Способы осушения: поверхностный способ

В статье речь идет об осушении карьеров и месторождений полезных ископаемых. Для горных выработок основная действующая норма — СП 103.13330.2012 «Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод», а водопонижение при устройстве строительных котлованов регулирует СП 45.13330.2017 (раздел 5).

На выбор способа осушения и частоты расположения дренажных сооружений влияют физико-механические и водные свойства пород, число водоносных горизонтов, подлежащих осушению, и глубина их залегания, тип запасов подземных вод, участвующих в обводнении, и водопроницаемость осушаемых пород. При этом надо учитывать условия вскрытия и систему отработки месторождения.

Исходя из этих показателей и степени обводненности месторождений установлены четыре категории сложности условий осушения: простые, средней сложности, сложные и очень сложные.

Простыми условиями осушения отличаются месторождения, сложенные устойчивыми некарстующимися скальными и полускальными породами, в которых распространен один, реже два водоносных горизонта в основном незначительной водопроницаемости. Подземные воды на этих месторождениях легко дренируются, так как вмещающие их устойчивые трещиноватые породы не подвержены смещению, оплыванию, суффозии и пучению независимо от степени их водопроницаемости. Строительства специальных сооружений для осушения этих месторождений обычно не требуется. В шахтах подземные воды дренируются непосредственно горными выработками с откачкой воды на поверхность насосами шахтного водоотлива (угольные шахты Донбасса и Кузбасса). На карьерах горные работы могут проводиться с открытым водоотливом, обеспечивающим откачку подземных и поверхностных вод, поступающих в карьер. Для сбора и отвода воды применяют простейшие дренажные сооружения в виде дренажных траншей (канав) и водоотливных шурфов.

В районах с длительной и суровой зимой (Урал, Сибирь) при подтоплении подземными водами забоя карьера возникают наледи, обмерзают железнодорожные пути и смерзаются разрабатываемые породы, что усложняет работу экскаваторов и снижает их производительность. В этих районах и на месторождениях, сложенных устойчивыми породами, для осушения следует использовать редкую сеть дренажных установок, так как откачка в одном пункте позволяет осушить значительную площадь скальных пород. Один из наиболее эффективных способов осушения в таких условиях — заложение небольшого числа водопонижающих скважин. Он успешно применяется на ряде карьеров, в том числе на Веселовском, Волчанском и Харанорском угольных, Ахтенском и Сухоложском железорудных.

Так, на Волчанском угольном месторождении (Северный Урал) отработка карьера № 4 проводилась при работе двух-трех водопонижающих скважин. Для осушения песчаников и углей на Веселовском карьере (Северный Урал) была создана система водопонижающих скважин, расположенных в ряд впереди фронта горных работ на рабочем борту карьера. При подработке верхним уступом карьера первого ряда скважин включались в работу скважины второго, затем третьего и т. д. Одновременно работало до 13 водопонижающих скважин с суммарным расходом 280 м³/ч.

Обводненные месторождения, сложенные переслаивающимися неустойчивыми песчано-глинистыми или устойчивыми скальными и полускальными породами, устойчивыми породами, прикрытыми толщей неустойчивых песчано-глинистых, а также карстующимися или сильно раздробленными тектоническими нарушениями породами, по условиям осушения являются сложными. На этих месторождениях осушение проводят в полном объеме, обеспечивающем нормальные условия ведения горных работ.

При открытом способе разработки полезного ископаемого применяют поверхностный, подземный и комбинированный способы осушения. Кроме того, принимают меры для защиты карьера от поверхностных вод.

Поверхностные способы осушения

К способам осушения с поверхности земли или с уступов карьера относят следующие: 1) глубокий дренаж водопонижающими или поглощающими скважинами; 2) ярусное (ступенчатое) осушение; 3) горизонтальный дренаж неглубокого заложения; 4) горизонтальный дренаж в откосах карьера.

Глубокий дренаж системой водопонижающих скважин широко применяется в горной промышленности. Наиболее эффективно его использование для снятия высокого напора водоносного горизонта большой мощности, залегающего в почве пласта полезного ископаемого и сложенного устойчивыми породами. Водопонижающие скважины широко применяются и для осушения водоносных рыхлых пород, залегающих в кровле и почве разрабатываемых пластов, при коэффициенте фильтрации осушаемых пород более 2 м/сут и глубине отработки в пределах 300–500 м.

Глубокий дренаж заключается в откачке воды из водоносных пластов, обводняющих карьер, при помощи скважин, оборудованных погружными электронасосами и размещенных за технической границей карьера для постоянного дренажа, а также на рабочих бортах, уступах и дне карьера для временного дренажа.

Осушение водопонижающими скважинами обычно не требует больших капитальных затрат, а систему таких скважин создают сравнительно быстро. Путем изменения числа и положения скважин можно легко обеспечить требуемое снижение подземных вод на отдельных участках в процессе эксплуатации.

К недостаткам глубокого дренажа прежде всего следует отнести большие эксплуатационные расходы, высокую энергоемкость откачки воды, сложность централизованного отвода воды; поэтому для скважин и насосов предусматривают резерв (СП 45.13330.2017, п. 5.18). Применение водопонижающих скважин не дает полного осушения: над подошвой безнапорного водоносного горизонта остается слой воды (участок высачивания), в результате чего приходится откачивать воду, профильтровавшуюся через откос.

Обычно водопонижающие скважины рассчитаны на длительный срок работы. Закладывать их надо в понижениях почвы водоносного пласта или на участках повышенной трещиноватости и закарстованности.

Снижение эксплуатационных расходов возможно при бурении скважины большого диаметра (0,5–1 м), применении надежных высокодебитных насосов и фильтров улучшенной конструкции.

Горная практика показала, что применение водопонижающих скважин наиболее эффективно в хорошо проницаемых породах для осушения мощных безнапорных и напорных водоносных горизонтов. И горная, и строительная нормы дают для открытых гравитационных скважин одну границу: коэффициент фильтрации не менее 2 м/сут (СП 103.13330.2012, п. 5.10; СП 45.13330.2017, п. 5.3 — при требуемом понижении более 4 м). При коэффициенте фильтрации менее 2 м/сут применяют вакуумные скважины.

В случае превышения естественного уровня подземных вод, залегающих в кровле полезного ископаемого, над уровнем водоносного горизонта в почве для осушения вышележащих водосодержащих пород закладывают водопоглощающие скважины, по которым производится сброс воды в нижние горизонты.

Ярусное (ступенчатое) осушение применяют для временного понижения уровня грунтовых вод; общая глубина зависит от числа ярусов, предельная суммарная глубина в нормах не указана. Сниженный уровень должен опережать разработку на высоту одного яруса экскавации, то есть на 2,5–3 м (СП 45.13330.2017, п. 5.31). При этом закладывают несколько рядов скважин с последующей откачкой воды из них насосами, расположенными на уступах карьеров.

Этот способ осушения используют при создании котлованов, выездной и разрезной траншей карьеров. При ярусном осушении одновременно с осушением скважинами первого яруса производится выемка осушенного грунта на высоту одного яруса (сниженный уровень должен ее опережать, см. выше), где монтируется второй ярус, и т. д. (рис. 1). Достоинствами ярусной установки являются легкость надзора за работой насосного оборудования и ее надежность, так как при выходе из строя одного яруса в работе находятся другие. К недостаткам этого способа относятся большой объем буровых и земляных работ и загромождение траншеи трубопроводами и насосами. Особенно густая сеть скважин и очень много времени (несколько месяцев) требуются для осушения тонко- и мелкозернистых глинистых песков и илистых грунтов, обладающих малыми коэффициентами фильтрации.

Рис. 1. Схема четырехъярусной (1–4) водопонижающей установки при вскрытии пласта угля

В угольной и горнорудной промышленности ранее применялись эжекторные иглофильтровые установки ЭИ-2,5 для осушения грунтов с малой водоотдачей. По действующим нормам эжекторный способ применяют при коэффициенте фильтрации 0,2–2 м/сут; он дает понижение уровня на 10–12 м, при обосновании — не более 20 м (СП 45.13330.2017, п. 5.4; СП 103.13330.2012, п. 5.26).

Водопонижение в сложных гидрогеологических условиях при слоистом и неоднородном строении водоносной толщи слабой водопроницаемости обеспечивает эжекторная вакуумная водопонижающая установка (ЭВВУ). В сочетании с эжекторными иглофильтрами эта установка позволяет снизить уровень грунтовых вод на 10–12 м, а в сочетании с вакуумными концентрическими скважинами в слоистых толщах — до 20 м (по данным Пособия к СНиП 3.02.01-83, п. 4.63).

При ярусном водопонижении для осушения песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации от 2 до 50 м/сут (при 2–5 м/сут — с песчано-гравийной обсыпкой) и понижении уровня воды одним ярусом на 4–5 м от оси насоса применяют передвижные водопонижающие установки иглофильтров (ЛИУ); эти пределы дают СП 45.13330.2017 (п. 5.4) и СП 103.13330.2012 (п. 5.23). При коэффициенте фильтрации менее 2 м/сут гравитационные ЛИУ, как правило, неэффективны, и применяют вакуумное водопонижение.

Горизонтальный дренаж неглубокого заложения применяют для осушения водоносных покровных отложений, расположенных над продуктивной толщей и содержащих основной обводняющий горизонт. Для создания такого дренажа закладывают водосборные открытые канавы (траншеи) или закрытые дрены. Если поверхность земли и водоупора осушаемых пород имеет достаточный наклон, то вода по дренам (канавам) отводится самотеком, в других случаях возникает необходимость в перекачке дренажных вод. Горизонтальный дренаж целесообразно применять при хорошей водопроницаемости обводненной покровной толщи и возможности отвода дренажных вод за пределы карьера самотеком. По расположению дрен в плане различают контурный (кольцевой), заградительный и систематический (параллельный) дренаж.

Контурный (кольцевой) дренаж, имеющий вид дрены, расположенной по всему периметру участка карьера, устраивают в том случае, когда подземные воды поступают к карьеру со всех сторон (например, при ведении открытых работ в речной долине).

Заградительный дренаж в виде дрены, расположенной вдоль какой-либо стороны карьера или двух смежных сторон, создают, чтобы оградить карьер и перехватить грунтовые воды на пути их движения от источника питания к карьеру. Источником питания может быть русло реки или подземный поток, движущийся со стороны водосборной площади.

Заградительный дренаж нередко закладывают на уступе карьера, вскрывающего слабообильный горизонт, в виде неглубокой открытой канавы в подошве водоносного слоя или закрытой дрены с дренажными трубами, обсыпанными песком и гравием. Такой же вид имеет прибортовый дренаж, закладываемый для обеспечения устойчивости нерабочего борта карьера, содержащего водоносный горизонт.

Горизонтальный дренаж в откосах карьера имеет вид горизонтальных дренажных скважин, закладываемых в рабочем и нерабочем бортах карьера для осушения вскрытых карьером водоносных песков. Скважины можно проходить параллельными рядами или веерообразными лучами. Это один из самых экономичных способов осушения бортов карьеров.

Источники

• СП 103.13330.2012 «Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод» — пп. 5.10, 5.23, 5.26
• СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» — раздел 5, пп. 5.3, 5.4, 5.18, 5.29, 5.31
• Пособие по производству работ при устройстве оснований и фундаментов (к СНиП 3.02.01-83), НИИОСП им. Герсеванова — п. 4.63

Схему осушения я выбираю по числу водоносных горизонтов, их проницаемости и устойчивости пород, а не по одному методу «на все случаи». Для строительных котлованов пределы методов задает СП 45.13330.2017 (пп. 5.3–5.4): легкие иглофильтровые установки дают понижение 4–5 м одним ярусом от оси насоса при коэффициенте фильтрации 2–50 м/сут, вакуумные иглофильтры — 5–7 м при 0,2–2 м/сут, а гравитационные скважины применяют при коэффициенте фильтрации не менее 2 м/сут и понижении более 4 м.

Методы часто сочетают на одном объекте: например, на ЖК «Событие-4» глубокую трехэтажную подземную часть котлована осушали скважинами глубиной 30 м, а мелкую двухэтажную — открытым водоотливом. В любой схеме откачку ведут непрерывно и с резервом насосов (СП 45.13330.2017, пп. 5.18, 5.29).