Министерство угольной промышленности СССР

Государственный научно-исследовательский, проектноконструкторский и проектный институт угольной промыиленности (Укрнимпроект)

Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт охраны окруваюкей природной среды в угольной промышленности (ВНИИОСуголь)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ВСЩОПРИТСКОВ В РАЗРЕЗЫ

Пермь

1984

Министерство угольной проымоленяости СССР

Государственный научно-исоледовательокий, проектно-конструкторский и проектный институт угольной промышленности (Укрниипроект)

Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт охраны окружающей природной среды в угольной промышленности (ВНИИОСуголь)

Утверждены начальником Управления охраны природы Мкнуглепрома СССР тов. Г.Г.Вознюком 12 ноября 1982 года

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРСГНОВИРШАНИЕ ВШОПРИТСКСВ В РАЗРЕЗЫ

Пермь

1984

- 10 -

Таблица 1.2

Сезон | измерения^\! а£*у) j (уГуш) • ах-Ь \ осып) j г°л |)|| мм Количество атмосферных осадков 39 196 61 51 347 % II 56 18 15 100 мм Распределение общего стока 17,9 И,9 4,3 0,9 35 % 51,2 34,1 12,3 2,4 100 л/сек. км2 Значения модуля общего стока 3,4 1,51 0,805 0,067 I.II

Геологические факторы включают: структуру, характер тектонических нарушений, литологический состав и фациальную изменчивость горных пород в вертикальном разрезе и по площади, мощность отдельных слоев, наличие многолетнемерзлых пород.

Гидрогеологические факторы определяют: количество и мощность водоносных горизонтов, расположение их в пространстве, фильтрационные свойства отложений и их изменение по площади и в вертикальном разрезе, гидравлическую связь водоносных горизонтов меаоду собой и с поверхностными водотоками и водоемами, режим подземных вод, условия питания и разгрузки, соотношение статических и динамических запасов подземных вод, химический состав подземных вод.

Отработка угольных месторождений открытым способом и проводимое осушение их, как правило, сопровождаются сработкой статических запасов; снижением уровней и напоров подземных вод; распространением депрессионной поверхности до границ области фильтрации, представленных водотоками и водоемами, которые могут служить дополнительными источниками питания; сооружением в пределах месторождений прудов-отстойников, гидроотвалов, нагорных и водоотводных канав, которые способствуют за счет потерь на фильтрацию формированию дополнительных притоков воды в разрезы; изменением химического

- II -

состава подземных вод. Указанные изменения необходимо учитывать при расчете водопритоков в разрезы на разных стадиях освоения угольных местороадений.

1.2.4.    Инженерно-геологические факторы влияет на выбор способа осушения разреза и его расчетное обоснование с точки зрения физико-механических и водных свойств горных пород и углей.

Выясняется склонность горных пород к изменению прочностных и деформатнвных свойств в зависимости от изменения влажности под влиянием поверхностных и подземных вод, что обусловливает требования к осушению разреза с позиций устойчивости бортов и отвалов, а также проходимости горнотраиспортных машин.

Производится оценка влажности углей в естественных условиях и ее изменение при эксплуатации месторождения, определяются значения безопасной, предельной и критической влажности с точки зрения смерэаемости полезного ископаемого при транспортировании в железнодорожных вагонах и примерзания его к ковшам экскаваторов и конвейерной ленте.

Физико-механические свойства горных пород и углей влияют на выбор способа и скорости сооружения дренажных выработок и устройств.

1.2.5.    Горнотехнические факторы определяют характер вскрытия водоносных горизонтов в плане и вертикальном разрезе, а также порядок отработки месторождения.

К ним относятся: система вскрытия и эксплуатации поля разреза, применяемое оборудование на вскрышных и добычных работах, геометрические параметры и форма поля разреза в плане, скорость и направление движения фронта горных работ, годовая величина углубления. Перечисленные факторы влияют на выбор конфигурации дренажной системы, количества дренажных выработок и устройств, сроков их сооружения.

1.2.6.    Экономические факторы, к ко-торьм относятся затраты на осушение разреза, предопределяют экономическую целесообразность сооружения дренажных выработок и устройств.

- 12 -

1.3. Требования к осушению разрезов

1.3.1.    На современном этапе развития народного хозяйства страны при разработке угольных месторождений открытым способом к осушению разрезов предъявляются следующие требования

/ 77, 96 /:

-    создание нормальных условий для работы горнотранспортного оборудования;

-    обеспечение устойчивости бортов и отвалов;

-    улучшение условий проходимости горных машин;

-    устранение угрозы прорыва подземных вод в разрезные траншеи;

-    улучшение качества угля путем снижения влажности для предотвращения примерзания к ковшам экскаваторов и конвейерной ленте и смерзаемости его при транспортировании в железнодорожных вагонах;

-    охрана подземных вод от истощения и загрязнения;

-    максимальное сокращение потерь на фильтрацию из рек, водохранилищ, гидроотвалов, прудов-отстойников, нагорных и водоотводных канав;

-    уменьшение ущерба речному стоку;

-    использование откачиваемых из разрезов вод дол хозяйственно-питьевого, технического и сельскохозяйственного водоснабжения.

1.3.2.    Повышенные притоки подземных вод обычно характерны для периода строительства разреза, что связаио со сработкой статических запасов в районе вскрытия. Требования и осушению разрезов в период строительства следующие:

-    обеспечение устойчивости бортов разрезных траншей;

-    предотвращение фильтрационных деформаций;

-    предотвращение прорыва напорных вод в разрезные траншеи;

-    обеспечение нормальной работы горного оборудования;

-    защита разрезных траншей от яритоков вод со стороны водотоков и водоемов;

-    охрана подзешлос вод от истощения и загрязнения.

1.3.3.    Для периода эксплуатации следует различать требования к осушению рабочего борта, нерабочего борта и внутренних отвалов.

- 13 -

Требования к осушению рабочего бор*а:

-    обеспечение устойчивости отдельных уступов и всего борта в целом;

-    улучшение условий проходимости горнотранспортных машин;

-    создание нормальных условий работы горнотранспортного оборудования;

-    обеспечение производства буровзрывных работ;

-    заблаговременное удаление гравитационной воды из угольных пластов в пределах очередной добычной заходки при работе экскаваторов в суровых климатических условиях;

-    охрана водных ресурсов.

Требования к осушению нерабочего борта:

-    обеспечение устойчивости борта;

-    осуществление перехвата подземных вод, направляющихся в разрез со стороны нерабочего борта;

-    уменьшение ущерба речному стоку.

Требования к перехвату поверхностных вод к разрезу сводятся к сооружению нагорных канав и защитных дамб.

Требования к осушению внутренних отвалов:

-    обеспечение устойчивости отвалов;

-    улучшение условий проходимости горных машин на отвалах;

-    предотвращение дополнительного увлажнения пород в отвале подземными водами, вызывающими снижение прочностных свойств пород при увеличении их влажности;

-    недопущение прорыва напорных вод через основание отвалов в выработанное пространство.

1.4. Условия применения различных способов осушения.

I.4.I. Мероприятия по осушению разрезов осуществляются предварительно либо параллельно с ведением горных работ.

Предварительное осушение проводится обычно на полях разрезов, характеризующихся сложными гидрогеологическими условиями, когда для обеспечения нормальных условий ведения горных работ заранее требуется снижение напоров или уровней подземных вод.

- 14 -

Параллельное осушение применяется самостоятельно на месторождениях с простыми гидрогеологическими условиями или вслед за предварительным осушением, когда оно должно обеспечивать дальнейшее снижение напоров (уровней) подземных вод.

1.4.2.    При осушении месторождений полезных ископаемых, разрабатываемых открытым способом, могут быть применены следующие способы защиты разрезов от подземных вод: подземный способ, водопонижающими скважинами, открытый водоотлив, про-тивофильтрационными завесами, горизонтальными дренажными скважинами, комбинированный способ.

1.4.3.    Подземный способ осушения разрезов применяется в следующих случаях:

-    когда во вскрышной толще залегают несколько водоносных слоев, разделенных друг от друга слабопроницаемыми породами;

в случае преобладания в геологическом разрезе неустойчивых пород, характеризующихся незначительной водопроницаемостью;

-    при необходимости снижения напоров подземных вод в покрывающих и подстилающих полезное ископаемое породах;

-    при необходимости использования подземных выработок также и для целей карьерного водоотлива.

1.4.4.    Водопонижающие скважины могут быть применены для снижения уровней подземных вод как при вскрытии поля разреза, когда под их защитой осуществляется проходка разрезной траншеи, так и в период эксплуатации.

Когда скважины применяются для обеспечения устойчивости бортов и предотвращения фильтрационных деформаций песчаных отложений, то необходимый эффект водопонижения достигается при осушении пород, характеризующихся значением водопроводи-мости > 100 ш /сут. / 76 /.

Оптимальный срок работы водопонижающих скважин составляет 5 лет / 77 /.

Эффективность работы водопонижающих скважин повышается при их сооружении прогрессивным всасывающим способом с обратной промывкой чистой водой / 96 /.

С точки зрения охраны водных ресурсов применение водопонижающих скважин, по сравнению с другими способами осушения, является более целесообразным, так как откачиваемые ими

- 15 -

подземные воды могут быть без предварительной очистки использованы для нужд народного хозяйства отраны.

1.4.5.    При открытом водоотливе подземные воды непосредственно дренируются бортами разреза, стекают в дренажные и водоотводные канавы, направляются к водосборникам и удаляются за пределы разреза средствами внутрикарьерного водоотлива. Открытый водоотлив особенно перспективен на разрезах, где рабочий борт сложен устойчивыми породами.

Разновидностью открытого водоотлива являются передовые дренажные траншеи, проходимые впереди фронта горных работ на глубину до 20-30 м по вскрышным породам или по пласту полезного ископаемого и служащие для перехвата потока подземных вод к разрезу со стороны рабочего борта и интенсификации осушения площади поля разреза между откосом рабочего борта и данной траншеей.

1.4.6.    Одним из способов защиты разрезов от притоков подземных вод являются противофильтрационные завесы, применение которых способствует сохранению естественного режима подземных вод на территории, прилегающей к границам поля разреза.

В мировой и отечественной практике известны следующие способы создания противофильтрационных завес / 96 /: свайный, щелевой, траншейный, инъекционный, гидрозавесы и завесы с применением энергии взрыва.

Сооружение противофильтрационных завес наиболее перспективно в следующих случаях и их сочетаниях:

-    мощный водоносный горизонт (или водоносный комплекс из нескольких водоносных горизонтов, разделенных слабопроницаемыми слоями) подстилается водоупорными породами на глубине, доступной для техники сооружения завес;

-    вблизи поля разреза расположены водоемы или водотоки, являющиеся источниками постоянной фильтрации воды в открытые горные выработки;

-    выходы хорошо проницаемых отложений в мульдообразных структурах расположены под обводненными породами или водоемами;

-    верхний водоносный горизонт в двухслойном водоносном комплексе обладает значительно большей проводимостью, чем нижний горизонт;

УДК 622.512(048).О8

АННОТАЦИЯ

В методических указаниях содержатся исходные данные, необходимые для определения водопритоков в разрезы, излагаются факторы, влияющие на выбор способов осушения разрезов и их расчетное обоснование, а также требования к осушению разрезов и условия применения различных способов их защиты от воды, обосновывается выбор расчетной схемы фильтрации, приводятся расчеты притоков воды к горизонтальным дренам, водопонихающим и горизонтальным дренажным скважинам, подземным дренажным выработкам, дается оценка влияния горных работ и водопонижения, а твкже поверхностных водотоков и водоемов на формирование притоков воды в разрезы.

Методические указания разработаны с учетом действующих в отрасли нормативно-методичеокшх документов. В них учтены замечания и предложения производственных объединений, научно-исследовательских и проектных институтов.

Методические указания предназначены для использования в качестве методического пособия по расчету водопритоков при проектировании, строительстве и эксплуатации разрезов производственными и проектными организациями Минуглепро-ма СССР, занимающимися прогнозированием притоков воды в горные выработки.

Авторский коллектив: канд.геолгмин.наук С.А.Устинов , канд. геол.-мин.наук О.А.Спивак, канд.геолгмин.наук Е.Н.Руднев , канд.геолгмин.наук А.Н.Могидко /Укрниипроект/, канд.техн. наук В.М.Баньковская /ВНИИОСуголь/

Государственный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и проектный институт угольной промышленности /Укрниипроект/

Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт охраны окружающей природной среды в угольной промышленности /ВНИИОСуголь/, 1984

- 3 -

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания по прогнозирование водопритоков в разрезы составлены в соответствии с программой выполнения задания 01.ГКНТ "Разработать и представить в Госплан СССР и Госстрой СССР комплекс научно-технических мероприятий по максимальному предотвращению отрицательного воздействия деятельности горнодобывающей промьвлекностм на геологическую среду". В "Методических указаниях..." использованы существующие методы прогнозирования притоков воды в разрезы, разработанные Государственным научно-исследовательским, проектно-конструкторским и проектным институтом угольной промышленности /УкрНИИ-проект/, Всесоюзным научно-исследовательским институтом горной геомеханики и маркшейдерского дела /ВНИМИ/, Институтом горного дела нм.А.А.Скочинского /ИГД им.А.А.Скочинского/, Всесоюзным научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом по осушению месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу /ВИОГЕЦ/, Всесоюзным научно-исследовательским институтом гидрогеологии и инженерной геологии /ВСЕГИН-ГЕО/, Всесоюзным научно-исследовательским институтом водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии /ВНИИВСЩГЕО/, Московским государственным университетом /МГУ/, Ленинградским горным институтом /ЛГМ/ и др.

Первая редакция "Методических указаний...", разработанная институтом УкрНИИпроект, была направлена в проектные и научно-исследовательские институты и производственные объединения отрасли для получения отзывов и апробаций.

С учетом замечаний и предложений указанных организаций институтами "УкрНИИпроект" и "ВНИИОСуголь" подготовлена настоящая редакция "Методических указаний*..", в которой уточнены и конкретизированы положения первой редакции применительно к вопросам охраны геологической среды от отрицательного воздействия предприятий угледобывающей промышленности.

"Методические указания..." предназначены для использования при расчете водопритоков и осушения разрезов пронэвод-ственнымм и проектными организациями Минуглепрома СССР, занимающимися проектированием, строительством и эксплуатацией разрезов.

- 4 -

Принятые обозначения:

.Г у, а? - декартовые координаты; г - радиальная координата; к - коэффициент фильтрации; ju - коэффициент гравитационной водоотдачи;

/71 - мощность напорного пласта;

/i - глубина безнапорного потока;

Н - пьезометрический напор;

Не - первоначальный напор в расчетной точке;

Не - первоначальная глубина потока в расчетной точке;

/г с - высота высачивания; а* - коэффициент пьеэопроводности; сс - коэффициент уровнепроводности; jft*- коэффициент упругой водоотдачи; коэффициент упругоемкости пласта;

6 - модуль питания;

S - понижение уровня подземных вод в расчетной точке;

So - понижение уровня в водопонижающей скважине;

Q - дебит водопонижающей скважины;

R - расчетный радиус влияния;

-    радиус скважины; cL - диаметр скважины;

(У - расстояние между водопонижающими скважинами; /П_Ф- мощность слабопроницаемого слоя;

-    коэффициент фильтрации слабопроницаемого слоя; //„- коэффициент упругой водоотдачи слабопроницаемого слоя;

О о - коэффициент пьеэопроводности слабопроницаемого слоя; fio - столб воды в дрене; t - время;

3 - длина горизонтальной дрены;

Н - удельный вес воды; t_K - приведенный радиус разреза; с - наклон водоупора;

- 5 -

L_c - начальный градиент фильтрации;

Л₀ - коэффициент сопротивления русловых отложений;

&L - сопротивление ложа реки;

- объемная масса породы в водонасыщенном состоянии; р - коэффициент бокового распора;

С - сцепление;

/ - угол внутреннего трения; tie- коэффициент сжимаемости;

L, - расстояние между контурами питания и дренажа;

£о - объемный вес грунтов без учета взвешивания.

- 6 -

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

IЛ. Исходные фильтрационные, метеорологические и гидрологические параметры для определения притоков воды в разрезы

1ЛЛ. Дня обоснованного расчета притоков воды в открытые горные выработки и к дренажным сооружениям и устройствам при проведении гидрогеологических исследований в процессе разведочных работ на угольных месторождениях должны быть определены следующие фильтрационные параметры: коэффициент фильтрации, коэффициент гравитационной водоотдачи, коэффициент упругой водоотдачи, коэффициент пьезопроводности, коэффициент уровнепроводности, водопроводимость напорного водоносного горизонта, водопроводимость безнапорного водоносного горизонта, параметр установившегося перетекания, параметр неус-тановившегося перетекания, коэффициент сопротивления русловых отложений, сопротивление ложа реки, модуль инфильтрационного питания.

1.1.2.    Указанные фильтрационные параметры, как правило, определяются по результатам полевых гидрогеологических, гидрологических и метеорологических исследований, проведение которых и методы обработки результатов достаточно подробно изложены в специальной литературе /9, 37, 56, 79 /.

1.1.3.    Степень изучения фильтрационных параметров зависит от стадии проектирования, сложности гидрогеологических условий и предполагаемых методов расчета (балансовый, гидравлический, гидродинамический, аналогий, комбинированный, с привлечением математического моделирования) / 50, 78, 90 /.

Фильтрационные параметры должны быть известны для водоносных горизонтов, располагаемых во вскрьшной толще и угольных пластах: в границах зоны горного отвода, на окружающей территории в пределах предполагаемого радиуса влияния от действия открытых горных выработок и дренажных сооружений и устройств, а также по крайней мере для первого водоносного горизонта, залегающего ниже пласта полезного ископаемого, который принят к отработке открытым способом / 49 /.

- 7 -

Должны быть известны фильтрационные параметры слабопроницаемых пород, граничащих с водоносными отложениями, с целью возможности прогнозирования притоков воды из них при ведении открытых горных работ и осушении месторождения / 49 /, а также комплексные фильтрационные параметры, учитывающие при во-допонижении процессы фильтрации подземных вод в слоистой толще.

1.1.4.    На действующих разрезах под влиянием открытых горных работ и водопонижения существенно изменяются условия питания, циркуляции и разгрузки подземных вод, вследствие чего происходят изменения и в значениях фильтрационных параметров.

1.1.5.    При нарушенном режиме уточнение фильтрационных параметров на разных стадиях освоения месторождения должно осуществляться посредством анализа результатов изменения притоков воды в открытые горные выработки и к дренажным устройствам, данных режимных наблюдений, путем решения обратных задач с привлечением методов математического моделирования и на основании проведения специальных гидрогеологических, гидрологических и инженерно-геологических работ.

1.1.6.    Для угольных месторождений, подлежащих освоению открытым способом или эксплуатируемых, должны быть определены следующие метеорологические и гидрологические параметры: среднемноголетнее значение выпадающих атмосферных осадков, испарение с поверхности сущи, высота слоя стока, модуля стока, модуля подземного стока, высота подземного слоя стока; коэффициенты испарения, общего стока и подземного стока, максимальное количество суточных осадков разной обеспеченности.

1.1.7.    Метеорологические и гидрологические параметры определяются в основном по данным метеостанций и гидрометрических постов.

1.2. Факторы, влияющие на выбор способа осушения разреза и его расчетное обоснование

I.2.I. Выбор способа осушения разреза и его расчетное обоснование основываются на учете ряда факторов: метеорологических, гидрологических, геологических, гидрогеологнче-- 8 -

ских, инженерно-геологических, горнотехнических и экономических / 77, 78, 96 /.

1.2.2.    Метеорологические и гидрологические факторы являются определяющими в формировании поверхностного и подземного стока.

Ддя некоторых угольных бассейнов и месторождений среднемноголетние метеорологические и гидрологические параметры, заимствованные из литературных источников Гидрометеослужбы, отчетов геологоразведочных организаций, специальной гидрологической литературы, гидрогеологической карты СССР масштаба I : 2500000, выпущенной Главным управлением по геодезии и картографии при Совете Министров СССР и институтом.ВСЕГИНГЕО Министерства геологии СССР в 1969 году, а также рассчитанные с использованием метода водного баланса и уравнений связи между отдельными параметрами, приведены в табл.1.1.

Величина подземного стока в мм/год характеризует ин-фильтрационное питание подземных вод; по величине модуля подземного стока можно судить о динамическом притоке вод к разрезу; значение модуля общего стока дает представление о притоке в разрез поверхностных и подземных вод.

Дяя лучшей организации мероприятий по защите разрезов от поверхностных и подземных вод необходимо иметь значения метеорологических и гидрологических параметров по сезонам года.

В качестве примера в табл.1.2. приведены данные для условий Азейского месторождения о среднем сезонном количестве атмосферных осадков, сезонном распределении общего стока и модуля общего стока.

Метеостанции и гидрометрические посты, как правило, отсутствуют в непосредственной близости от угольных месторождений, поэтому назрела необходимость в проведении специальных исследований в пределах угольных месторождений по определению метеорологических и гидрологических параметров, учитывающих влияние открытых горных работ и водопониженмя на окружающую среду.

1.2.3.    Геологические и гидрогеологические факторы определяют обводненность месторождения, условия накопления, движения и разгрузки подземных вод.

—	Элементы водного баланса, мь
Бассейны, месторождения	{испа- | сток осадки ,рение j-(- I . общий |подзе j |НЫЙ

Бассейны:

Днепровский 541 460 81 47 Подмосковный 538 377 161 63 Месторождения: Азойское 347 312 35 2 Бабаевское 383 276 107 31 Бикинское 613 361 252 41 Бородинское 353 227 126 63 Кедровское 520 394 126 72 Наааровское 614 441 173 31 Новиковское 729 98 631 189 Павловское 558 463 75 15 Райчжхинское 585 396 189 31 Сибиргинское 978 354 624 126 Харанорское 322 300 22 3

I |Коэффициенты, j Модуль СТОКА, -Iдоли единицы {л/сеж.м*

-}испа- м- | рения 1 ,o6qoro , стока I i общий 1 1 jar- I 0,85 0,15 2,55 1.5 0,70 0,30 5.1 2.0 0,90 0,10 I.H 0,067 0,72 0,28 3.4 1.0 0,59 0,41 8,0 1.3 0,64 0,36 4,0 2.0 0,76 0,24 4.0 2.3 0,72 0,28 5,5 1.0 0,13 0,87 20,0 6,0 0,87 0,13 2,38 0,48 0,68 0,32 6,0 1.0 0,36 0,64 19,8 4.0 0,93 0,07 0,70 0,10