Дренажный комплекс для защиты глубоких карьеров от притоков подземных вод

Дренажный комплекс для защиты глубоких карьеров от притоков подземных вод относится к горнодобывающей промышленности, в частности, к дренажным системам для осушения месторождений полезных ископаемых, разрабатываемых открытым способом.

Перехват 85-90% притоков подземных вод обеспечивается внешним заградительным контуром, представленным вертикальными стволами, пересекающими водоносный горизонт и углубленных ниже подошвы горизонта с образованием водосборника, горизонтальными дренажными скважинами, направленными нормально к направлению потока, радиально направленными дренажными скважинами навстречу потоку и наклонно нисходящими дренажными скважинами в нижней части вертикальных стволов. Длина нормально заложенной к направлению потока горизонтальной дренажной скважины равна не ниже 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.

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

Из технического уровня известно использование для осушения карьерных полей дренажного (заградительного) контура, составленного из водопонижающих скважин. [С.К.Абрамов, О.Б.Скиргелло. Способы, системы и расчеты осушения шахтных и карьерных полей. М. «Недра», с.70-76, 1968; Н.С.Болотских, И.Ф.Оксанич, Ю.В.Пономаренко и др. Справочник по осушению горных пород. М. «Недра», с.86-92, 1984].

Недостатком этого контура является необходимость бурения и оборудования большого числа водопонижающих скважин, ненадежность и проскок подземных вод в карьер, достигающий иногда 30-50%.

Известна также система защиты горных пород от водопритоков, включающая контурную противофильтрационную завесу и водопонижающие скважины в границах территории огражденной этой завесой. Система позволяет обеспечить требуемый уровень осушения при глубине распространения водоносных пород до 50-60 м. [Н.Н.Рогатин, Н.П.Сенаторов «Противофильтрационные завесы на карьерах» М. «Недра», с.14-20, 1979; С.К.Абрамов, М.С.Газизов, В.И.Костенко «Защита карьеров от воды. М. «Недра», с.158-163, 1974].

Наиболее близкой к предлагаемому дренажному комплексу для защиты глубоких карьеров от притоков подземных вод является двухконтурная дренажная система, применяемая в сложных гидрогеологических условиях. Один из контуров является внешним, выполняющим функцию заградительного дренажа и составлен из водопонижающих скважин. Второй - внутренний контур дренажа составлен из совокупности горизонтальных дренажных скважин, которые заложены нормально борту карьера у почвы дренируемого водоносного горизонта и предназначен для перехвата вод проскока [И.Ф.Оксанич, В.С.Береснев, А.Б.Гордон и др. Осушение месторождений при строительстве железорудных предприятий. М., «Недра», с.25-26,1977].

Эта дренажная система нашла широкое применение на практике при освоении месторождений КМА, Южно-Белозерского, Соколовско-Сарбайского и многих других месторождений.

Многолетний опыт применения рассмотренной системы выявил ряд существенных недостатков, проявляющихся как на стадии строительства дренажной системы, так и в период эксплуатации.

Основными недостатками известной системы являются:

- необходимость бурения и оборудования большого числа водопонижающих скважин;

- требование бесперебойной и длительной по времени эксплуатации многочисленных скважин;

- частый выход из работы отдельных насосов в связи с большим числом одновременно эксплуатируемых скважин, что заметно снижает надежность дренажной системы;

- большие объемы спускоподъемных операций, монтажно-наладочных работ при строительстве и ремонте водопонижающих скважин;

- значительные объемы работ по строительству подъездных путей, систем электропитания и водоотведения;

- дискретное расположение водопонижающих скважин приводит к проскокам подземных вод в карьер, достигающим иногда 30-50% от общего притока подземных вод;

- высокая чувствительность к аварийным отключениям электроэнергии, поскольку в этих ситуациях сразу же начинается интенсивное восстановление уровня подземных вод;

- недопустимость снижения уровня вод до почвы дренируемого горизонта, поскольку для охлаждения погружные насосы должны омываться потоком подземных вод, что приводит к снижению дренажного эффекта;

- пониженная водозахватная способность водопонижающих скважин, в связи с вертикальным положением водоприемной части (фильтров), что снижает радиус их влияния;

- при перемещении по бортам карьера горно-транспортного оборудования и разноске бортов, большое число водопонижающих скважин оказывается разрушенным и требует капитального ремонта или сооружения новых скважин;

- в процессе осушения возникают условия для проявления гидравлической связи и смешения вод смежных водоносных горизонтов;

- строительство и эксплуатация большого числа скважин также создают условия для проникновения с поверхности различных загрязнений в водоносные горизонты;

- сложность проведения гидрогеологических наблюдений и технического обслуживания большого числа скважин.

Задачей полезной модели является расширение арсенала дренажных комплексов и устранение указанных недостатков прототипа.

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

- возможность создания замкнутого контура заградительного дренажа;

- снижение проскоков подземных вод к бортам карьера до 10-15%;

- возможность одновременного осушения нескольких водоносных горизонтов, пересекаемых стволом и подстилающих обводненных пластов;

- повышение надежности и долговечности эксплуатационного срока дренажной системы;

- улучшение условий труда в период эксплуатации дренажной системы.

Решение указанной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стало возможным благодаря тому, что в известном дренажном комплексе для защиты глубоких карьеров от притоков подземных вод, включающем внешний заградительный контур, размещенный за внешним контуром карьера, и внутренний контур в виде системы горизонтальных дренажных скважин, заложенных под углом к борту карьера у почвы дренируемого водоносного горизонта, внешний заградительный контур состоит из вертикальных стволов, пересекающих водоносный горизонт, и углубленых ниже подошвы водоносного горизонта, на глубину, достаточную для устройства водосборника, емкость которого не менее объема воды, поступающей за 4-8 часов, на отметках подошвы водоносного горизонта из каждого вертикального ствола заложены горизонтальные дренажные скважины, направленные нормально к направлению потока подземных вод, из вертикальных стволов навстречу потоку подземных вод заложен веер из 3-5 радиально направленных дренажных скважин с возможностью снижения нагрузки на перехватывающие поток горизонтальные дренажные скважины, в нижней части вертикального ствола на отметках подошвы водоносного горизонта заложены наклонно-нисходящие дренажные скважины, при этом каждый вертикальный ствол снабжен основным и резервным центробежными насосами, системой автоматического управления работой водоотливной установки и системой автоматического опроса о дебите скважин и положений уровней воды в дренируемом горизонте и водосборнике, длина нормально заложенной к направлению потока горизонтальной дренажной скважины равна не менее половины расстояния между смежными вертикальными стволами, а внутренний защитный контур расположен у основания откосов карьера и составлен из горизонтальных дренажных скважин с длиной, обеспечивающей продвижение борта на 2-3 заходки.

В частных примерах выполнения дренажного комплекса при большой мощности обводненных пород он имеет дополнительные горизонтальные дренажные скважины, заложенные нормально к направлению потока подземных вод над аналогичными горизонтальными дренажными скважинами, заложенными нормально к потоку на отметках подошвы водоносного горизонта, при наличии нескольких водоносных горизонтов, вертикальные стволы заглублены ниже подошвы нижнего горизонта, из каждого ствола на эти горизонты заложены дополнительные встречные горизонтальные дренажные скважины.

Заявленная совокупность осуществляемых признаков предложенной полезной модели осушения месторождений основана на повышенной водозахватной способности горизонтальных дренажных скважин, полностью перекрывающих расстояние между стволами, на размещении их у подошвы осушаемого водоносного горизонта и возможности сооружения дренажных скважин в два-три яруса.

Эффективность применения предлагаемого дренажного комплекса характеризуется отношением водопритока в карьер с учетом выполнения дренажных мероприятий Q_д к притоку в карьер, незащищенному дренажной системой Q.

=Q_д/Q

Выполненные гидрогеологические расчеты осушения по предлагаемому дренажному комплексу показали, что разработанная модель характеризуется повышенной эффективностью и надежностью по сравнению с выбранным прототипом.

Сопоставление эффективности предлагаемой модели осушения с эффективностью скважинного (традиционного) осушения показало, что техническая эффективность полезной модели существенно выше скважинного водопонижения.

Заявленную полезную модель иллюстрируют следующие фигуры.

Фиг.1. Показано положение дренажных устройств на конец отработки карьера: граница карьера, внешний заградительный контур, внутренний заградительный контур, вертикальные стволы, горизонтальные дренажные скважины, направленные нормально к направлению потока подземных вод.

Фиг.2. Показан разрез между вертикальными стволами со сниженным уровнем подземных вод: вертикальные стволы, горизонтальные дренажные скважины, направленные нормально к направлению потока подземных вод, радиально направленные дренажные скважины, наклонно-нисходящие дренажные скважины, дренажные скважины внутреннего защитного контура, дополнительные горизонтальные дренажные скважины, дополнительные скважины, гидронаблюдательные скважины.

Заявляемый дренажный комплекс для защиты глубоких карьеров от при токов подземных вод включает внешний заградительный контур, размещенный по внешнему контуру карьера 1 (фиг.1) и внутренний контур (на фиг. не показан). Внешний заградительный контур составлен из вертикальных стволов 2 (фиг.1, 2), пересекающих основной водоносный горизонт (на фиг. не показан), которые заглублены ниже его подошвы, на глубину, достаточную для устройства водосборника (на фиг. не показан). На отметках подошвы водоносного горизонта из каждого ствола заложены горизонтальные дренажные скважины 3, направленные нормально к направлению потока подземных вод. Из вертикальных стволов 2 навстречу потоку подземных вод заложен веер из 3-5 радиально направленных дренажных скважин 4 для преобразования напорного потока в безнапорный и снижения нагрузки на перехватывающие поток горизонтальные дренажные скважины 3 (фиг.1, фиг.2). В нижней части вертикального ствола 2 на отметках подошвы водоносного горизонта (на фиг. не показано) заложены наклонно-нисходящие дренажные скважины 5 для снижения напоров вод в подстилающих пластах (фиг.2). Каждый вертикальный ствол 2 снабжен основным и резервным центробежными насосами, системой автоматического управления работой водоотливной установки и системой автоматического опроса о дебите скважин и положений уровней воды в дренируемых горизонтах и водосборнике (на фиг. не показаны). Длина каждой нормально заложенной к направлению потока горизонтальной дренажной скважины 3 равна не менее половины расстояния между смежными вертикальными стволами 2, а внутренний защитный контур расположен у основания дренируемого горизонта борта карьера и составлен из дренажных скважин 6, заложенных нормально борту карьера 1 у почвы дренируемого водоносного горизонта их длины, опережает продвижение борта на 2-3 заходки закладываемых к линии откоса под углом 30-40° (фиг.2).

В частных примерах выполнения вертикальные стволы 2 имеют на уровне поверхности земли постоянное перекрытие (на фиг. не показано). При значительных глубинах потока вод из вертикальных стволов 2 над горизонтальными дренажными скважинами 3 располагают второй ярус дополнительных горизонтальных дренажных скважин 7 (фиг.2). При наличии вышележащих обводненных слоев и линз (на фиг. не показано), из вертикальных стволов 2 заложены дополнительные аналогичные уже заложенным горизонтальным дренажным скважинам 3, дренажные скважины 8 (фиг.2). При наличии нескольких водоносных горизонтов вертикальные стволы 2 заглубляют ниже подошвы нижнего водоносного горизонта, и сооружают дополнительные встречные горизонтальные дренажные скважины типа 3 и 7 на каждый горизонт (на фиг.1 и фиг.2 не показаны). Для наблюдения за процессом снижения уровня подземных вод в дренируемом горизонте (горизонтах) между забоями заградительных встречных скважин закладывают гидронаблюдательные скважины 9 (фиг.2).

Защиту карьера от притоков подземных вод с помощью защищаемого комплекса осуществляют следующим образом. По трассе внешнего дренажного контура проходят вертикальные стволы 2, удаленные друг от друга на 400-600 м, которые пересекают дренажный горизонт. У подошвы водоносного горизонта бурят горизонтальные дренажные скважины 3, направленные нормально к потоку подземных вод. Для создания замкнутого дренажного контура длина скважин 3 выполняют равной половине расстояния между смежными вертикальными стволами 2.

Для снижения нагрузки на скважины 3 навстречу подземному потоку у почвы дренируемого горизонта проходят веер из 3-5 горизонтальных дренажных скважин 4 длиной по 100-150 м каждая, под воздействием которых напорные воды преобразуются в безнапорный поток. В нижней части вертикального ствола на подстилающие слои, содержащие напорные воды, подпитывающие водоносный горизонт, являющийся основным источником обводнения карьера, закладывают нисходящие дренажные скважины 5, которые работают на самоизлив. Устья всех дренажных скважин по мере их готовности оборудуют задвижками (на фиг. не показаны). Одновременно с бурением дренажных скважин ведут сооружение гидронаблюдательных скважин 9. После полной готовности дренажной системы ее ввод в эксплуатацию осуществляют радиально направленных дренажных скважин 4. При этом скважина запускается после промывки, прекращения выноса бурового шлама, разглинизации и пескования. По окончании этого этапа работ наблюдают за динамикой снижения уровней вод в дренируемом водоносном горизонте.

Техническая применимость заявляемого дренажного комплекса для защиты глубоких карьеров от притока подземных вод показана на модельном примере осушения Приоскольского карьера.

Краткая характеристика гидрогеологических условий месторождения.

В пределах Приоскольского месторождения выделены все водоносные горизонты, характерные для Оскольского рудного района КМА.

Современный аллювиальный водоносный горизонт распространен лишь в восточной части месторождения и представлен мелкозернистыми песками мощностью от 0 до 7,5 м. Коэффициент фильтрации аллювиальных песков составляет 4,8 м/сут, горизонт безнапорный, взаимосвязан с р.Оскол.

Турон-коньякский водоносный горизонт приурочен к трещиноватым и закарстованным мелам. Распространен повсеместно, мощность горизонта изменяется от 13 до 20 м, напоры не превышают 5 метров. Водопроводимость пород в пределах месторождения колеблется от 300 до 690 м ²/сут.

Альб-сеноманский водоносный горизонт также распространен повсеместно и является основным источником обводнения проектируемого карьера. Мощность водоносного горизонта по месторождению варьирует от 27 до 37 м. Литологически он представлен преимущественно мелко- и среднезернистыми песками. Водопроводимость горизонта лежит в пределах 150-250 м²/сут., коэффициент уровнепроводности составляет 4·10³ м² /сут. Напоры воды изменяются в пределах от 17 до 35 м.

Горизонт гидравлически связан со смежными водоносными горизонтами.

Юрский водоносный горизонт распространен спорадически, приурочен к линзам разнозернистых песков, мощностью от 3 до 6 м. Водопроводимость песков от 10 до 60 м /сут.

Средне-верхнедевонский водоносный горизонт, приурочен к пескам различного грансостава. Мощность горизонта находится в пределах от 0 до 11 м. Фильтрационные свойства песков - до 37,5 м/сут.

Архей-протерозойский водоносный комплекс развит повсеместно приурочен к коре выветривания руд кристаллического фундамента. Мощность обводненных пород составляет 45-120 м, коэффициенты фильтрации зависят от степени трещиноватости пород и изменяются от 0,5 до 3,4 м/сут.

Заявленная полезная модель представлена внешним заградительным дренажным контуром, размещенным за внешней границей карьера и внутренним дренажным контуром.

Внешний заградительный контур состоит из вертикальных стволов и системы встречных горизонтальных скважин на апт-альб-сеноманский, юрский и девонский водоносные горизонты.

Вертикальные стволы, пересекающие основные водоносные горизонты углублены ниже почвы дренируемой водоносной толщи на глубину, необходимую для устройства водосборника, емкость которого не должна быть менее объема воды, поступающей за 4-8 часов. Диаметр стволов определен при проектировании с учетом габаритов применяемого бурового оборудования, оснастки и требований по технике безопасности.

Каждый вертикальный ствол оборудован основным и резервным насосами центробежного типа, а также системой автоматического управления работой водоотливной установки, системой автоматического опроса о дебите скважин и положении уровней вод в дренируемых водоносных горизонтах и водосборнике.

В вертикальных стволах смонтированы системы вентиляции и освещения, трубопроводы для подачи воды и бурового раствора, став для перекачки дренажных вод на поверхность, лестничный ходок, полок для установки бурового агрегата, проложен силовой кабель.

На отметках подошвы каждого водоносного горизонта из каждого вертикального ствола сооружены горизонтальные дренажные скважины, направленные нормально к направлению потока подземных вод. Длина горизонтальной дренажной скважины равна половины расстояния между смежными стволами (от 200 до 300 м), что позволяет создать замкнутость дренажного контура по всему периметру карьера.

Горизонтальные дренажные скважины по всей длине оборудованы фильтрами, параметры которых выбраны с учетом грансостава дренируемых пород и имеют слабый наклон к вертикальному стволу с уклоном не менее 0,003, что необходимо для предотвращения их заиления.

В соответствии с заявленной полезной моделью запроектированный дренажный комплекс для защиты карьера Приоскольского ГОКа строет с развитием горных работ.

На конец отработки карьера 1-ой очереди запроектировано соорудить заградительный контур по периметру карьера из 30 вертикальных стволов диаметром в свету 5 м и глубиной от 150 до 230 м. Из указанных стволов нормально потоку подземных вод предусмотрено бурение: на апт-альб-сеноманский водоносный горизонт 40 горизонтальных дренажных скважин, заложенных к направлению потока длиной до 300 м и диаметром 105 мм; 144 горизонтальных радиально-направленных скважины; 40 дренажных горизонтальных скважин, заложенных нормально к направлению потока на юрский водоносный горизонт и 20 аналогичных горизонтальных скважин на девонский водоносный комплекс.

Дренажный комплекс, сооруженный в соответствии с заявленной полезной моделью по данным гидродинамического моделирования обеспечивает перехват 85-90% притоков вод, формируемых на Приоскольском месторождении.

Для снижения высачивания остаточных 10-15% притока на бортах карьера в соответствии с разработанной полезной моделью в борта карьера у почвы водоносных горизонтов предусмотрено бурение горизонтальных дренажных скважин, которые закладываются через каждые 50-80 м. Длина таких скважин принята равной 60-80 м, закладываются они под углом 30-40° к линии откоса.

Реализация полезной модели создает безопасные и благоприятные гидрогеологические условия для ведения горных работ в карьере и решает поставленную задачу.

1. Дренажный комплекс для защиты глубоких карьеров от притоков подземных вод, включающий внешний заградительный контур, размещенный за внешним контуром карьера, и внутренний защитный контур в виде системы горизонтальных дренажных скважин, заложенных под углом к борту карьера у почвы дренируемого водоносного горизонта, отличающийся тем, что внешний заградительный контур состоит из вертикальных стволов, пересекающих водоносный горизонт и углубленых ниже подошвы водоносного горизонта, на глубину, достаточную для устройства водосборника, емкость которого не менее объема воды, поступающей за 4-8 ч, на отметках подошвы водоносного горизонта из каждого вертикального ствола заложены горизонтальные дренажные скважины, направленные нормально к направлению потока подземных вод, из вертикальных стволов навстречу потоку подземных вод заложен веер из 3-5 радиально направленных дренажных скважин с возможностью снижения нагрузки на перехватывающие поток горизонтальные дренажные скважины, в нижней части вертикального ствола на отметках подошвы водоносного горизонта заложены наклонно-нисходящие дренажные скважины, при этом каждый вертикальный ствол снабжен основным и резервным центробежными насосами, системой автоматического управления работой водоотливной установки и системой автоматического опроса о дебите скважин и положений уровней воды в дренируемом горизонте и водосборнике, длина нормально заложенной к направлению потока горизонтальной дренажной скважины равна не менее половины расстояния между смежными вертикальными стволами, а внутренний защитный контур расположен у основания откосов карьера и составлен из горизонтальных дренажных скважин с длиной, обеспечивающей продвижение борта на 2-3 заходки.

2. Дренажный комплекс по п.1, отличающийся тем, что при большей мощности обводненных пород он имеет дополнительные горизонтальные дренажные скважины, заложенные нормально к направлению потока подземных вод над аналогичными горизонтальными дренажными скважинами заложенными нормально к потоку на отметках подошвы водоносного горизонта.

3. Дренажный комплекс по п.1, отличающийся тем, что при наличии нескольких водоносных горизонтов, вертикальные стволы заглублены ниже подошвы нижнего горизонта, а из каждого ствола на эти горизонты заложены дополнительные встречные горизонтальные дренажные скважины.