kn — коэффициент фильтрации отдельных водоносных слоев, м/сут; h1, h2, …, hn — мощность этих слоев, м.

При наличии нескольких водоносных горизонтов, изолированных водонепроницаемыми слоями, или пластов, имеющих различную проницаемость и частично изолированных, величину притока вычисляют отдельно из каждого слоя или зоны, затем все притоки суммируют.

По данным контрольного бурения на месте заложения ствола шахты и проведенной при этом опытной откачки из совершенной скважины с максимально возможным понижением можно вычислить приток в ствол, определив сначала максимальный дебит скважины при понижении до почвы водоносного слоя, т. е. при S = H, переходя затем от максимального дебита скважины к притоку в ствол.

Расчет притока воды в дренажный штрек

При определении притока воды в дренажный штрек необходимо учитывать гидравлические свойства осушаемого водоносного горизонта (безнапорный или напорный), положение штрека по отношению к нижнему водоупору водоносного пласта и число сторон, с которых поступает вода в штрек.

Приток воды в дренажный штрек, проведенный в безнапорном водоносном пласте и заложенный на водоупоре (рис. 3, а), с двух сторон будет

где В — длина штрека, м; k — средний коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут; Н — мощность водоносного пласта, м; R — предел действия штрека, аналогичный радиусу влияния колодца, м.

Рис. 3. Дренажный штрек на водоупоре в безнапорном (а) и напорном (б) водоносных слоях

Величина R берется по данным опытов или приближенно вычисляется по формуле Лембке, учитывающей продолжительность водоотлива:

где t — время осушения, сут; µ — активная пористость (водоотдача), доли единицы.

Если вода поступает в штрек с одной стороны, например в водопреградительный штрек, проведенный в наносах в период эксплуатации карьера (см. рис. 3), то величину притока, надо уменьшить вдвое.

Приток с двух сторон в дренажный штрек, проведенный в напорном водоносном пласте и доведенный до горизонтального водоупора (см. рис. 3, б), составляет

где Н — высота столба воды над нижним водоупором, м; m — мощность напорного водоносного горизонта, м.