Основные рекомендации по методике постановки и проведения опытно-фильтрационных работ на месторождениях полезных ископаемых
|
Опытные откачки как метод определения фильтрационных параметров являются наиболее близкой моделью процесса осушения месторождения. Одиночные откачки дают лишь ориентировочные сведения о фильтрационных свойствах некоторого локального участка месторождения. Результаты одиночных откачек решающим образом зависят от ряда трудно учитываемых факторов, таких как сопротивление фильтра и прифильтровой зоны, степень вскрытия водоносного горизонта, неравномерность работы насоса. Все это во многих случаях приводит к тому, что процесс фильтрации не может быть проинтерпретирован достаточно надежно. Поэтому одиночные откачки в период разведки должны использоваться в основном для сравнительной качественной характеристики водоносных слоев (по степени водообильности пород) и лишь при бурении скважин с промывкой чистой водой они могут применяться и для ориентировочной оценки величины водопроводимости (преимущественно по результатам восстановления уровня после откачки). Расшифровке результатов одиночных откачек в многослойных толщах, в закарстованных или неравномерно-трещиноватых породах способствует метод расходометрии. Кустовые откачки позволяют решить значительно больший круг задач и с большей точностью, ибо, используя наблюдательные скважины, можно исключить или свести к минимуму влияние вышеупомянутых факторов, действующих вблизи центральной скважины. Кроме того, нередко представляется возможность проследить влияние откачки из опробуемого водоносного горизонта на другие водоносные горизонты, а также установить анизотропию фильтрационных свойств по площади распространения и по мощности данного горизонта. В силу значительной длительности такой откачки в пластах ограниченных размеров она нередко помогает уточнить и граничные условия. Для мощных комплексов трещиноватых или закарстованных пород с целью выявления изменения проницаемости с глубиной, а также для водоносных горизонтов, состоящих из двух-трех мощных слоев для определения проницаемости отдельных слоев могут применяться поинтервальные откачки. Наиболее надежные результаты такие откачки дают при проведении их по мере углубления центральной скважины в процессе бурения. Целесообразно при этом проводить бурение центральной скважины после проходки пробной (наблюдательной) скважины небольшого диаметра. От поинтервальных откачек можно отказаться при использовании метода расходометрии. Требования к оборудованию и расположению опытных скважин при откачке. Центральная скважина должна быть, как правило, совершенной и по возможности конструктивно-подобной намечаемым эксплуатационным скважинам. Лишь в заведомо однородных изотропных пластах сравнительно большой мощности m (более 12—15 м) могут применяться несовершенные скважины, длина фильтра которых должна превышать величину (0,1—0,2)m. Несовершенные скважины используются и при опробовании комплексов трещиноватых пород, в которых отсутствует фиксированный нижний водоупор; в этих условиях желательно принимать длину рабочей части скважины отвечающей заглублению предполагаемых дренажных выработок (скважин). При опробовании отдельных слоев двух-трехслойного водоносного горизонта фильтр устанавливается в середине опробуемого слоя. Наблюдательные скважины должны, в общем случае, оборудоваться на всю мощность той водоносной толщи, на которую оборудована центральная скважина. В частности, при проведении откачки одновременно на несколько водоносных горизонтов (вскрытых центральной скважиной) наблюдательные скважины оборудуются на те же водоносные горизонты (на все одновременно). При опытах, имеющих целью оценку перетекания, наблюдательные скважины оборудуются обособленно на опробуемый и взаимодействующий с ним горизонты, В однородных пластах фильтр может иметь ограниченную длину (порядка 3—5 м) и располагается произвольно; исключением являются те наблюдательные скважины, которые удалены от центральной на расстояние, не превышающее мощности опробуемого слоя: они по возможности оборудуются фильтром на всю длину. При кустовой откачке наблюдательные скважины располагаются на предрассчитанной площади развития депрессионной воронки, в пределах той ее зоны радиусом R(t). где к концу откачки ожидается понижение уровней не менее 20—30 см. С этой точки зрения наблюдательные скважины целесообразно бурить после ориентировочной оценки фильтрационных свойств пород на опробуемом участке по результатам прокачки центральной скважины. Прокачка должна проводиться с максимально возможным дебитом (с периодическими «рывками» в работе насоса) и иметь продолжительность не менее одной смены. Если ожидается существенное влияние дополнительного сопротивления прифильтровой зоны центральной скважины, то целесообразно иметь затрубную наблюдательную скважину. Первую наблюдательную скважину целесообразно располагать на расстоянии r1, примерно равном величине (0,1/0,2)R(t), причем в пластах ограниченной мощности желательно выполнение условия r1≥m. Вторую скважину рекомендуется располагать на расстоянии порядка 2r1 от первой, третью — на расстоянии порядка 4r1 от второй и т. д. В целом намеченные наблюдательные скважины должны умещаться в пределах предрассчитанной зоны интенсивного понижения уровня. При большом числе наблюдательных скважин по лучу (более трех-четырех) целесообразно располагать их в зоне предполагаемой депрессионной воронки, последовательно увеличивая расстояния между соседними скважинами примерно по закону геометрической прогрессии. Общее число наблюдательных скважин, проходимых на опробуемый водоносный комплекс, намечается в зависимости от степени однородности слагающих его пород (в плане), о которой можно судить по геологическим материалам, а также по данным опытных работ, проведенных на первых этапах разведки. В достаточно однородных породах можно ограничиться проходкой двух-трех наблюдательных скважин. Для оценки параметров перетекания необходимо оборудовать парные наблюдательные скважины — на основной и взаимодействующий горизонты. Однако при необходимости учета неоднородности или фильтрационной анизотропии пород (например, трещиноватых или закарстованных) в зоне влияния откачки, а также при постановке откачки с целью оценки проницаемости на границе пласта (сброс, река с закольматированным руслом и т. п.) опыт должен проводиться не менее чем при 4—8 наблюдательных скважинах, расположенных по двум взаимно перпендикулярным лучам. При заранее установленных границах неоднородности (или главных направлениях анизотропии) один из этих лучей следует располагать параллельно границе (или по главному направлению анизотропии), причем рекомендуется соблюдать условие r1≤L/3, где r1 и L — расстояния от центральной скважины соответственно до наблюдательной скважины и до границы. При проведении мощных откачек большой продолжительности (несколько десятков суток) число наблюдательных скважин и наблюдательных лучей может быть и большим. В частности, в водоносном горизонте (комплексе) сложного строения, при наличии тектонических зон, окон, участков выклинивания и т. д., наблюдательные скважины должны располагаться таким образом, чтобы учесть специфичность условий на всех особых участках, попадающих в зону влияния откачки. Для этого желательно использовать все существующие или намеченные к бурению скважины, пригодные для выполнения наблюдений и попадающие в зону влияния; при отсутствии таковых должны проходиться специальные наблюдательные скважины, которые впоследствии могут быть использованы для режимных наблюдений. Оборудование наблюдательных пьезометров на слои слабопроницаемых глинистых пород не рекомендуется ввиду низкой точности результатов: надежные замеры в таких породах могут дать лишь скважины, оборудованные специальными датчиками. Режим опытной откачки. Поскольку уровень в центральной скважине зависит не только от притока воды к ней, но и от многих трудно учитываемых побочных факторов (режим работы насоса, состояние фильтра и породы за фильтром, гидродинамическое совершенство скважины), то при проведении откачек, особенно одиночных, целесообразно обычно ориентироваться на режим заданного дебита скважины (что не относится к свободным выпускам), равного номинальной производительности насоса, Следует считать обязательным прослеживание процесса восстановления уровня по прекращении работы насоса. Надежность и ценность сведений, получаемых при откачке, существенно зависят от величины дебита. При малодебитной откачке ни количество наблюдательных скважин, ни продолжительность откачки не компенсируют ничтожности влияния ее на природную обстановку, а это резко снижает точность опыта. Поэтому, в частности, в условиях весьма водообильных водоносных горизонтов следует вести откачку из нескольких скважин, оборудованных достаточно мощными (эксплуатационными) насосами; впоследствии эти скважины могут использоваться в целях осушения, Вместе с тем, при одиночных откачках дебит не должен быть слишком большим, так как в противном случае уровень в скважине может быстро снизиться в процессе опыта до отметки установки насоса (или до водоупора), после чего дебит начнет падать. Интерпретация такой одиночной откачки оказывается затруднительной. В целом производительность насоса должна назначаться с учетом результатов предварительной разведки и первых данных, полученных при детальной разведке. При этом следует стремиться к тому, чтобы понижение уровня в центральной скважине, как минимум, измерялось бы несколькими метрами. Традиционные требования о необходимости проведения откачек при нескольких понижениях уровня и об ограничении понижения в центральной скважине S0 величиной (0,3/0,5)Smax являются в общем случае необоснованными и приводят к заметному снижению точности результата. В частности, при одной и той же общей продолжительности откачки один опыт с постоянным дебитом дает несравнимо более точную информацию о фильтрационных параметрах, чем три опыта, проведенные при трех различных понижениях уровня. Поэтому кустовые откачки при нескольких понижениях уровня могут быть признаны целесообразными лишь в относительно редких специальных случаях, например, при изучении зависимости «дебит—понижение» для оценки сопротивления прифильтровой зоны, при раздельном изучении проницаемости двухслойного пласта или комплекса трещиноватых и закарстованных пород с убывающей (по глубине) проницаемостью. В последнем случае максимальное понижение уровня должно быть соизмеримо с ожидаемой величиной активной зоны фильтрации. Переходя к вопросу о продолжительности откачки, заметим, что кратковременное испытание, длительность которого находится в рамках резко неустановившейся фильтрации, трудно интерпретировать с достаточной надежностью: во-первых, определяющими при таком опыте являются не параметры водоносного горизонта в целом, а свойства прискважинной части этого горизонта, которая обычно претерпевает (в процессе бурения и подготовки откачки) наибольшие изменения своего состава и состояния; во-вторых, возмущение в начале откачки носит скачкообразный характер; в-третьих, обычно применяемые методы обработки откачки не учитывают ряда факторов, наиболее существенно проявляющихся именно при кратковременных откачках. Поэтому продолжительность откачки не может быть стандартизирована и должна назначаться с учетом первых результатов разведки, исходя из условия, чтобы все подлежащие изучению процессы проявились в полной мере. В частности, в расчетах желательно использовать понижения уровня в наблюдательных скважинах, превышающие 20—30 см, причем они должны быть, как минимум, в 7—10 раз больше, чем «естественные» колебания уровней в период откачки. В процессе проведения опыта предварительно намеченная продолжительность его уточняется по данным наблюдений за уровнями в центральной (при одиночной откачке) и наблюдательных скважинах. Первые результаты наблюдений обрабатываются (в соответствии с заранее намеченной методикой); опыт продолжается до достижения достаточно надежного результата. Обязательным элементом при определении допустимости прекращения откачки является составление в процессе откачки индикаторного графика S= f(lg t); откачка, как правило, может быть прекращена лишь после получения четко выраженного прямолинейного участка графика. Необходимо, однако, помнить, что график S = f(lg t) может иметь несколько участков, аппроксимирующихся прямой линией. Поэтому откачку следует продолжать некоторое время и после получения прямолинейного участка графика S = f(lg t), с тем чтобы убедиться, что этот участок отвечает именно той фазе фильтрации, достижение которой является конечной (заранее намеченной) целью данной откачки. График приобретает первостепенное значение, если до начала откачки возможная расчетная схема настолько неопределенная, что одной из целей откачки является ее уточнение. Следует отметить, что уменьшение скорости понижения в наблюдательной или центральной скважинах до величин, близких к погрешности замера, в общем случае отнюдь не является признаком достижения установившегося режима фильтрации и, следовательно, не может служить показателем для прекращения откачки. Продолжительность кустовой откачки даже в простейших условиях, когда требуется определить только коэффициент фильтрации или водопроводимость, должна быть не менее 3—5 сут., а при производстве мощных кустовых откачек (с большими дебитами) и при необходимости надежного изучения коэффициентов уровнепроводности (пьезопроводности) или параметров перетекания она может возрастать до 4—6 недель. Исключением в этом отношении являются откачки, проводимые вблизи контуров обеспеченного питания. Повышенную длительность должны иметь откачки, проводимые в массивах закарстованных пород, так как большие статические запасы, в сочетании со сравнительно малыми уклонами депрессионной кривой, часто приводят к завышению расчетной водопроводимости при интерпретации кратковременных откачек. Широко рекомендуемые в некоторых руководствах «экспресс-методы» могут применяться лишь для качественного опробования водоносных слоев и мало пригодны для надежного определения фильтрационных параметров. В частности, опробуя центральную скважину каким-либо «экспресс-методом», можно более обоснованно наметить время откачки и расположение наблюдательных скважин. Опытно-эксплуатационное водопониженне. На месторождениях с особо сложными гидрогеологическими условиями материалы разведки нередко оказываются недостаточными для обоснованного выбора схемы осушения. При этом проведение дополнительных исследований разведочного характера признается нецелесообразным по экономическим соображениям или ввиду сжатых сроков предстроительного периода, В подобных условиях задача получения дополнительных сведений, необходимых для доработки проекта, окончательного выбора и обоснования схемы осушения карьерного поля (в процессе поэтапного проектирования) возлагается на опытно-эксплуатационное водопонижение. Такое водопонижение оказывается целесообразным: - на месторождениях со сложными условиями питания подземных вод, когда в результате детальной разведки остаются неясными условия на границах водоносных пластов (например, река с заиленным руслом) или само положение этих границ; - на месторождениях, в гидрогеологическом строении которых участвуют несколько взаимодействующих водоносных горизонтов, характеризующихся достаточно высокой водообильностью, точнее говоря, — горизонтов, требующих глубинного дренажа; - на месторождениях, расположенных в закрытых мульдообразных структурах; - на месторождениях, приуроченных к достаточно обводненным, неоднородно трещиноватым или закарстованным породам, проницаемость которых резко изменяется на отдельных участках осушаемого массива, В этих условиях предварительный расчет осушительного эффекта, выполненный на базе данных опытных откачек, является сугубо приближенным, так как опытные откачки, в силу своей относительной кратковременности и ограниченности охватываемой ими территории, обычно не могут выявить достаточно подробно гидрогеологическую обстановку: в первом случае — граничные условия водоносных горизонтов, во втором — значение процессов перетекания, в третьем — скорость возможного истощения водоносных пластов, в четвертом — статические запасы вод и возможные динамические притоки. Одной из задач опытно-эксплуатационного водопонижения может являться также дополнительная оценка эффективности дренажных устройств и насосного оборудования. Опытно-эксплуатационное водопонижение осуществляется по специальному проекту. Схема такого водопонижения, объемы соответствующих дренажных работ и время проведения водопонижения намечаются, с одной стороны, с учетом требования обеспечения нормальных условий ведения работ на участке первоочередного вскрытия, а с другой стороны, исходя из гидрогеологических факторов, подлежащих дополнительному изучению в процессе водопонижения. При достаточно однородном (в плане) строении водоносных комплексов опытно-эксплуатационное водопонижение целесообразно осуществлять контурной системой равноотстоящих водопонижающих скважин» окружающих участок первоочередного вскрытия; при наклонном залегании водоносных пластов целесообразно использовать линейную систему, В условиях неоднородного (в плане) строения водоносных комплексов скважины располагаются в пределах зон с максимальной проводимостью, с пониженными отметками водоупорного ложа и т. д., приуроченных к участку первоочередного вскрытия. Необходимое число скважин обосновывается расчетом, исходя из требований к осушению; после первых этапов водопонижения число скважин может быть при необходимости увеличено. Перед осуществлением водопонижения оборудуется сеть наблюдательных скважин. Необходимая продолжительность и интенсивность опытноэксплуатационного водопонижения ориентировочно оцениваются расчетом, исходя из требований горных работ и из того условия, чтобы подлежащие изучению процессы успели проявиться в достаточной мере. В дальнейшем необходимая продолжительность работ уточняется по мере наблюдений за водопонижением. Обычно она должна быть не менее 3—6 мес. |
