МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА (ВНИМИ)

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (УкрНИИпроект)

РУКОВОДСТВО

ПО ДРЕНИРОВАНИЮ КАРЬЕРНЫХ ПОЛЕЙ

Раздел III

ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ ОСУШЕНИЯ КАРЬЕРНЫХ ПОЛЕЙ

Раздел IV

ПРИМЕНЕНИЕ АНАЛОГОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РАСЧЕТАХ ОСУШЕНИЯ КАРЬЕРНЫХ ПОЛЕЙ

Ленинград 1968

МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА (ВНИМИ)

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ {УкрНИИпроект)

РУКОВОДСТВО

ПО ДРЕНИРОВАНИЮ КАРЬЕРНЫХ ПОЛЕЙ

Раздел ill

ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ

ОСУШЕНИЯ КАРЬЕРНЫХ ПОЛЕЙ

Раздел IV

ПРИМЕНЕНИЕ АНАЛОГОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РАСЧЕТАХ ОСУШЕНИЯ КАРЬЕРНЫХ ПОЛЕЙ

Ленинград 1968

1	L - 2	3	4
УИ	Расчет притоков и уровней при фильтрации к горизонтальным скважинам		гд.У1 § 3
УШ.	Расчет притоков и уровней при фильтрации к иглофильтрам.		гл.У1 § 4 п.Г

Примечание: понятие о типовых и сложных схемах изложено в гпЛ § 4 п*6.

Г Л А В A L ОБШИБ ВОПРОСЫ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАСЧЕТОВ

§ ^Гидродинамическая характеристика процесса осушения

1. С гидродинамической точки зрения, осушение месторождения является процессом формирования режима подземных вод в зоне действия карьера и его дренажной системы,, Различают три стадии развития этого процесса:

а)    стадия неупорядоченного (резко не установившегося) режима;

б)    стадия упорядоченного (квазистационарного) режима

в)    стадия установившегося режима*

2* В первый период строительства карьера, вследствие сравнительно быстрого понижения напоров и неодновременного включения дренажных устройств, фильтрация отвечает

стадии неупорядоченного режима* Однако» ввиду относитеяа*? ной кратковременности этой стадии, фильтрационные расчеты

осушения карьерных нолей в большинстве случаев» представляющих практический интерес» могут проводиться применительно к стадии квазистагшонарного, а позднее— я стационарного режима*

3* Упорядоченный характер движения подземных вод на стадии квазистанионарного режима позволяет ввести в расчеты существенные упрощения и учитывать изменения параметров потока во времени посредством приближенных (инженерных)методов» таких, как метод недеформируемых линий тока, метод последовательной смены стационарных состояний, метод фильтрационных сопротивлений, метод условного радиуса влияния и др*

4. Расчеты применительно к стадии неупорядоченного режима могли бы иметь практический смысл (в условиях осушения карьерных полей) преимущественно для опенки притоков к дренажным устройствам в пусковой период*Од-нако, эти расчеты обычно требуют использования более точных зависимостей теории не установившейся фильтрации, полученных только для нескольких частных случаев*

§2* Задачи фильтрационных расчетов процесса осушения

2« Общая задача фильтрационных расчетов осушения карьерного поля заключается в прогнозе режима подземных вод при открытой разработке месторождения, а также в

количественном обосновании системы осушения*

2, Частными задачами фильтрационных расчетов осушения карьерного поля являются;

а)    определение общего притока вод к карьеру в периоды строительства и эксплуатации на различные моменты времени;

б)    обоснование необходимости осушительных меропряя—

13

в)    обоснование типа и количества осушительных устройств, расположения их в плане и разрезе, а также режима

их работы во времени;

г)    установление положения уровней подземных вод в зоне действия водозаборов во времени.

3. В результате выполнения фильтрационных расчетов устанавливаются объемы и сроки проведения ос у ш и тел ьн ых работ при разных схемах осушения, которые необходимы для составления сметно-финансовых расчетов и технико-экономического сопоставления конкурирующих вариантов систем осушения.

§3* Основные исходные данные для фильтрационного расчета и составление природной гидрогеологической схемы

1» Основными исходными данными при фильтрационных расчетах осушения карьерного поля являются;

а)    сведения об орогидрографии района;

б)    материалы о геологическом строении района;

в)    материалы о гидрогеологическом строении района

(основные водоносные горизонты, их распространение, уклон водоупора, значения мощностей и напоров и т.д.);

г)    фильтрационные параметры (коэффициенты фильтрации, коэффициенты уровне проводя ости и пьезопроводности, водоотдача);

д)    данные об условиях питания и разгрузки водоносных горизонтов:    положение    контуров пишия и стока,све

дения об инфильтрапионном питании, сведения о гидравлической взаимосвязи водоносных горизонтов между собой (параметры перетекания) и с поверхностными водоемами;

е)    данные о проницаем ости покровных отложений на тех участках, где возможна дополнительная инфильтрация;

14

ж)    количество выпадающих атмосферных осадков,величина испарения;

з)    инженерно-геологическая характеристика пород;

и)    сведения о горных работах (развитие карьера в глубину ш по площади, применяемое горное оборудование, график ведения горных работ и т.п.)*

2* В тех случаях, когда величины параметров а или а* не получены опытным путем, их определяют расчетом:

а) коэффициент уровяепроводкости определяется по формуле /6/:

_а =

Р    (1.1)

где ti_Cp - средняя во времени и в пространстве мощность безнапорного фильтрационного потока:

!    Н    |    й

+ h₂ + h"

cp    4

l    И

Jl _г ж л 2 ~ первоначальная и сниженная глубины потока на контуре дренажа; Ъ., и li₅ - то же на контуре питания;

б) коэффициент пьезопроводности может быть определен по формуле В.Н.Щелхачева /31/:

^    ш

Т Рупр рцпр ’    ^(1,3)

^пр = ГРупр- ^т    0.4)

⁼ ттг(т_ь'^ьаа) ’

-    объемный вес воды;

-    коэффициент упругой водоотдачи пласта;

-    коэффициент упругоемкости пласта;

“ коэффициент пористости грунта в естественных условиях;

15

-    модуль упругости воды (—    2,2.10 кг/см^);

-    коэффициент уплотнения грунта в интервале от естественных нагрузок до нагрузок, соответствующих сниженным напорам.

3. Для выбора исходных данных материалы по каждому водоносному горизонту представляются в виде специальных гидрогеологических карт, таких, как карты гипсометрии водоупорного лшжа, карты гидроизогипс (пьезоизогипс), карты изомощностей обводненных пород, карты изменения водопроницаемости (коэффициентов фильтрации) и др. Кроме карт, составляется несколько характерных гидрогеологических разрезов по месторождению, с нанесением имеющихся исходных данных. Сведения о горных работах обычно иллюстрируются планом горных работ и паспортом ведения горных работ,

4. На основании анализа всех исходных данных о месторождении составляется природная гидрогеологическая схема области фильтрации: устанавливаются ее границы в плане и в разрезе и краевые условия в природной обстановке,

а.    Границами области фильтрации в плане могут служить река или водоем, гидравлически тесно связанные с подземными водами; линия контакта обводненных пород с пластам значительно большей проводимости (в 20-^40 и более раз), геологические запасы подземных вод которого весьма велики и т.п. Нередко границами являются различные тектонические нарушения; зона разлома, где происходит обильное питание или разгрузка подземных вод, линия сброса, где обводненные породы контактируют с неводоносными или малопроницаемыми породами и т,л, Б долинах рек границами области фильтрации могут служить не только сами реки, но и линии контакта террасовых отложений с

коренными,

б.    На боковых границах пласта могут иметь место граничные условия четырех видов:

1) граничные условия 1 рода, определяемые значением напора;

Н, = |_s {%) или- Н₍ “ 00;

10

2)    граничные условия И рода, определяемые значением удельного расхода; q = |_г (1) шпш q = const    ;

3)    граничные условия Щ рода, выражающие связь

между удельным расходом и напором:    q(^)“    А/    Н

где А ж В - постоянные величины;

4)    граничные условия четвертого рода, определяемые равенством напоров ж расходов с обеих сторон от границы.

Граничные условия 1 рода соблюдаются, например, на границе пласта с водоемом или рекой, воды которых гидравлически тесно связаны с подземными водами (тех называемый контур обеспеченного питания).

Граничные условия П рода могут соблюдаться на дранице пласта» вдоль которой осуществляется свободный Перелив подземных вод из другого водоносного горизонта, д также в том случае, когда эта граница является водонепроницаем ой С q =4)).

Граничные условия Щ рода могут иметь место на границе пласта с водоемом или рекой, при наличии слабопровя-цаемых экранов в их русле. В этом случае поступление воды из водоема (или, наоборот, в водоем) определяется разностью между отметкой зеркала водоема ж средним напором на его урезе.

Граничные условия 1У рода отмечаются на контакте двух водоносных горизонтов с различными проводимостями*

в. Для схематизации строения области фильтрации в разрезе rfo каждому водоносному и слабояроницаемому пласту устанавливаются средние величины мощностей ж коэффициентов фильтрации» как для всей области фильтрации, так ж для отдельных зон - при значительной изменчивости этих показателей в плане. После установления средних показателей выделяются пласты, которые можно рассматривать как относительные водоупоры; критерием в этом отношении является соотношение проводимостей (гл.П § 5)*

г* Условия на поверхности безнапорного водоносного горизонта определяются величиной инфильтрационного пн-

17

тания и обычно являются условиями Г1 рода. Подошва безнапорного водоносного горизонта, кровля и подошва напор-ного горизонта могут быть представлены слабопроннцаемымн слоями большой мощности, которые практически являются водоупорными, т,е, здесь будет выполняться граничное условие Г1 рода ( Ц =0). При фильтрации воды через слабопроницаемый слой, разделяющий в разрезе два водоносных горизонта, на контакте имеет место граничное условие III рода: расход перетекания является линейной функцией разности напоров.

§4. Типизация условий фильтраций и определение общей расчетной

схемы

Общая расчетная гидрогеологическая схема составляется после предварительной типизации исходных условий фильтрации, Такая типизация основывается на природной гидрогеологической схеме (§3) и на сведениях о системе осушения; при этом принимаются во. внимание:

а)    форма области фильтрации в плане и условия на ее боковых границах;

б)    строение области фильтрации в разрезе;

в)    условия питания и стока по площади распространения водоносных пластов;

г)    тип и расположение котлована (карьера) и дренажных устройств, представляющих собой так называемые внутренние границы пластов»

1. По форме области фильтрации в плане особо выделяют следующие типы водоносных пластов,

а. Неограниченный* пласт, который характеризуется весьма большими размерами и такой удаленностью границ от осушительной системы, что они практически не оказывают влияния на процесс осушения. Для отнесения пласта к &тощ?

типу нужно сравнять его размеры с расчетным радиусом влияния, вычисленным по формулам § 3 глЛ1.

б, П олуограниченный пласт, который характеризуется одной прямолинейной границей; на границе могут быть заданы или постоянный напор (например, область фильтрации, примыкающая к крупной речной долине), или постоянный расход (например, пласты, примыкающие к прямолинейным непроницаемым границам — сбросам), или условия III рода (река с сильно закольматированным руслом) ^х\

в* Полосообразный пласт, ограниченный двумя прямолинейными параллельными контурами, имеющими неограниченную протяженность*

г. Пласт-квадрант, ограниченный двумя прямолинейными контурами, пересекающимися под прямым углом,

д_# Круговой пласт, который ограничен непрерывным круговым контуром* В гидромеханическом смысле к такой схеме нередко приводятся водоносные горизонты, приуроченные к мульдообразно залегающим пластам* В зависимости от характера питания водоносного горизонта, на границе кругового пласта может быть задан или постоянный напор, или постоянный расход. Последний случай встречается более часто.

Перечисленные формы границ области фильтрации называются типовыми (при условии, что они остаются неизменными во времени), а все прочие — сложными,

2. По строению области фильтрации в разрезе водоносные горизонты дифференцируются;

а) по характеру водопроницаемости - на однородные, слоистые и неоднородные;для однородного водоносного горизонта водопроницаемость одинакова во всех точках; слоистый водоносный горизонт состоит из нескольких однородных слоев ж обычно может быть приведен к однород-

х) В процессе водопонижения условия на контурах рек с сильно зах о л ьма ти р о ва н н ы м руслом могут переходить в условия II рода - если русло реки становится "подвешенным"

АННОТАЦИЯ

В "Руководстве* изложена методика фильтрационных расчетов и аналогового моделирования применительно к обоснованию схем осушения месторождений полезных ископаемых, осваиваемых открытым способом. Работа базируется на анализе общих методов подземной гидродинамики и отдельных частных реше^ ней, предложенных различными авторами, а также на анализе большого числа проектов осушения карьеров. "Руководство* предназначается для использования при* проектировании, строительстве и эксплуатации карьеров, а также при разведке месторождений, намечаемых к открытой разработке.

В составлении Ши 1У разделов "Руководства* принимали участие,* от ВНИМИ - доктор геолого--минералогических наук Мироненко В.А., кандидат геолого-минералогических наук Норватов Ю.А., инж. Бокий Л.Л.; от института "Укрвиипроект* - доктор геолого-минералогических наук Жернов И.Е., кандидат геолого-минералогических наук Устинов С.А., инж. Спивак О.А.

ному в целом, ш то время как для не од н ор одн ог о горизонта такое приведение допустим о лишь в некоторых частных случаях (глЛ § 5};

б) по характеру залегания водоупорного ложа, подстилающего водоносную толщу - на горизонтально залегающие н наклонно залегающие. Уклон водоупора иногда необходимо учитывать уже при малых углах падения (порядка 3-5°) — в частности, при расчете * проскока* воды в карьер между скважинами контурного дренажа,

3, По условиям питания и разгрузки водоносных горизонтов на площади их распространения можно выделить следующие факторы:

а)    питание водоносного горизонта за счет инфильтра

ции, Инфильтрацию следует учитывать в расчетных схемах лишь в тех случаях, когда величина ее в условиях карьерного в од оп снижения отличается от ^гестественной*    (на

пример, инфильтрация из реки с * подвешенным * руслом, инфильтрация под гидроотвалами, инфильтрация атмосферных и технических вод на участках водоносных пластов» вскрытых карьером и т,п,); в противном случае инфильтрация * автоматически* учитывается путем вычитания расчетных понижений от отметок естественной депрессионной поверхности /6/

при расчетах притока к участку контура дренажа (или карьера) ж расчетной величине притока должен прибавляться (с соответствующим знаком) расход естественного потока, приходившийся на этот участок;

б)    питание или разгрузка водоносных горизонтов за счет перетекания вод через относительно '"водоупорные* слои

из одного водоносного горизонта (с большим напором) в дру-

х) Это не относится к тем случаям, когда расчет притоков проводится балансовыми методами,

хх) Такой прием недопустим для случаев фильтрации» описываемых так называемыми нелинейными уравнениями; ниже эти случаи будут отмечаться особо.

20

Раздел III

ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ ОСУШЕНИЯ КАРЬЕРНЫХ ПОЛЕЙ

ВВЕДЕНИЕ

О л кнм мз основных этапов пр оектнр ованкя осушительных систем на карьерах является проведение фильтрационных расчетов: правильный выбор расчетной схемы, отвечающей гидрогеологической и горно-технической обстановке, является необходимым условием для обоснования эффективных дренажных мероприятий. Несмотря на это, как показывает проведенный анализ проектов осушения большого числа карьеров (около 50), в них нередко используются расчетные методы и формулы, непригодные для рассматриваемых гидрогеологических условий, а в ряде случаев — вообще неверные формулы. Стремясь к использованию наиболее простых расчетных зависимостей, проектировщики иногда прибегают ж такой схематизации условий фильтрации, яри которой расчеты теряют всякую ценность.

Наряду с факторами субьективного характера, погрешности фильтрационных расчетов обусловлены и рядом объективных причин; остановимся на наиболее важных из них.

1* До последнего времени не было сводной работы, в которой полученные различными авторами решения фильтрационных задач были бы обобщены применительно к расчетам осушения карьерных полей.

2. Большинство справочников и пособий по фильтрационным расчетам осушения горных выработок строится лишь по принципу набора отдельных формул, многие из которых применимы в очень узком круге гид роге ©логических условий.

При такой постановке вопроса упускаются из вида общие методы фи л ьтрац и онн ых расчетов, позволяющие выработать наиболее универсальные приемы решения различных задач. Важно подчеркнуть, что многие из этих общих методов не требуют специальной математической подготовки и могут, в силу этого, всесторонне использоваться спецналистами-гид-рогеологами* Среди этих методов следует, прежде всего, назвать метод сложения течений, метод отражения, метод недеформируемых линий тока, метод эквивалентных фильтра-

4

двойных сопротивлеки$ и метол фрагментов*

3* Многие задачи фнлырадни, имеющие важное значение для расчетов осушения карьерных полей, не получили еще достаточного освещения в специальной литературе* В частности, можно упомянуть следующие задачи:

а)    о неуетамовившейся фильтрации ж выработкам ж системам скважин, работающим с постоянным понижением;

б)    о пригоже ж горизонтальным скважинам, проходимым из карьера;

в)    об учете влияния движения борта карьера;

г)    о напорно^беанапорной неустановившейся фильтрации;

д)    об учете постепенного снижения уровня на контуре карьера;

е)    о «©установившейся безнапорной фильтрации в условиях постепенного истощения водоносных пластов.

4* При рассмотрении в специальной литературе вопросов фильтрационных расчетов осушения карьеров_t совершенно недостаточное внимание уделяется применению аналогового моделирования® Между тем, можно с полным основанием утверждать, что система осушения карьера лишь в очень редких случаях может быть обоснована без привлечения моделирования.

В связи о этим, в настоящей работе излагаются рекомендации по методике фильтрационных расчетов осушения карьерных полей, построенные на сочетании аналитических и экспериментальных методов, причем приняты во внимание как ранее полученные результаты, так ш некоторые новые решения*. При этом сознательно тушвшы те решения, которые (из-за стремления к излишней, с точки зрения исходных параметров, точности) являются чрезмерно громоздкими и неудобными для практического использования*

Условные обозначения.:

эс,у — прямоугольные координаты на плоскости; г — координата при осесимметричном движении;

Ъ — коэффициент фильтрации;

(л - водоотдача;

H(h) — напор (при безнапорном движении - глубина /мощность/ потока);

НдСЦ)*" первоначальный напор (глубина) в расчетной точке;

H.ttO- напор (глубина) на контуре питания;

напор (глубина) на контуре дренажа;

H_c(h_c)- напор (глубина) в скважине;

первоначальный напор (глубина) в скважине;

1&_ь~ высота промежутка высачивания;

Ъ._%- глубина воды в затопленном котловане;

ILJlu)*" средний напор (глубина) на линий рада скважин; tn — мощность напорного горизонта;

0.₀ - дебит водопонизительной установки;

О*, — общий пряток к котловану;

Q_H - производительность насоса;

Q_c - дебит скважины;

Q§₃~ водозахватная способность скважины;

(j — погонный приток (удельный расход);

<j₀ — удельный расход потока, вытекающего на откос; i ~ уклон водоупора,

L — расстояние между областями питания и дренажа; uf “ интенсивность инфильтрации; а — коэффициент уровнепроводности; а* - коэффициент пьезопроводности;

S * понижение уровня подземных вод;

S_c - понижение уровня в дренажной скважине;

R — расчетный радиус влияния;

Е* минимальное (действительное) расстояние от выработки до контура питания;

~ радиус скважины; ё/_с — диаметр скважины;

— приведенный радиус котшммша иля водопониаи-тельного контура;

6

6 — расстояние между скважинами (выработками);

I\ F — площадь ш периметр дренажного контура или

котлована (на высоте промежутка высаливания);

Ъ_}У V₂ — расстояния от дрены (или от центра котлована), соответственно» до областей питания и стока;

<5    —    расстояние    от    центра    дрены    до центра круго

вой области питания;

&н Ъ — длина ж ширина дренажного контура, (карьера), в частном сяучм Ъ - ширина дренажной траншеи;

Т — расстояние от дна несовершенной выработки до водоупора*

Примечание:    большинство    формул    приводятся для ус

ловий безнапорной фильтрации* Для перехода к с о ответе твующим формулам напорного движения следует заменить выражение (ъ\ “ h² ) на выражение 2ш $    ,

а коэффициент уровнепроводности а на коэффициент пьезопроводности а* .

Сводная таблица - указатель составных элементов

расчета

№ н.п Цель расчета Составные элементы расчета С о ответе твую-щий раздел текста 1 2 3 4 U Расчет при 1щ Исходные данные гл#1 § 3 токов к 2* Выбор расчетной схемы глЛ § 4 карьеру и 3. Граничные условия глЛ §§ 3 и 4 уровней в 4. Учет неоднородности зоне его фильтрующей толщи гл.П § 5 влияния 5. Общий порядок расчета глЛ 9 5 t 8* Переход от формул без Примечание ж напорной фильтрации к условным шпорной об означениям

7