Дренажный комплекс для защиты глубокого карьера от подземных вод

Дренажный комплекс для защиты глубокого карьера от подземных вод относится к горнодобывающей промышленности, в частности для осушения месторождений полезных ископаемых, разрабатываемых открытым способом. Повышение эффективности дренажного комплекса, использование напоров водоносных горизонтов для обеспечения их продвижения к водосборникам и рационального использования подземной воды, добытой в процессе осушения и восполнение водных ресурсов достигается путем осушения глубокого карьера восходящими и наклонно-восходящими скважинами, сооруженными на каждый водоносный горизонт из подземной горной выработки, расположенной за контуром карьера ниже подошвы нижнего водоносного горизонта имеющего уклон в сторону водосборников, из водосборников подземная вода либо отводится в накопительную емкость на поверхности, либо в соответствующие скважины, или с водоносным горизонтом, не участвующим в обводнении карьера, для пополнения запасов водоносных горизонтов с соответствующим минеральным составом.

Полезная модель относится к горнодобывающей промышленности, в частности для осушения месторождений полезных ископаемых, разрабатываемых открытым способом.

Из предшествующего технического уровня известна система осушения карьерных полей с помощью водопонижающих скважин, которые сооружаются вокруг проектируемого карьера. При этом в зависимости от числа водоносных горизонтов на каждый из них сооружается своя система водопонижающих скважин. После снижения уровня грунтовых вод до расчетного приступают к вскрытию карьера [Справочник по осушению горных пород под редакцией И.К.Станченко, М., «Недра», с.66-74, 1984 г.].

К недостаткам известной системы следует отнести необходимость бурения большого количества водопонижающих скважин, сравнительно низкая надежность сооружаемых скважин, связанная с «пескованием» и неуправляемым процессом кольматации фильтров, высокие эксплуатационные затраты, связанные с работой погружных насосов, их обслуживанием и заменой, невозможность осушения водоносного горизонта до его подошвы, ведущая к «проскоку» подземных вод, для перехвата которых сооружают внутренний дренажный контур (прибортовые дрены, горизонтальные скважины), а также истощение запасов подземных вод при формировании дренажной воронки вокруг осушаемого массива и отсутствие мероприятий по восполнению сработанных запасов вод осушаемых горизонтов, необходимость строительства новых контуров водопонижающих скважин по мере продвижения фронта горных работ и системы наблюдательных скважин за уровнем грунтовых вод.

Известен дренажный комплекс для защиты глубоких карьеров от притоков подземных вод, в котором перехват 85-90% притоков подземных вод обеспечивается внешним заградительным контуром, представленным вертикальными стволами, пересекающими дренируемый водоносный горизонт, заглубленными ниже подошвы водоносного горизонта для образования водосборника, горизонтальными дренажными скважинами, проходимыми нормально к направлению потока подземных вод и наклонно нисходящими дренажными скважинами из нижней части вертикальных стволов. Длина нормально заложенной горизонтальной дренажной скважины к направлению потока равна не меньше половины расстояния между смежными вертикальными стволами. Внутренний заградительный контур, представлен системой горизонтальных дренажных скважин, заложенных под углом к борту карьера у почвы водоносного горизонта и имеющих длину, обеспечивающую продвижение борта на 2-3 заходки [П на ПМ 88691].

Недостатками известного дренажного комплекса является необходимость сооружения вдоль контура карьера большого количества шахтных стволов. В условиях обводнения при значительных глубинах залегания осушаемых пород требуется применение специальных способов проходки, влекущих большие материальные затраты. В стесненных условиях шахтного ствола трудно осуществить сооружение горизонтальных скважин на несколько водоносных горизонтов (мешают трубопроводы водоотлива, вентиляционная система, электрокабель, насосное оборудование).

К недостаткам комплекса следует также отнести сложность организации удаления разрушенной при бурении породы, необходимость подвода к каждому стволу инженерных коммуникаций, подъездных путей, линий электропередач, сооружения наблюдательных скважин за уровнем грунтовых вод поверхностных трубопроводов и других устройств, кроме того в комплексе необходимы резервные источники электроснабжения водоотливных насосов на случай отключения сетевого электроснабжения, а его эксплуатация не решает вопрос раздельного сбора подземных вод.

В техническом уровне не обнаружен дренажный комплекс близкий по совокупности существенных признаков и решаемой задаче к заявляемому дренажному комплексу.

Задачей создания дренажного комплекса для защиты глубокого карьера от притока подземных вод является расширение ряда известных систем для осушения месторождения полезных ископаемых, разрабатываемых открытым способом, с использованием добытой воды для нужд предприятия и восполнения запасов вод истощенных горизонтов.

Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации заявляемой полезной модели, являются:

- реализация назначения дренажного комплекса;

- повышение эффективности дренажного комплекса;

- использование напоров водоносных горизонтов для обеспечения продвижения дренажных вод к водосборникам;

- рациональное использование дренажной воды, добытой в процессе работы дренажного комплекса и обеспечение возможности восполнения водных ресурсов осушаемых водоносных горизонтов, в том числе с разным минеральным составом;

- использование дренажных устройств для наблюдения за уровнем грунтовых вод осушаемых водоносных горизонтов.

Решение поставленной задачи и достижение ожидаемых технических результатов стали возможны благодаря тому, что в дренажном комплексе для защиты глубокого карьера от подземных вод, характеризующимся наличием подземной горной выработки, расположенной в устойчивых горных породах за контуром карьера ниже подошвы нижнего водоносного горизонта с высотой перемычки пород над кровлей, определяемой из условия предупреждения прорыва в нее вышерасположенной неустойчивой породы, подземная горная выработка связана с поверхностью технологическими стволами и снабжена водосборниками для чистых дренажных вод, размещенными в крепких породах, в сторону которых горная выработка имеет уклон, все вышележащие водоносные горизонты с горной выработкой, сооруженными из нее восстающими и наклонно-восстающими скважинами, а водосборники оборудованы насосными станциями и связаны отводными трубопроводами или с накопительными емкостями, или с одной и более скважинами для приема дренажной воды, сооруженными за границей депрессионной воронки с возможностью пополнения запаса подземных вод водоносного горизонта дренажной водой с соответствующим минеральным составом или с водоносным горизонтом, не участвующим в обводнении карьера.

При дренаже водоносных горизонтов с различным минеральным содержанием дренажный комплекс включает устройства для раздельного отбора дренажных вод из каждого водоносного горизонта.

В частном примере выполнения он также содержит контрольно-измерительную аппаратуру, которая установлена перед задвижками каждой восстающей и наклонно-восстающей скважины.

Творческим шагом является повышение эффективности дренажного комплекса за счет применения восстающих и наклонно-восстающих дренажных скважин, сооруженных из подземной горной выработки на разные водоносные горизонты, позволяющих вести осушение водоносных горизонтов от их подошвы. Напоры водоносных горизонтов обеспечивают продвижение потоков подземных вод в соответствующие водосборники для чистых дренажных вод без использования насосного оборудования, измерение их величин осуществляется на устье скважины, что сокращает количество наблюдательных скважин. Дренажная вода используется как сопутствующее полезное ископаемое и используется либо для технических нужд, либо для восполнения осушаемых водоносных горизонтов за депрессионной воронкой.

Заявляемый дренажный комплекс для защиты глубокого карьера от притока подземных вод иллюстрируют следующие фигуры.

1. Показан карьер (вид сверху), контур карьера, технологические стволы, накопительные емкости, скважины для восполнения водоносных горизонтов, проектный контур депрессионной воронки.

2. Показан вертикальный разрез карьера: водоносные горизонты, подземная горная выработка, наклонно-восстающие и восстающие дренажные скважины, депрессионная воронка, водосборники для чистых дренажных вод, отводящие трубопроводы, скважины для восполнения запасов водоносных горизонтов.

Заявляемая полезная модель включает технологические стволы 1 для спуска людей, грузов и подъема добытой породы. Технологические стволы 1 располагаются за контуром 2 осушаемого карьера 3 (фиг.1).

Из технологических стволов 1 сооружается подземная горная выработка 4, высота кровли (на фиг. не показана) и глубина которой выбирается из условия предупреждения прорыва вышерасположенных неустойчивых пород. Подземная горная выработка 4 снабжена выполненными в крепких породах водосборниками 5 для сбора чистых дренажных вод, поступающих из наклонно-восстающих дренажных скважин 6 (фиг.2), сооруженных из подземной горной выработки 4 в нижний водоносный горизонт 7 и из восстающих дренажных скважин 8, сооруженных в верхний водоносный горизонт 9. Количество всех типов скважин определяется отдельным расчетом по известным методикам. Наклонно-восстающие дренажные скважины 6 оснащены задвижками 10 с водоотводами 11. Водоотводы 11 наклонно-восстающих дренажных скважин 6 объединены в один общий водовод 12, по которому вода самотеком движется в один из водосборников 5. Водоотводы 13 восстающих дренажных скважин 8 объединены во второй общий водоотвод 14 и также самотеком движется в другой водосборник 5.

Таким образом осуществляется раздельный сбор чистых дренажных вод, поступающих из нижнего водоносного горизонта 7 и верхнего водоносного горизонта 9, имеющих разный минералогический состав. Из соответствующих водосборников 5, водоотливными насосами 15, соответствующие дренажные воды отводят по отводным трубопроводом 16 к накопительным емкостям 17 или к скважине 18 (фиг.1) для приема чистой дренажной воды, сооруженными соответственно на верхний водоносный горизонт 9 и скважиной 19 - на нижний водоносный горизонт 7, сооруженными за пределами депрессионной воронки 20. Через них осуществляется восполнение запасов дренажных вод. Контроль за давлением дренажных вод в каждой скважине осуществляется с помощью контрольно-измерительной аппаратуры - манометров 21, установленных перед задвижками 10.

Дренажный комплекс для защиты карьера от подземных вод работает следующим образом.

Из подземной горной выработки 4 на каждый водоносный горизонт сооружают восстающие дренажные скважины 8 и наклонно-восстающие дренажные скважины 6. Дренажная вода, поступающая из соответствующего водоносного горизонта часто имеет индивидуальный минеральный состав. Поэтому, на примере одного горизонта, подземная вода, поступающая из восстающих дренажных скважин 8 по водоотводу 13 поступает через общий водоотвод 14 в водосборник 5. Из водосборника 5 чистую дренажную воду водоотливным насосом 15 подают по отводному трубопроводу 16 на поверхность и закачивают в скважину 17, сооруженную за пределами депрессионной воронки 20 в верхний водоносный горизонт 9, пополняя его запасы. Контроль величины напора в водоносных горизонтах осуществляется с помощью контрольно-измерительной аппаратуры (манометров) 21, установленных на устье каждой дренажной скважины перед задвижками 10.

Практическая применимость заявленного дренажного комплекса для защиты карьера от подземных вод иллюстрируется следующим примером.

Пример.

Заявленный дренажный комплекс смоделирован для гидрогеологических условий Лебединского карьера. Водоносные горизонты представлены двумя разновидностями горных пород: верхний водоносный горизонт представлен мелами, нижний - сеноман-альбскими песками. Коэффициенты фильтрации мелового водоносного горизонта 10-15 м/сут, сеноман-альбского - 5-10 м/сутки. Средний диаметр дренажного контура вокруг карьера 5 км (периметр 16 км.). Воды обеих водоносных горизонтов по минералогическому составу относятся к категории питьевых, но воды мелового водоносного горизонта более жесткие. В соответствии с расчетами осушение водоносных горизонтов предусмотрено осуществить 320 наклонно-восстающими скважинами, сооружаемыми на сеноман-альбских песках и 200 восстающими скважинами, сооружаемыми в мелах. Каждая дренажная скважина оборудовалась устьем, включающем задвижку, отвод, манометр, установленный выше задвижки. В связи с тем, что воды обеих водоносных горизонтов являются питьевыми, их сбор осуществляется в один трубопровод, проложенный к водосборникам, построенным вблизи шахтных стволов. Суммарный приток вод к водосборникам составляет 7000 м³/час. Установленными водоотливными насосами чистые дренажные воды по трубопроводам откачиваются на поверхность, откуда по трубопроводам идут на нужды жилищно-коммунальных хозяйств г. Губкина, прилегающих поселков, обогатительные фабрики ГОКа, резервные накопительные водохранилища, восполнение ресурсов подземных вод, добываемых с помощью водозаборных скважин, расположенных в пойме р.Осколец.

Благодаря предложенному дренажному комплексу исключено сооружение дорогостоящих малоэффективных водопонижающих скважин. Нет необходимости в большом количестве погружных насосов, службы их ремонта и эксплуатации, сокращены затраты на прокладку ЛЭП, трубопроводов, подъездных путей, порчи земельных угодий, неизбежно связанных с сооружением водопонижающих скважин и связанной с ними инфраструктуры, сокращения сети наблюдательных скважин.

Таким образом, поставленная задача решена, т.е. назначение дренажного комплекса реализовано, в результате повысилась его эффективность, дренажные воды продвигаются по отводным трубопроводам к водосборникам самотеком. Дренажная вода, добытая в процессе работы, используется для восполнения водных ресурсов. Установление контрольно-измерительной аппаратуры перед задвижками каждой восстающей и наклонно-восстающей скважины позволяет сократить сеть наблюдательных скважин.

1. Дренажный комплекс для защиты карьера от притока подземных вод, характеризующийся наличием подземной горной выработки, расположенной за контуром карьера в устойчивых горных породах ниже подошвы нижнего водоносного горизонта с высотой перемычки пород над кровлей, определяемой из условия предупреждения прорыва в нее вышерасположенной неустойчивой породы, подземная горная выработка связана с поверхностью технологическими стволами и снабжена водосборниками для чистых дренажных вод, размещенными в крепких породах, в сторону которых горные выработки имеют уклон, все вышележащие водоносные горизонты связаны с горной выработкой сооруженными из нее восстающими и наклонно-восстающими скважинами, а водосборники для чистых дренажных вод оборудованы насосными станциями и связаны отводными трубопроводами или с накопительными станциями или с накопительными емкостями, или с одной и более скважинами для приема чистой дренажной воды, сооруженными за границей депрессионной воронки с возможностью пополнения запаса подземных вод водоносного горизонта чистой дренажной водой с соответствующим минеральным составом, или с водоносным горизонтом, не участвующим в обводнении карьера.

2. Дренажный комплекс по п.1, отличающийся тем, что при дренаже водоносных горизонтов с различным минеральным содержанием он включает устройства для раздельного отбора вод из каждого водоносного горизонта.

3. Дренажный комплекс по п.1, отличающийся тем, что он содержит контрольно-измерительную аппаратуру, которая установлена перед задвижками каждой восстающей и наклонно-восстающей скважины.