етодические рекомендации по гидрогеологическому обоснованию противофильтрационных завес

Белгород 1980

Для изучения эффективности использования источников информации просим при просмотре издания поставить подпись

для напорного горизонта

(3.17)

(3.18)

(3. T9)

где R_H - расстояние от центра карьера (котлована) до контура питания, м; R₀ - приведенный радиус участка горных работ (котло -вана), м, также определяемый по формуле (3.1); R_t - расстояние от центра защищаемого участка до внешней грани завесы, u; R_s - то же до внутренней поверхности завеса, м; fi, и h₅ - глубина грунтового потока соответственно у внешней и внутренней поверхностей за -весы, м; H_firH_s - напоры над почвой водоносного горизонта у внешней и внутренней поверхностей завесы, м.

Расстояние от центра котлована (карьера) до внутренней поверхности завесы не должно приниматься меньше величины, определяемой по зависимости ИЗ

(3.20)

в которой Н - глубина котлована, м;    результирующий    угол

борта котлована, градус; У - средний угол внутреннего трения грунтов в откосах котлована, градус.

Расчет водопритоков к участку горных работ через завесу в пласте-полосе следует определять по следующим зависимостям [ 9] (рис.

3.3):

для безнапорного потока:

а) завеса примыкает к границам участка горных работ

II

б) завеса расположена на расстоянии R_z - я_о от границ участка горных работ

	п _ TXthi~hf) У* », / , - thR.I/t-ihft.r/t ’	(3.22)
для напорного потока:
а)	П -27/ К mSa--- thk.T/4- т > *еп7ЩЖ п * ' *	(3.23)
б)	п —_n/T)Sz— --- . 1 ... ih&T/b th/t0JT/4 ‘ thfiar/4	(3.24)
В зависимостях (3.21) - (3.24)
	4*1 tj и и 4f|«J II '4*	(3.25)

Определение водопритока к участку горных выработок в полуогра-вичеинси пласте, защищенному противофильтрационной завесой, рас -считывается по формулах для безнапорного потока! 9 1 (рис.ЗЛ): а) завеса примыкает к контуру участка горных работ

(3.26) б) завеса сооружается на расстоянии г*-^от границ участка гор-

ных работ JTK<h\-h2.) . 4-ЖлТ • К * *я (3.27) для напорного потока: а) П _ 2TxmS0 (3.28) б) Qi-tn^+4<L *o 4 (3.29)

В зависимостях (3.21) - (3.29) а- расстояние от центра участка горных выработок до прямолинейного контура питания, остальные обозначения даны ранее.

Рис,3.4. Схемы к расчету контурной завесы в полуограниченном пласте.

3,2, Методы гидродинамического обоснования противофильтрацяоиных завес в условиях слоистого строения толщи

Приток к погонному метру траншеи,огражденной прямолинейной за -весой гидродинамически несовершенного типа (рис.3.5), сооруженной в двухслойном пласте, определяется по сдедуюцим зависимостям:

из нижнего слоя

ml €С) * ше 6Г)-&1/е/,‘(г vsn_

¹ «г/ес.&'+иш    гг)

из верхнего слоя

а -^л*^/77«^° г

L. ^Ь’

13

j, ! thlL убГ) +1 hi £ yJST) + ^ыг/дс, 1/ch*(£ vCT)_

^ ~*шМ& +[th(L&) + ih(HZT\U+f+ <**A*_t Г)

В зависимостях (3.30) - (3.33) приняты следующие обозначения: /г,,л*_а и    соответственно    коэффициенты фильтрации, м/сут, и

мощности, м, верхнего и нижнего слоев; к_} - коэффициент фильтрации тела завесы, u/сут; 6_а- понижение на стенке траншеи, u; L_A-расстояние от траншеи до контура питания, м.

■7 хи*    7    yt*

"m_t(а_£/77,%/г_¥т_е) *    ~т_л(к_гm_f + к,т~) *    ** ~ *** *    (3.34)

^;    '    (з.з5)

L - расстояние от середины завесы до контура питания, м; I -расстояние от траншеи до середины завесы, м; - ширина тела завесы, м.

В том случае, если в верхнем пласте возникает напорно-безна -норное движение, граница между напорной и безнапорной гонами проводятся по линии завесы, приток из нижнего слоя рекомендуется вычислять по формуле (3.30), полагая в ней

4 ***-'", *

			2
	1 So_____ / / / a		X ✓ y.y' S//S/S/S / У/ УУ/////У/	/
—	©		S ** ® s * 1
			*. /77.
	©		© /77f V S S S S s s SSS / ^SSSSSs
VS//'/	///X/X —		- L -J

Flic.3.6. Линейная завеса несовершенного типа в двухслойном пласте, разделенном слабопроницаемой перемычкой.

Программа для расчета представлена в прил.1.

В двухслойной толще пород приток напорных вод в котлован, огражденный контурной несовершенной противофильтрационной завес о й (рис.3.7) определяется по следующим формулам [51:

из зоны нижнего слоя

Q, = 2JTx_t/n₄S₀F₍ ;    (ЗЛЗ)

_F =     s_t    -<*,/<**    6,8    .

'    e_s    <*г/1с,    enftj/t.}    *    (3.44)

■з зоны верхнего стоя

-2Jix_{т_гF_t ;    (3.45)

с __&ЬМ+*./ы_л)-8*6_я6,    *    6,в_

* iS,[1+e_t£ofi_r/fi.    -в*6_£ Ъ*./<*,

В зависимостях (3.43) - (3.46)

R к

в, =^г ^    6 =    ; R = (/>,+*,)■■    г

3 =IJ- ij/f. уЕГм.'Ч ;    (3.48)

К

(3.49)

(3.50)

/,(*> и л*ш - модифицированные функции Бесселя первого и второго рода» $    =    0;    I;    ы    - определяется согласно выра -

женины (3.34).

I

При движении подземных вод к участку горных работ через завесу несовершенного типа в верхней (2-ой) зоне возникает напорно-без -напорная фильтрация» граница раздела между напорной и безнапорной зонами проводится по линии завесы. В этом случае приток из ниж -него слоя рекомендуется вычислять по формуле (3.44), полагая в ней

(3.51)

Приток из верхнего слоя (зона 2) определяется по зависимости

Q₂ =*к_л(2Н_щт_г -л?*~т?)Г_г.    (3.52)

Значения d_t и d_z вычисляются по зависимостям (3.34), в которых мощность грунтового потока зоны 2 принимается равной ее среднему значению (3.38).

17

В случае K_g = 0, при которой депрессионная кривая перемещается в зону I и приток из верхнего слоя принимается практически равным нулг, приток из нижнего слоя вычисляется по формуле

Q_f=Tx_t(2rr,_fH„-m,*)F_t .    (3.53)

а значения функции /> определяются пз зависимости (3*44), полагая в неЙ ^ ⁼ /?€р.    (3*38)•

В районах, где в природных условиях распространены грунтовые воды или слабонапорные водоносные горизонты, поток будет носить безнапорный характер,

В случае к_} Ф 0 при расчетах принимается, что свободная по -верхность располагается в зонах 2 и 3, а в зонах I и 4 движенк е подземных вод будет сохранять напорный характер. В указанных ус -ловиях приток из нижнего слоя определяется по зависимости (3.43). Водоприток их верхнего пласта можно вычислить по формуле

-т?)Р₂ .    (3.54)

В случае >tj = 0 притоком из зоны 2 при практических расчета х можно пренебречь и принять, что кривая депрессии будет распола -гаться в зоне I, т.е. ъ нижнем сдое сформируется напорно-безна -порный поток. Для этого случая при оценке водопритоков рекомендуется воспользоваться решением (3.53).

z

Рис.3.8. Контурная завеса несовершенного типа в трехслойном пласте.

Для расчета противофильтрационных завес несовершенного типа в трехслойном пласте (два сдоя разделены слабопроницаемой перемыч -

МИНИСТЕРСТВО ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ СССР СОЮЗРУДА

Всесоюзный научно-исследовательский я проектно-конструкторский институт по осупеняю месторождений полезных ископаемых,специальным горный работам,рудничной геологии и маркшейдерскому делу В И О Г Е М

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОМУ ОБОСНОВАНИЮ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЗАВЕС

Белгород

1980

кой) (рис.3.8.) следует использовать зависимости (3.43) и (3.54), при этом <*_fy<*_Sy вычисляются по формулам (3.42).

3.3. Эффективность ПФЗ в трещиноватых пластах

Сооружение противофильтрационных завес совершенного типа (до -веденных до водоупора) в трещиноватых породах часто представляется технически, сложной и не всегда выполнимой задачей. Каь известно, для трещиноватых толщ характерно убывание проницаемости с глубиной по экспоненциальной зависимости [10, II ]

к(ъ)~к₀е'^; н = ^z/m ,    (3.55)

где /г₀ - коэффициент фильтрации у кровли водоносных пород, м/сут; г - вертикальная координата, м; т- мощность водоносных пород,м; р> - безразмерная постоянная, определяемая по данным поинтерваль -ных откачек.

Отмеченное позволяет при защите горных выработок от подземных вод сооружать гидродинамически несовершенные завесы,которые перекрывают верхнюю, наиболее водообильную часть массива. При оценке эффективности указанных завес принимается, что л^=0 и контур завесы непосредственно примыкает к участку горных или строитель -ных работ (рис.3.9).

Рис.3.9. Схема к расчету контурной ПФЗ несовершенного типа в трещиноватых пластах.

19

УДК 556.3:622.583.33

В работе приведены общие сведения о современном состоянии и перспективах использования протавофильтрационных- завес в горной практике, изложены гидродинамические обоснования применения завес в различных пластовых условиях при защите горных выработок и промышленных площадок от обводнения, а также с целью локализации источников загрязнения подземных и поверхностных вод, которые сведены к нескольким наиболее ха -рактерным расчетным схемам.

Дана методика гидрогеологического обоснования применен и я контурных и линейных противофильтрационных завес в однород -ных, слоистых и трещиноватых толщах водоносных пород.

С целью использования для расчетов ЭЦВМ даны алгоритм и программа по определению притока через контурную противо -фильтрационную завесу и положения уровня вод в произвольной точке водоносного горизонта.

Методические рекомендации предназначены для проектных и научно-исследовательских организаций, могут быть использованы при решении задач осушения месторождений полезных ископаемых, защиты промплощадок от обводнения с учетом современных требований к охране водных ресурсов, а также при рассмотре -нии аналогичных вопросов в ряде других отраслей народ ног о хозяйства.

Работа выполнена в лаборатории фильтрационных расчетов отдела осушения института ВИОГЕМ канд. техн. наук Ю.В.Поно -маренко, инженерами Н.П.Гоголевой и Л.В.Денчик. Утверждена на секции НТС по вопросам осушения и гидротехники института ВИОГЕМ в качестве методических рекомендаций 26 июня 1979 г.

(^/Всесоюзный научно-исследовательский и проектно— конструкторский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, специальным гор -ным работам, рудчичной геологии и маркшейдерскому делу (ВИОГЕМ), 1980,

ВВЕДЕНИЕ

Современные темпы развития горнодобывающей промышленности приводят к необходимости освоения новых месторождений полезных ископаемых* Большинство перспективных месторождений по геолого-гидро-геологическлм условиям относятся к сложным и характеризуются высокой обводненностью; их разраоотка практически неосуществима без проведения комплекса мероприятий по защите горных работ от притоков подземных вод*

Широко применяемые в настоящее время способы осушения месторождений заключаются в откачке подземных вод с помощью систем различных дренажных устройств, при этом длительная эксплуатация дренажных систем приводит к формированию в районах осваива -емых месторождений обширных депрессионных воронок и нарушению естественного режима подземных и поверхностных вод на больших тер -риториях, снижению естественных ресурсов подземных вод, ухудшению качества подземных вод, загрязнению рудничными водами и промыт -ленными стоками поверхностных вод, развитию деформаций дрениру -емой толщи пород и оседанию дневной поверхности, нарушению при -родных условий в районах ведения дренажных работ*

По указанным причинам в соответствии с законодательством о воде к положениями об охране окружающей среды к способам защиты гсрш*л работ от обводнения в настоящее время предъявляются каче -ственно новые требования, учитывающие необходимость сохранения водных ресурсов и рационального их использования.

К числу перспективных в этом отношении способов защиты рудни -ков от притоков подземных вод относят противофильтрационные завесы (ПФЗ), поэтому завесы все чаще находят применение в горной практике (Ингулецкий ГОК, Пюрский серный комбинат и др.).

Целью настоящей работы является обобщение современных аналитических методов фильтрационных расчетов ПФЗ, применяемых для гид -родинамического обоснования мероприятий по защите карьеров и шахт от обводнения подземными годами»

I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОТИВОШЬТРАЦИОННЫХ ЗАВЕСАХ

Противофильтрациоиные завесы предыааначены для защиты горных работ,строительных и гидротехнических котлованов от притоков подземных вод, рекомендуются также для локализации источников за -грязнения подземных вод и подтопления территорий:    для    ограждения

хвостохранилищ, шламонакопителей, испарителей и других водозаполненных и подпорных сооружений с целью снижения фильтрационных потерь и утечек технологических вод.

Сущность способа заключается в создании вокруг защищаемого участка или изолируемого источника обводнения замкнутого противо-фильтрационного ограждения ("стены в грунте", барража и т.п.), проницаемость которого значительно ниже прорезаемых завесой водоносных пород.

В зависимости от технологии сооружения ПФЗ на практике находят применение преимущественно следующие три основных типа завес: инфузионные (заливные),инъекционные и криогенные ( ледопородные ), шпунтовые ограждения и др., каждый из типов имеет свою область применения в определенных геолого-гидрогеологических условиях [il

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также практический опыт, накопленный при строительстве и эксплуатации ПФЗ, свидетельствуют о том, что в однородных по водопрони -цаемости пластах технически эффективно применение гидродинамически совершенных и замкнутых в плане контурных завес [ 2]. Незамкнутые в плане завесы применяются преимущественно в пластах, характеризующихся фильтрационной неоднородностью в плане [з].

Применение ПФЗ несовершенного типа может быть достаточно эф -фективным водозащитным мероприятием при слоистом строении водо -носной толщи [^,5 ] и в трещиноватых породах, характеризующихся уменьшением проницаемости массива с глубиной [б].

Основные технические требования к противофильтрационным заве -сам состоят в следующем:

1)    тело завесы должно характеризоваться низкими фильтрационными свойствами (коэффициент фильтрации завесы К —10”^ м/сут);

2)    тело завесы должно быть однородным и иметь постоянные фильтрационные свойства по глубине и протяженности контура;

3)    фильтрационные параметры на стыках между заходками или см еж-ными конструктивными элементами завесы не должны отличаться от средних значений параметров тела завесу;

4)    тело завесы должно сохранять свои противофильтрацион ные

сюйства на весь период эксплуатации сооружения;

5)    завеса должна быть устойчива к возможным деформациям, тело ее не должно разуплотняться и растрескиваться;

6)    тело завесы должно быть устойчивым в отношении внутренней и контактной суффозии;

7)    противофильтрационные материалы, применяемые при создании завес, должны быть стойкими к агрессивному воздействию подземных вод.

2. ГВДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМ* К РАСЧЕТУ ПРОТИВОФИЛЬТРАДИОННЫХ ЗАВЕС

Схемы защиты объектов от подземных вод с помощью противофильт-рационных завес выбираются с учетом:

а)    геолого-структурных особенностей месторождений и гидрогео -логических параметров, слагающих разрез горных пород;

б)    гидрогеологической обстановки при строительстве и эксплуа -тации защищаемых от обводнения объектов и назначения противофиль-трационной завесы (уменьшение водопритоков в горные выработки,вовлечение в отрасотку дополнительных запасов полезного ископаемо -го, оставленного в целике, сохранение запасов подземных вод, локализация источников загрязнения и т.д.);

г) способа сооружения завесы.

В результате анализа гидрогеологических условий большого числа месторождений полезных ископаемых и промышленных площадок выделены следующие гидродинамические схемы расчета противофильтрацион -ных завес.

В однородных пластах:

1)    линейная гидродинамически совершенная завеса, доведенная до водоупора в полуограниченном пласте;

2)    контурная гидродинамически совершенная завеса в пласте с круговым контуром питания, в пласте-полосе и в полуограниченном пласте;

3)    контурная совершенная завеса в круговом пласте в сочета -нии с внутриконтурными водопоиижающими устройствами (водопонижа -ющиыи, восстающими, водосбросными, горизонтальными скважинами,забивными фильтрами, дренажными колодцами и др.).

В условиях слоистой толщи:

I) линейная гидродинамически несовершенная завеса, не дове -

5

денная до водоупора,сооружаемая в верхнем,более проницаемом пласте, отделенном от нижнего слабопроницаемой перемычкой;

1) та же завеса в двухслойном пласте, при этом верхний - более проницаемый.

В трещиноватых пластах рассмотрена контурная гидродинамически несовершенная противофильтрационная завеса.

3.ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЗАВЕС

Фильтрационные расчеты являются необходимым элементом обосно -вания применения противофильтрационных завес в различных гидро -геологических условиях. Расчеты выполняются с целью оценки эффективности ПФЗ, выбора рациональных и экономичных параметров завес, получения исходных данных для проверки завесы на прочность и ус -тойчивость к воздействию фильтрационного потока.

Предполагается, что применяемые способы строительства обеспе -чивают надежный контакт завесы с водоупорными или слабоцроницае -мыми породами (грунтами) и гсключают повышенную обходную фильтрацию в приконтактной зоне. Методы расчета завес не учитывают фильтрационных сопротивлений глинистой корки и заглинизированной зоны, образующихся при проходке траншей с применением глинистых и других буровых тиксотропных растворов.

Изложенные методы расчета противофильтрационных завес не учи -тывают начальный градиент фильтрации материала в теле завесы (1=0), что обеспечивает некоторый запас в результатах расчетов. Г идродинамическими расчетами определяются следующие элемен т ы фильтрационного потока:

-    расход воды, поступающей через контур завесы в котлованы;

-    напоры (уровни) и градиенты потока подземных вод на гранях противофильтрационных завес, на контактах завесы с водоносными породами, в местах выклинивания потока на откосы котлована;

-    фильтрационные свойства противофильтрационного материала,укладываемого в тело завесы.

При проведении гидрогеологических расчетов преимущественно применяются аналитические методы и методы математического моделирования. Методы гидрогеологической аналогии и водного баланса используются значительно реже для приближенных оценок, а матема -тического моделирования (аналогового и численного) используются

6

для расчета противофильтрационных завес в наиболее сложных гидрогеологических условиях и базируются на применении АШ и ЭЦВм.

Проведению аналитических расчетов предшествует схематизация природном обстановки с целью приведения реальных условий к рассмотренным типовым расчетным схемам. Схематизация природных условий должна обеспечивать необходимую точность расчета и возможность применения предлагаемых методов. Надежность фильтрационных расчетов зависит от того, на сколько полно учтены в расчетной схеме основные условия питания и разгрузки водоносного горизон -та, в котором проектируется сооружение завесы, а также от точности определения фильтрационных свойств горных пород.

В практических расчетах при относительно большой длине завесы можно пренебречь некоторыми отклонениями реального потока от плоского. В этом случае область фильтрации расчленяется вертикальными плоскостями на самостоятельные гидродинамические фрагменты,разделительные плоскости проводятся нормально к контуру завесы (вдоль линий -токов).

Замкнутые ПФЗ сравнительно большой протяженности, как правило, приводятся к схеме круговой в плане завесы с радиусом R_t , определяемым по формуле

*,=

где F - площадь участка, огражденного завесой.

Исходными данными для расчетов являются результаты инженерногеологических изысканий, полевых опытно-фильтрационных работ, лабораторных исследований и проектные решения по защищаемым от об -воднения объектам.

Противофильтрационная завеса считается технически эффективной, если выполняется условие

• <^з-²>

в котором Q - суммарный приток (проскок) подземных вод через контур завесы, м^/сут; Q_d - допустимая величина притока к защищаемому завесой участку (объекту), м^/сут.

Значение Q^_n устанавливается проектом в каждом конкретном случае исходя из технологических расчетов или нормативов утечек(про-скоков) подземных вод.

7