Вопросы эффективности систем осушения в связи с задачами дренажа глубоких карьеров
|
Схемы осушения карьерных полей были подробно исследованы нами в работе. Поэтому в настоящей монографии рассмотрены лишь задачи осушения месторождений, вскрываемых глубокими карьерами, — задачи новые и недостаточно исследованные. Строительство и эксплуатация глубоких карьеров на месторождениях со сложными гидрогеологическими условиями неизбежно потребует осуществления широкого круга дренажных мероприятий, необходимых для обеспечения устойчивости бортов карьеров, улучшения условий работы горнотранспортного оборудования и снижения влажности полезного ископаемого. Стоимость этих мероприятий будет для многих месторождений достигать 10% и более от себестоимости полезного ископаемого. Из этого следует, что задача изыскания оптимальных способов и схем осушения играет не последнюю роль в общей проблеме разработки глубоких горизонтов карьеров. Между тем до настоящего времени специальных исследований этой задачи вообще не проводилось, если не считать некоторых эпизодических работ. Анализ первых проектных проработок по осушению глубоких карьеров показывает, что их авторы решают упомянутую задачу, основываясь, по сути дела, на традиционных принципах дренажа карьеров нормальной глубины. Здесь мы попытаемся, с одной стороны, доказать неправомерность такого подхода, а с другой — наметить пути исследования и решения задач дренирования глубоких карьеров. Прежде всего, определим основную специфику глубоких карьеров с точки зрения осушения: 1. Вскрытие карьером ряда гидравлически обособленных водоносных горизонтов приводит к образованию большого числа горизонтов высачивания по высоте борта и вызывает необходимость создания нескольких «дренажных этажей». В таких условиях предъявляются особые требования к организации внутрикарьерного водоотлива. 2. Исключительное значение приобретает задача дренирования напорных водоносных горизонтов, не вскрытых карьером, — независимо от их водообильности, так как консервация высоких напоров в прибортовой зоне будет оказывать решающее влияние на устойчивость бортов. Здесь уместно привести пример проектируемого Лермонтовского угольного карьера, где сохранение естественных напоров петребовало бы уменьшить угол борта в предельном положении почти в два раза. Такое уменьшение соответствует росту объема вскрыши примерно на 200 млн. м3 на каждый километр простирания борта, что поставило бы под сомнение саму экономическую целесообразность открытой разработки месторождения. 3. С другой стороны, влияние на общую устойчивость борта водоносных горизонтов, вскрытых карьером, будет обычно ослабленным, ввиду малой мощности ободненных пород в сравнении с общей высотой борта (например, большинство месторождений КМА). Кроме того, при работе экскаваторов на глубоких горизонтах относительно меньшее в целом развитие будут получать фильтрационные деформации и процессы набухания — разупрочнения пород, что улучшает условия применения открытого дренажа. Однако в тех случаях, когда борт карьера сложен слабофильтрующими породами с малой водоприемной способностью (гравитационная водоотдача менее 0,5—1%), инфильтрационное питание может обусловить сохранение значительных гидростатических и гидродинамических сил даже после вскрытия водоносных пород карьером. 4. Так как открытыми горными выработками обычно будут вскрываться и дренироваться практически все водоносные комплексы, используемые для водоснабжения прилежащей территории, то строительство глубоких карьеров в достаточно населенных районах поставит с особой остротой задачу увязки осушения с вопросами водоснабжения и регулирования режима поверхностных вод на больших площадях. 5. Повышенная глубина карьеров вносит свои особенности в возможные схемы их осушения и требует существенных корректив в накопленных предшествующим опытом представлениях о применимости современных технических средств дренажа. В частности, следует отметить: - целесообразность раздельного дренирования верхних (обычно более водообильных) и нижних водоносных комплексов; - необходимость самого широкого использования дренажных устройств, пройденных непосредственно из карьера; - низкую эффективность общепринятых в настоящее время конструкций водопонижающих скважин и погружных насосов для откачки из песчаных водоносных пород, залегающих на глубинах 150—200 м и более; - необходимость широкого внедрения таких схем и средств защиты от подземных вод, которые позволяют сохранить их естественные ресурсы. 6. Широкое развитие процессов истощения водоносных структур и «перетекания» между гидравлически связанными водоносными горизонтами резко осложняет прогноз режима подземных вод и фильтрационные расчеты при проектировании схем осушения. Это, с одной стороны, ставит повышенные (а порой и новые) требования к детальности и надежности гидрогеологических исследований при разведке месторождений, а с другой стороны, выдвигает на одно из первых по своему значению мест гидрогеологические наблюдения при строительстве и эксплуатации карьера, имеющие конечной целью корректировку первоначальной схемы осушения в процессе поэтапного проектирования. Принимая во внимание отмеченную специфику, рассмотрим принципиально возможные схемы осушения глубоких карьеров применительно к ранее выделенным типам месторождений. На месторождениях подгруппы A-1 карьером вскрывается горизонтально-слоистая толща преимущественно песчаных и мягких глинистых пород (например, месторождения КМА). Здесь рекомендуется по возможности делать основной упор на самотечные системы: горизонтальные скважины, пройденные из карьера, горизонтальный прибортовой дренаж и дренажные траншеи, пройденные в основании уступов фильтрующих пород, поглощающие и самоизливающие скважины. На нерабочих бортах карьеров такие системы могут применяться в большинстве случаев. Однако если в прибортовой зоне сохраняются высокие напоры, может оказаться целесообразным проведение контурного дренажного штрека (возможно, в несколько дренажных этажей — из общего наклонного ствола) с восстающими, наклонными и горизонтальными скважинами. На рабочих бортах горизонтальные скважины и дренажные траншеи (в частности, оборудованные переносными наклонными фильтрами) могут использоваться с наиболее высокой эффективностью при отработке обводненных пород по схеме с «недобором», применяемой, например, на Лебединском карьере. Для дренирования верхних горизонтов в благоприятных условиях следует шире применять поглощающие скважины. В тех случаях, когда использование эффекта поглощения невозможно, а применение горизонтальных скважин и дренажных траншей недопустимо по горнотехническим условиям, необходимо провести экономическое сопоставление систем водопонижающих скважин и подземных систем осушения. Отметим в связи с этим, что при проектировании конструкций дренажных стволов, проходимых для развития подземных систем осушения, необходимо принимать во внимание осадку толщи горных пород в процессе водопонижения. Для карьеров, строящихся в достаточно густонаселенных районах, где дренаж может привести к истощению запасов, используемых системами водоснабжения, необходимо изучить возможности применения водонепроницаемых завес. При этом могут оказаться вполне эффективными завесы, перекрывающие лишь верхние, наиболее водообильные комплексы, тогда как нижние горизонты, будучи достаточно изолированными от верхних, могут дренироваться обособленными дренажными системами. Отметим, наконец, что на весьма обводненных месторождениях, вскрывающих мощные толщи песчаных пород, условия осушения резко улучшаются (и, соответственно, стоимость дренажа снижается в несколько раз) при использовании на вскрышных, а иногда и добычных работах средств гидромеханизации (например, Бакчарское железорудное месторождение). На месторождениях подгрупп А-2 и А-3 карьерами вскрывается преимущественно слоистый комплекс наклонно залегающих плотных осадочных пород, в основном песчано-глинистого состава (песчаники, аргиллиты, алевролиты и т. п.). В качестве примера можно привести угленосные толщи Коркинского и Волчанского месторождений, а также некоторых месторождений Дальнего Востока. Для этих месторождений рекомендуется (по крайней мере, в первые годы строительства и эксплуатации) делать основной упор на глубинный дренаж системами водопонижающих скважин, а также горизонтальных и наклонных самоизливающих скважин, пройденных из карьера. По мере углубления карьера новые скважины могут проходиться с низовых берм и с подошвы карьера. Если после первых 5—10 лет работы карьера притоки из пород висячего бока и полезного ископаемого снизятся до таких величин, что они не будут оказывать заметного влияния на условия ведения горных работ и на влажность полезного ископаемого, то необходимость в глубинном дренаже этих пород полностью отпадает (например, Коркинский карьер). Особого внимания заслуживает дренаж напорных водоносных горизонтов лежачего бока, для чего могут применяться водопонижающие скважины (при коэффициентах фильтрации более 2—3 м/сут), а также наклонные и горизонтальные самоизливающие скважины, пройденные из карьера. Возможен, однако, вариант, когда эти системы не обеспечат снижения напоров, необходимого по соображениям устойчивости нерабочего борта; водопонижающие скважины, например, будут неэффективными при коэффициентах фильтрации пород менее 1—2 м/сут. В этих условиях приходится ориентироваться на проходку нескольких этажей дренажных штреков из общего наклонного ствола. Штреки дополняются восстающими, наклонными и горизонтальными дренажными скважинами. Подобный вариант может рассматриваться как один из вероятных для Лермонтовского угольного месторождения. На месторождениях группы Б карьером вскрывается комплекс скальных и полускальных пород, в основном изверженных и метаморфических (например, Сибайское меднорудное и Горевское полиметаллическое месторождения). Здесь глубинному дренажу обычно следует подвергать лишь породы тектонических зон дробления или закарстованные и сильнотрещиноватые карбонатные породы; для этого могут использоваться водопонижающие, в том числе и многозабойные, скважины, проходимые с поверхности, а затем — с низовых берм. В большинстве остальных случаев целесообразно ориентироваться на глубинный дренаж скважинами только в первые годы строительства карьера, имея в виду последующий переход на открытый дренаж. Это, однако, не исключает необходимости вскрытия самоизливающими скважинами из карьера отдельных зон напорных вод, в которых напоры могут «консервироваться» за водонепроницаемыми перемычками. Локальный глубинный дренаж водопонижающими скважинами целесообразен также на участках развития сильновыветрелых и измененных водоносных пород. Заканчивая рассмотрение схем осушения глубоких карьеров, следует обратить особое внимание на вопросы централизации водоотлива и организации внутрикарьерного и поверхностного стока. Так, при большом числе обособленных водоносных горизонтов может оказаться целесообразной проходка специальных водоотливных штреков в подошве карьера. Вместе с тем необходимо учитывать, что, при залегании наиболее водообильных пород в верхней части разреза, сброс вод на подошву карьера будет сопряжен с большими дополнительными затратами на откачку. Что же касается организации поверхностного стока, то этот вопрос приобретает совершенно особое значение по двум причинам: во-первых, ввиду необходимости всестороннего учета требований водоснабжения прилежащих объектов, а во-вторых, E связи с тем, что осуществление даже весьма широких мероприятий но поверхностному водоотводу может оказаться экономически более целесообразным, чем откачка инфильтрующихся вод с больших глубин. По этим причинам организация водоотвода и регулирование поверхностного стока при строительстве глубоких карьеров превращаются в комплексную задачу, при решении которой в каждом конкретном случае должны учитываться такие разнородные факторы, как возможности отвода рек или кольматации их русел, возможности создания новых водохранилищ, требования водоснабжения и санитарной охраны вод, а иногда — и целесообразность направленного вторичного поглощения откачанных подземных вод. Из сказанного следует, что перспективы дренирования глубоких карьеров ставят ряд новых проблем в теории и практике осушения месторождений полезных ископаемых. 1. В области разработки технических средств борьбы с подземными водами: - широкое внедрение водопонижающих скважин большого диаметра (0,8—1,0 м) и новых надежных типов погружных насосов — для откачки из песчаных пород; - серийное изготовление станков для бурения горизонтальных скважин длиной до 70 м в песчаных породах и до 200 м — в устойчивых водоносных породах, а также станков для бурения восстающих скважин длиной до 150 м из подземных выработок — в условиях высоких напоров; - широкое внедрение многозабойных скважин — для осушения трещиноватых и закарстованных пород; - серийное изготовление и внедрение переносных наслонных, фильтров — для крепления откосов дренажных траншей в неустойчивых породах; - усовершенствование технологии проходки и широкое промышленное внедрение водонепроницаемых завес по пескам и гравию, глубиной до 70 м и более; - разработка эффективных средств дренирования слабопроницаемых пород. 2. В области проектирования систем осушения и водоотвода: - разработка методики комплексного обоснования оптимальных схем осушения во взаимной увязке с проектом горных работ (для месторождений со сложными гидрогеологическими условиями экономические показатели осушения могут определять выбор схемы вскрытия и отработки месторождения), требованиями водоснабжения района и задачами охраны окружающей среды; - разработка схем осушения высоких отвалов в увязке с технологией отвалообразования; - разработка методики комплексного обоснования оптимальной системы поверхностного водоотвода во взаимной увязке с требованиями мелиорации земель, водоснабжения района и санитарной охраны вод; - разработка методов проектирования системы стационарных гидрогеологических наблюдений на территории карьерного поля с целью использования результатов наблюдений для корректировки проектной схемы осушения. |
