Типовые схемы подработки водных объектов

Можно выделить несколько типовых схем подработки водных объектов, которые базируются на обширной информации, включающей в себя характеристику водного объекта, горно-геологические условия месторождения, закономерности сдвижения горных пород, а также сведения о проектных (или фактических) системах разработки рудных залежей.

Рассмотрим первую типовую схему подработки истинного водного объекта и формирование прорыва воды в горные выработки (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Схема подработки истинного водного объекта: 1 — уровень подземных вод; 2 и 3 — контуры подработки водного объекта, фактический и прогнозный соответственно; 4 — истинный поверхностный водный объект; 5 — рыхлые отложения; 6 — кристаллические водопроницаемые породы; 7 – зона разрывных нарушений; 8 и 9 — соответственно неотработанная и отработанная части рудной залежи.

В рассматриваемом примере месторождение приурочено к массиву трещиноватых скальных пород, которые перекрыты рыхлыми отложениями небольшой мощности. В разрезе рыхлых отложений отсутствуют плывунные пески, ил, торф. Рудная залежь и вмещающие породы залегают наклонно.

Гидрогеологические условия шахтного поля характеризуются развитием нескольких водоносных горизонтов. Водоносные горизонты нижнего структурного этажа приурочены к трещиноватым скальным породам, фильтрационные свойства которых закономерно затухают с глубиной. На некоторой глубине трещиноватые скальные породы обводнены спорадически только в зонах разрывных нарушений и дроблений. В трещиноватых скальных породах выделяются как минимум два водоносных горизонта, которые разобщены водоупорными (или относительно водоупорными) породами. В пределах одного водоносного горизонта ведутся горные работы, второй непосредственно горными работами не вскрывается, однако он имеет гидравлическую связь с поверхностным истинным водным объектом.

Водоносные горизонты верхнего структурного этажа (в рыхлых породах) маломощные, фильтрационные свойства вмещающих их горных пород низкие; на формирование водопритоков в горные выработки водоносные горизонты существенно не влияют.

Подрабатываемые водные объекты в рассматриваемом примере являются как подземными (водоносные горизонты), так и поверхностными. В обоих случаях они относятся к истинным, т.е. в их разрезе нет пород, опасных по прорывам в горные выработки.

Месторождение разрабатывается подземным способом сверху вниз системами с обрушением руды и вмещающих пород. Принятые порядок и системы разработки определяют постоянное развитие сдвижения горных пород и земной поверхности и , как следствие, соответствующее перемещение контура подработки водных объектов.

При достижении некоторой глубины произойдет подработка водоносного горизонта (подземного истинного водного объекта), который гидравлически связан с поверхностным водным объектом. Если горные работы будут и далее вестись принятыми системами, то возможна непосредственная подработка истинного поверхностного водного объекта.

В данной типовой схеме основным вопросом является определение закономерностей формирования водопритоков в горные выработки. Математически строго эта задача сводится к решению системы дифференциальных уравнений, описывающих основные законы фильтрации подземных вод.

Вторая типовая схема представляет собой подработку специфических водных объектов, которая может сопровождаться внезапными прорывами в горные выработки увлажненных песчано-глинистых пород. В качестве примера рассмотрим случай подработки горными работами гидроотвала (рис. 9.2)

Рис. 9.2. Схема подработки специфического водного объекта: 1 — гидроотвал; 2 — уровень подземных вод; 3 — прогнозный контур подработки водного' объекта; 4 — суглинки; 5 — глина; 6 — кристаллические водопроницаемые породы; 7—руда

Месторождение полезного ископаемого приурочено к трещиноватым скальным породам, которые повсеместно перекрыты рыхлыми осадочными породами. В пределах шахтного поля расположен гидроотвал песчано-глинистых пород. В разрезе рыхлых осадочных отложений имеются горные породы, опасные по прорывам в горные выработки (суглинки и глины). Опасными по прорывам в горные выработки являются и породы, размещенные в отвале.

В геологическом разрезе месторождения выделяются два водоносных горизонта. Нижний водоносный горизонт приурочен к трещиноватым скальным породам и характеризуется низкими фильтрационными свойствами (проницаемостью и водоотдачей), которые с увеличением глубины уменьшаются, и на некоторой глубине скальные породы становятся практически непроницаемыми, обводненными спорадически только в зонах разрывных нарушений и дроблений. Верхний водоносный горизонт приурочен к рыхлым осадочным породам и породам, размещенным в отвале. Отвал рыхлых пород занимает значительную площадь, является аккумулятором атмосферных осадков и внутренним источником питания верхнего водоносного горизонта. Дополнительное питание приводит к поднятию уровня подземных вод в верхнем водоносном горизонте, водонасыщению ранее безводной части рыхлых пород и, как следствие, увеличению их прорывоопасности.

Месторождение полезного ископаемого проектируется к разработке подземным способом системами с обрушением руды и вмещающих пород. По мере развития горных работ в обрушение будут вовлечены не только рыхлые горные породы, покрывающие месторождение, но и породы, размещенные в отвале.

В данном случае система уравнений, описывающих прорывы увлажненных песчано-глинистых пород в горные выработки, может быть представлена дифференциальными уравнениями движения вязких жидкостей с соответствующими параметрами.

Третья типовая схема относится к случаю, когда подрабатываются переходные водные объекты и может произойти внезапный прорыв в горные выработки воды с интенсивным выносом размытых рыхлых пород.

Для формирования таких прорывов необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:

· присутствие в геологическом разрезе месторождения (или в разрезе подрабатываемого переходного водного объекта) легко размываемых рыхлых пород или пород, характеризующихся плывунными свойствами (торф, ил, плывунные пески, глины и др.);

· наличие гравитационной воды в водном объекте в количестве, достаточном для формирования струйчатых потоков в горном массиве, деформированном процессами сдвижения.

Таким образом, в данном случае необходимо анализировать возможности реализации как прорывов воды в горные выработки (что происходит при подработке истинных водных объектов), так и прорывы песчано-глинистых пород (характерных для случая подработки специфических водных объектов).

При подработке болот, шламо-, хвостохранилищ, плывунных песков и других переходных водных объектов указанные условия выполняются одновременно.

Схема размещения основных элементов, отражающая взаимное пространственное расположение горных работ, контура подработки водных объектов и подрабатываемого водного объекта переходного типа, изображена на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Схема подработки водного объекта переходного типа: 1 — уровень подземных вод; 2 — переходный водный объект; 3 — прогнозный контур подработки водного объекта; 4 — суглинки; 5 — илы; 6 — глинисто-щебенистый элювий; 7 — кристаллические водопроницаемые породы; 8—руда.

Предположим, месторождение полезного ископаемого приурочено к трещиноватым скальным породам и перекрыто рыхлыми осадочными отложениями. В составе рыхлых пород выделяются глинистый и глинисто-щебенистый элювий, супеси и суглинки. Рудное тело имеет непосредственный выход под рыхлые породы или выклинивается на небольшой глубине. По мере погружения рудное тело уходит под водный объект.

Гидрогеологические условия месторождения определяются наличием в геологическом разрезе двух водоносных горизонтов. Нижний водоносный горизонт приурочен к трещиноватым скальным породам, водопроницаемость которых определяется интенсивностью развития региональной и локальной трещиноватости. Трещиноватость, развитие которой связано с процессами выветривания, с глубиной затухает, что приводит к закономерному уменьшению водопроницаемости горных пород. Локальная трещиноватость, обусловленная разрывной тектоникой, не зависит от глубины, поэтому, как правило, с 50—200 м скальные породы обводнены спорадически, только в зонах разрывных тектонических нарушений и дроблений. Верхний водоносный горизонт приурочен к покрывным суглинкам и супесям, гидравлически связан с водным объектом. Водоупорными породами, разделяющими водоносные горизонты в трещиноватых скальных породах и покровных отложениях, являются глины коры выветривания.

В рассматриваемом примере предполагается разработка месторождения подземным способом системами с обрушением руды и вмещающих пород. По мере понижения уровня горных работ будет наблюдаться деформация горного массива и, как следствие, будет подработан водный объект.

Водопритоки при разработке месторождения будут формироваться в результате дренирования горными работами водоносных горизонтов в трещиноватых скальных породах и в покровных рыхлых отложениях. Однако, учитывая низкие фильтрационные свойства водовмешающих пород и небольшую мощность рыхлых осадочных отложений, водопритоки в горные выработки за счет подземных вод будут умеренными. В то же время подработка поверхностного специфического водного объекта может иметь катастрофические последствия.

Особенность подрабатываемого водного объекта состоит в том, что он является аккумулятором не только большого количества воды, но также ила и торфа. Высокое содержание в иле и торфе связанной воды и коллоидных частиц, низкая водоотдача определяют возможность их течения как вязко-пластичной жидкости. Ил и торф — легко размываемые породы, поэтому в рассматриваемых условиях подработка водного объекта может сопровождаться внезапными прорывами воды с интенсивным выносом частиц размытых илов и торфов.-

Математическое описание прорывов воды с интенсивным выносом размытых горных пород представляет собой еще большие трудности, чем описание прорывов только воды или только увлажненных рыхлых пород. В гидрологии течение взвесенесущих жидкостей принято описывать уравнениями движения вязко-пластичных жидкостей. Поэтому в первом приближении для описания прорывов воды с интенсивным выносом размытых рыхлых пород можно использовать, как и для прорывов увлажненных рыхлых пород, уравнения фильтрации вязко-пластичной жидкости (как и в предыдущей типовой схеме).

В практике подземной разработки рудных месторождений наиболее распространен случай, когда подрабатываются два или даже все три типа водных объектов. Типовая схема подработки нескольких типов водных объектов является простой комбинацией типовых схем подработки каждого типа водных объектов.

Фактически типовые схемы, представленные на рис. 9.1 и 9.2, являются примерами одновременной подработки нескольких типов водных объектов, так как в каждой из них присутствуют подземные истинные водные объекты (водоносные горизонты).