Способ управления водопритоками в горные выработки из подрабатываемых водных объектов

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при отработке полезных ископаемых под водными объектами. Задачами изобретения являются повышение безопасности ведения горных работ, снижение трудоемкости защитных мероприятий и увеличение полноты выемки запасов полезного ископаемого. Способ включает определение параметров разработки залежи: нижней границы водного объекта, нижней границы водоупорных отложений, мощности водоупора, вынимаемой мощности залежи, размеров выемочного участка по падению и простиранию, а также определение высоты развития зоны водопроводящих трещин и отработку залежи системами с обрушением налегающих пород. Для определения высоты зоны водопроводящих трещин рассчитывают величину горизонтальной деформации растяжения на заданном горизонте над очистной выработкой, сопоставляют ее с граничным критерием деформации. Отработку залежи начинают с учетом коэффициента фильтрации и расчетного водопритока в горные выработки, определяемого по приведенному математическому выражению. Если ожидаемый водоприток превосходит максимально возможный для данной выработки, размеры площади последней уменьшают формированием разделительных целиков, ширина которых равна удвоенной величине вынимаемой мощности залежи, но не менее 10 м.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к безопасным способам отработки полезных ископаемых под водными объектами.

Цель изобретения: повышение безопасности ведения горных работ, снижение трудоемкости защитных мероприятий и увеличение полноты выемки запасов полезного ископаемого за счет обеспечения допустимых водопритоков в горные выработки.

Практика горного дела у нас и за рубежом богата опытом ведения горных работ под водными объектами.

Известен способ управления геофильтрационным состоянием горного массива (А.с. SU 1643719, Бюл. №15 от 23.04.91), заключающийся в том, что с целью повышения эффективности отработки пластов на месторождениях со сложными гидрогеологическими условиями за счет увеличения устойчивости обнажении пород и снижения вредного влияния горных работ на водные ресурсы проходят подготовительные выработки, производят очистную выемку и крепление выработанного пространства, забор водопесчанной смеси с помощью пробуренных из подготовительных выработок через водоупорные породы скважин. При этом водопесчанную смесь подвергают обезвоживанию, обезвоженный песок закладывают в выработанное пространство, а воду перекачивают в природный водоток.

Недостаток этого способа: большие эксплуатационные затраты, связанные с бурением скважин, отбором водопесчанной смеси и закладкой выработанного пространства обезвоженным песком и, как следствие, высокая себестоимость добываемого полезного ископаемого и его неконкурентноспособность. Кроме того, этот способ не применим в тех условиях, когда водоносный горизонт представлен скальными и полускальными породами, например закарстованными известняками.

Известен способ уменьшения притока воды в горные выработки (АС SU 1617145, Бюл. №48 от 30.12.90), заключающийся в том, что производят осушение обводненных пород отработкой пласта на расстоянии от них менее высоты зоны водопроводящих трещин, но более половины этой высоты. При этом отработку пласта начинают от границы зоны затопления на расстоянии в плане, определяемом по расчетной формуле в зависимости от шага первичной посадки основной кровли, расстояния от пласта по вертикали, угла залегания пласта и угла разрыва отложений. После первичной посадки основной кровли отработку пласта ведут со скоростью, определяемой в зависимости от допустимого водопритока в горную выработку, мощности слоя обводненных пород, коэффициента их водообильности и длины слоя обводненных пород по простиранию.

Недостатком данного способа является: невозможность его применения при очень больших запасах подземных вод (сотни тысяч-миллионы м³), когда мощность водоносного горизонта составляет более 100 м. Кроме того, данный способ позволяет управлять водопритоками только путем регулирования скорости очистной выемки пласта. При этом не учитываются такие важные параметры, как мощность вынимаемой залежи, пролет выработанного пространства, коэффициент фильтрации подработанных пород, что существенно влияет на высоту развития зоны водопроводящих трещин и фактический водоприток в горные выработки. Все это приводит к неопределенности в управлении водопритоками в горные выработки.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения ожидаемого водопритока в горные выработки при подработке водных объектов (Гвирцман Б.Я. Безопасная выемка угля под водными объектами. М.: Недра. 1977, с. 142). Способ заключается в расчете ожидаемого водопритока по формуле:

Q=0,04KJF_b,

где К - средний коэффициент фильтрации подработанной толщи в направлении, нормальном к напластованию, м/сут;

J - градиент напора;

F_b - площадь выработанного пространства под водным объектом, м.

Основой коэффициента фильтрации является высота зоны водопроводящих трещин (ЗВТ), которая определяется на основе натурных наблюдений с помощью гидрологических скважин либо по расчетной формуле в зависимости от мощности пласта и расчетной кривизны с учетом строения подрабатываемого массива.

Недостатки данного способа: определение высоты развития ЗВТ с помощью гидрогеологических скважин - дорогостоящий и трудоемкий способ, а метод расчета, построенный по результатам моделирования, не учитывает основного параметра - размера очистной выработки. Кроме того, данный способ не предусматривает сопоставления ожидаемого водопритока с максимально допустимым и возможности изменения параметров очистной выработки и тем самым регулирования водопритока.

Сущность способа управления водопритоками в горные выработки из подрабатываемых водных объектов состоит в следующем.

Отработку пластообразной рудной залежи под водоносным горизонтом или другим водным объектом, отделенным водоупорными отложениями, ведут системами с обрушением налегающих пород. При этом не допускают образования сквозных каналов гидравлической связи в водоупорных отложениях.

На стадии планирования развития очистных работ определяют основные параметры разработки залежи: нижнюю границу водного объекта, нижнюю границу водоупорных отложений, мощность водоупора, вынимаемую мощность залежи, размеры выемочного участка по падению и простиранию.

Определяют высоту развития зоны водопроводящих трещин (ЗВТ) на основе расчета горизонтальных деформаций растяжения _x на заданном горизонте У в заданной точке Х (в условной системе координат) и сопоставления с граничным критерием деформации появления первичных трещин разрыва _x=410^-3 и высоты развития ЗВТ над выработкой по критерию _x=610^-3.

Расчет горизонтальных деформаций растяжения производят по непрерывной функции распределения:

,

где m - вынимаемая мощность залежи, м;

b - конечный пролет выработанного пространства, м;

n - параметр, характеризующий крепость пород массива на участке от выработки до заданного горизонта.

В случае, если ЗВТ распространилась выше нижней границы водоупорных отложений, определяют коэффициент фильтрации (K_Ф) подрабатываемой толщи пород. K_Ф устанавливается эмпирическим путем для конкретных горно-геологических условий. В общем виде K_Ф=(10-12)_x.

Определяют расчетный водоприток в горные выработки из подрабатываемого водного объекта по формуле:

где H - высота напорных вод вышележащего массива, м;

m₀ - мощность водоупорной толщи, м;

F - площадь подрабатываемого участка, м².

Расчетный водоприток сопоставляют с максимально возможным водопритоком для данной очистной выработки, т.е. с таким водопритоком, с которым в состоянии справиться насосные установки.

При превышении расчетного водопритока над максимальным размеры очистной выработки уменьшают путем формирования одного или нескольких разделительных целиков, ограничивающих пролет. При этом ширина целика равна удвоенной величине вынимаемой мощности залежи, но не менее 10 метров.

В отличие от прототипа высоту зоны водопроводящих трещин определяют на основе расчета горизонтальных деформаций растяжения и сопоставления с граничным критерием деформации. Отличительным признаком является также определение допустимого водопритока, сравнение его с максимально возможным и уменьшение пролета очистной выработки за счет формирования разделительных целиков в случае превышения расчетного водопритока над максимально возможным для данной очистной выработки.

Пример расчета высоты ЗВТ и ожидаемых водопритоков

Календарным планом предусматривается к отработке участок со средней мощностью 4,0 м и размерами по простиранию 200 м, по падению 120 м на гор. – 500 м.

Нижняя граница водоупора залегает на высоте 70 м над кровлей залежи. Мощность водоупора - 100м, непосредственно над ним залегает второй водоупор мощностью также 100 м.

Для данных условий необходимо определить высоту ЗВТ в подрабатываемом массиве, величину горизонтальных деформаций на нижней границе водоупоров, ожидаемые водопритоки в процессе отработки участка и при необходимости предусмотреть специальные меры защиты для обеспечения безопасности горных работ от затопления.

При сплошной отработке участка по падению пролет выработанного пространства изменяется от 0 до 120 м. С пролетом 60 м будет отработана верхняя половина участка площадью F=60 м200 м=12000 м². И только при отработке нижней половины выемочного поля пролет выйдет на уровень 120 м. Поэтому сначала рассмотрим влияние верхней половины отрабатываемого участка с пролетом 60 м.

Величина горизонтальной деформации на нижней границе водоупора _p=710^-3. Высота ЗВТ - 75 м.

Коэффициент фильтрации водоупора в данных условиях подработки (Н=70 м) вычисляется по формуле К_Ф=11_p, K_Ф=11710^-3=0,077 м/сут.

Ожидаемый водоприток вычисляется по формуле:

Максимально возможный водоприток для данного выемочного поля составляет 200 м³/ч.

Выполненные расчеты показывают, что отработка верхней половины планируемого участка будет происходить при пролетах выработанного пространства от 0 до 60 м и сопровождаться допустимыми деформациями растяжения на нижней границе водоупора (_р=710^-3) при высоте развития ЗВТ до 75 м, а водопритоки выйдут на уровень 95 м³/ч.

При доработке участка пролет выработки составит 120 м, площадь подработки F=24000 м². Высота ЗВТ составит 120 м. Для деформации растяжения на нижней границе водоупора для высоты Н=70 м (b=120 м, m=4 м) получаем значение _p=1710^-3; K_ф=111710^-3=0,187 м/сут. Ожидаемый водоприток вычисляется по формуле:

Расчетное значение водопритока в этом случае более чем в два раза превышает допустимый, поэтому необходимо предусмотреть оставление двух разделительных целиков шириной 10 м при отработке нижней половины участка. При этом получаем три изолированных выемочных блока размером 6060 м каждый. Высота ЗВТ ограничится нижней границей водоупора 70 м. Деформации растяжения на этом уровне составят 710^-3, а водоприток с одного блока при К_Ф=0,077 м/сут не превысит:

Суммарный водоприток с выемочного поля составит 180 м³/ч на конечный момент доработки участка.

Выполненные расчеты показывают, что разрезка нижней половины участка на три блока путем оставления разделительных целиков по падению позволяет обеспечить сохранность водоупоров первого и второго и безопасность горных работ от затопления.

Формула изобретения

Способ управления водопритоками в горные выработки из подрабатываемых водных объектов, включающий определение параметров разработки залежи: нижней границы водного объекта, нижней границы водоупорных отложений, мощности водоупора, вынимаемой мощности залежи, размеров выемочного участка по падению и простиранию, а также определение высоты развития зоны водопроводящих трещин и отработку залежи системами с обрушением налегающих пород, отличающийся тем, что для определения высоты зоны водопроводящих трещин рассчитывают величину горизонтальной деформации растяжения на заданном горизонте над очистной выработкой, сопоставляют ее с граничным критерием деформации, и отработку залежи начинают с учетом коэффициента фильтрации и расчетного водопритока в горные выработки, при этом ожидаемые водопритоки вычисляют по формуле

где K_ф – коэффициент фильтрации водоупора, м/сут;

H - высота напорных вод вышележащего массива, м;

m₀ - мощность водоупорной толщи, м;

F - площадь подрабатываемого участка, м²,

при этом, если ожидаемый водоприток превосходит максимально возможный для данной выработки, размеры площади последней уменьшают формированием разделительных целиков, ширина которых равна удвоенной величине вынимаемой мощности залежи, но не менее 10 м.