Дренаж и водоотлив

Дренаж — способ осушения территорий месторождений полезных ископаемых, массивов горных пород путём сбора и отвода подземных гравитационных вод в естественные понижения (реки, озёра и т.п.) или искусственные сооружения (каналы, горные выработки и др.).

В горном деле дренаж применяется для защиты шахт и карьеров от подземных вод путём перехвата их при помощи дренажных устройств в период строительства и эксплуатации горных предприятий. Дренажные устройства разделяются на поверхностные, подземные и комбинированные. К поверхностным относятся вертикальные водопонижающие и водопоглощающие скважины, горизонтальные дренажные скважины, иглофильтровые установки и опережающие поверхностные траншеи, к подземным — дренажные штреки, сквозные фильтры, восстающие скважины, водопонижающие колодцы, а также опережающие выработки (горизонтальные и наклонные скважины). Комбинированные дренажные устройства включают комплекс поверхностных и подземных выработок. Дренажные устройства по схеме расположения в плане разделяются на кустовые, линейные, контурные, сетчатые, а в разрезе — на одногоризонтные и многогоризонтные, коллекторные и бесколлекторные (рис.); по срокам сооружения — на опережающие, параллельные и совмещённые; по срокам службы — на стабильные и скользящие (вслед за подвиганием забоя).

Водопонижающие скважины (диаметром 200-800 мм) проходят для снижения уровня (напора) в водоносных горизонтах, залегающих на глубине 25- 500 м, мощностью свыше 10 м, с коэффициент фильтрации более 1 м/сутки и их бурят до подошвы горизонта, при пересечении горизонта устанавливают фильтры или перфорированнные трубы (в трещиноватых породах). После прокачки и очистки (обычно эрлифтом) скважина оборудуется погружным насосом. Водопоглощающие скважины сооружают для перепуска воды из верхних горизонтов с низкими фильтрационными свойствами в нижние с более высокими фильтрационными свойствами, когда величина напора воды в нижнем горизонте ниже уровня залегания толщи разрабатываемых полезных ископаемых. Разность уровней в дренируемом и поглощающем горизонтах поддерживается обычно водопонижающими скважинами. По конструкции водопоглощающие скважины аналогичны водопонижающим.

Горизонтальные дренажные скважины (диаметр 50-300 мм) сооружают для самотёчного осушения уступов карьеров в песчаных породах. Их длина достигает 50-100 м. Иглофильтровые установки применяют для временного и локального понижения уровня подземных вод в песчаных и песчано-глинистых породах с коэффициентом фильтрации 0,2-0,3 м/сутки. Передвижные и лёгкие иглофильтровые установки позволяют снизить уровень воды до 7-8 м, а эжекторные — до 24 м. Опережающие траншеи сооружаются для снижения уровня воды в маломощных (до 10 м) и не глубоко (до 15 м) залегающих водоносных горизонтах при помощи специальных траншейных экскаваторов. Откачка воды из траншей производится центробежными насосами низкого давления. Дренажные штреки предназначены для дренажа полезных ископаемых и водоносных горизонтов, расположенных вблизи кровли и почвы полезных ископаемых дренаж осуществляется через стенки выработок, естественные трещины и тектонические нарушения, а при наличии водоупорных пород (мощностью более 2-3 м) в кровле и почве полезных ископаемых — с помощью дренажных скважин.

Дренажные штреки сооружаются на карьерах со сложными гидрогеологическими условиями; на шахтах обычно роль дренажных штреков выполняют подготовительные выработки. Сквозные фильтры — скважины диаметром 100-500 мм, пробуренные с земной поверхности до кровли подземной выработки (или дренажного штрека), обсаженные трубами, оборудованные фильтрами в интервале водоносных пород; предназначены для дренажа водоносных горизонтов мощностью более 15 м, залегающих над полезными ископаемыми на расстоянии свыше 30 м. Восстающие скважины (диаметром 50-125 мм) проходят из подземных горных выработок и оборудуют фильтрами в интервале водоносных горизонтов. Их применяют для дренажа водоносных горизонтов, залегающих на расстоянии 2-30 м от кровли выработок.

Водопонижающие колодцы — вертикальные горные выработки, служащие для снижения напора в водоносных горизонтах, залегающих ниже подошвы выработок, закладывают на пониженных участках почвы выработок. Откачка воды из них осуществляется центробежными насосами. Опережающие скважины (диаметром 70-200 мм) проводят из подземных выработок в направлении обводнённых участков, содержащих напорные воды, с целью предупреждения внезапных прорывов воды в подготовительные и очистные выработки, а также предварительного дренажа обводнённых пород, залегающих впереди фронта горных работ. Для повышения эффективности работы дренажных устройств и увеличения темпов осушения месторождений полезных ископаемых разработаны различные способы интенсификации дренажа. В скальных породах для интенсификации работы дренажных устройств применяют гидравлический разрыв пласта, Торпедирование скважин и их прострел, проходят многозабойные скважины; в карбонатных породах используют также кислотную обработку скважин.

Многозабойные скважины (наклонные или горизонтальные) сооружаются из основного вертикального ствола диаметром 600-700 мм, благодаря чему увеличивается водозахватная поверхность скважины. В песчаных породах увеличение дебита скважины осуществляется с помощью физических методов — вакуумирования скважин, нагнетания воздуха в водоносный горизонт, электроосмоса, а также методов, основанных на увеличении водозахватной поверхности скважины — путём проходки скважины большого диаметра, принудительного размыва песка водой и заполнения образовавшихся полостей гравием, создания суффозионных дренажных каверн, проходки лучевых скважин. Нагнетание сжатого воздуха применяется для интенсификации дренажа напорных водоносных горизонтов однородного строения, имеющих коэффициент фильтрации 0,5-10,0 м/сутки и перекрытых выдержанными слоями водоупорных пород. Физические методы интенсификации используют обычно на небольших участках и главным образом для снижения остаточных уровней подземных вод. Электроосмотический способ увеличивает дебит скважины за счёт движения воды к металлическому фильтру скважины при создании постоянного электрического поля в обводнённых песках. При этом дренажные скважины являются катодами, а специальные трубы, закладываемые в массив между дренажными скважинами, — анодами. Наибольший эффект этот способ даёт в обводнённых песчанистых глинах, суглинках, супесях и частично в пылеватых песках с коэффициентом фильтрации от 0,000001 до 0,5 м/сутки. Методы, основанные на увеличении водозахватной способности скважины, в отличие от физических методов, могут широко применяться для увеличения эффективности дренажных устройств на больших участках шахтных и карьерных полей.

Проходка скважины большого диаметра (до 500-700 мм) осуществляется по водонасыщенным пескам с расчётом обеспечения не менее чем 100 мм слоя зафильтровой обсыпки. Для интенсификации осушения мелкозернистых песков (глубина до 70 м) водоносный горизонт проходят с обсадными трубами и скважинами, в которые опускают колонну труб с проволочным фильтром меньшего диаметра. Затем обсадные трубы постепенно поднимают и образовавшуюся полость через межтрубное пространство засыпают разнозернистым гравием. Такие скважины имеют большой срок службы, а дебит их в 2-7 раз превышает дебит скважин с сетчатыми фильтрами. Образование суффозионных дренажных каверн производится за счёт разрушения и выноса песка из вскрытых водоносных горизонтов подземным потоком, а управление процессом развития суффозии — за счёт извлечения сетчатого щелевого или дырчатого фильтра и контроля за выносом песка в подземную выработку. Этот метод применяется в песках с коэффициентом фильтрации 0,3-10 м/сутки. При объёме каверн 0,6 м дебит скважины увеличивается более чем в 4 раза. Проходка лучевых скважин диаметром до 80 мм и длиной до 50 м производится из вертикальных скважинах диаметром 500-800 мм у подошвы обводнённых песков, что увеличивает дебит дренажных скважин в 5-10 раз. Применяются также методы декольматации фильтров (гидравлический удар и др.), осуществляемые при помощи различных устройств.

Дренажные системы по сравнению с барражом не исключают попадания (проскока) подземных вод через заградительный контур в горные выработки; величина проскока воды, например, на некоторых шахтах и карьерах достигает 40-50% динамического потока. Средние затраты на дренаж водоносных пород в карьерах, расположенных в сложных гидрогеологических условиях, составляют 15-20% от общих вложений в их строительство и эксплуатацию. Длительный дренаж водоносных горизонтов приводит к нарушению гидравлических и гидрохимических режимов подземных и поверхностных вод в районах эксплуатации месторождений (снижение уровня подземных вод в радиусе нескольких десятков километров и появление депрессионных воронок, истощение водных ресурсов, загрязнение поверхностных водотоков и водоёмов шахтными и карьерными водами), к изменению природного ландшафта на огромной территории и т.д. Эффективность дренажа на шахтах и в карьерах устанавливается соответствующими гидрогеологическими расчётами, окончательный выбор способа производится на основе технико-экономического сравнения нескольких вариантов.

Водоотлив - удаление шахтных и карьерных вод из горных выработок. При подземной разработке различают главный водоотлив, предназначенный для откачки общешахтного притока воды, и участковый водоотлив — для перекачки воды из отдельных участков шахты к водосборникам главного водоотлива (реже непосредственно на поверхность земли). В редких случаях применяется центральный водоотлив, когда несколько шахт имеют общую водоотливную установку, и региональный, обеспечивающий водоотлив всего района в целом.

Водоотлив по схеме откачки воды на поверхность разделяется на прямой, когда откачка воды из главного водосборника производится сразу на поверхность, и ступенчатый, когда из нижних горизонтов через стволы (реже скважины) вода перекачивается в промежуточные водосборники вышележащих горизонтов и затем на поверхность

Когда проходка дренажных выработок оказывается неэффективной, используют водоотлив. Первоначально подземные воды накапливаются в водосборниках, где осаждаются шлам и песок, представляющие опасность для некоторых видов насосов. Большинство рудничных насосов представляет собой многоступенчатые электроприводные центробежные устройства, способные работать под водой. Они обладают высокой производительностью (до 30 м3/мин). В подготовительных выработках и слепых стволах (гезенках) используются центробежные насосы меньших размеров. В особых случаях иногда применяются эрлифты и поршневые насосы.