ПОСОБИЕ
ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЗАЩИТЫ
ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
ОТ ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
И ВОДОПОНИЖЕНИЯ
ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

(к СНиП 2.06.14-85
и СНиП 2.02.01-83)

Утверждено
приказом ГПИ Фундаментпроект
Госстроя СССР
от 11 августа 1988 г. № 228

Москва

Арендное производственное
предприятие ЦИТП

1991

Содержит положения по выбору систем защиты, карьерного и шахтного водоотлива, дополнительные данные для выполнения проектных работ. Приведены примеры расчетов водопонижений.

Для инженерно-технических работников проектных, изыскательских и строительных организаций.

При пользовании Пособием следует учитывать утвержденные изменения строительных норм и правил и государственных стандартов, публикуемые в журнале «Бюллетень строительной техники», «Сборнике изменений к строительным нормам и правилам» и информационном указателе «Государственные стандарты СССР» Госстандарта СССР.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее Пособие детализирует положения СНиП 2.06.14-85 «Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод» (в дальнейшем «защита») в части выбора систем защиты, карьерного и шахтного водоотлива, требований к изысканиям инженерных наблюдений при строительстве и эксплуатации горных предприятий и положения разд. 18 СНиП 2.02.01-83 «Проектирование водопонижения», а также общие для указанных СНиП положения по водопонизительным и водоотводящим устройствам, расчетам водопонижения и водоотвода.

Примеры, приведенные в Пособии, - абстрактные, однако они в основном базируются на апробированных на практике решениях. При этом не соблюдается строгое следование ни природным условиям объекта прототипа, ни осуществленным на нем проектным решениям.

Издание материалов к СНиП 2.06.14-85 и СНиП 2.02.01-83 в данном Пособии позволяет избежать лишних повторений и облегчает следование ссылкам на данные, приведенные в разных частях.

Пособие разработано:

Фундаментпроектом Госстроя СССР (М.Л. Моргулис - разд. 1 - 9, 11, 14, Н.В. Баранова - разд. 1, Н.Н. Воденко - разд. 5, Г.Г. Голубков - разд. 8, 14, В.К. Демидов - разд. 1, 5 - 8, 14, Д.П. Ефимович - разд. 1 - 3, 5 - 11, В.Н. Иванов - разд. 14, А. В. Ильин - разд. 2, 4, 8, Н.В. Карякина - разд. 11, Е.А. Киселева - разд. 7, 8, 14, М.Н. Пинк - разд. 2, 5 - 8, 11, 14, И.С. Рабинович - разд. 2 - 4, 7 - 9, 12, 14, 15, канд. техн. наук Г.А. Разумов - Лучевые скважины и водозаборы в разд. 9, 14, Н.М. Уткина - разд. 1, 2, 4, 5, 14, Б.Н. Фомин - разд. 8, 11);

- с участием ВИОГЕМа Минмета СССР (В.Е. Анпилов - Лучевые скважины и водозаборы в разд. 9, 14, Б.П. Воропаев - разд. 2, 3, кандидаты техн. наук Г.И. Гензель - разд. 16, Е.С. Гладченко - разд. 2, 9, 16, Е.Б. Добровольский - разд. 9, Ю.И. Ляпин - разд. 2, В.П. Петриченко, Ю.В. Пономаренко, В.М. Чуйко - Лучевые скважины и водозаборы в разд. 9); Гипроцветмета Минмета СССР (Л.А. Березуцкая - разд. 2, В.Е. Лурье - разд. 4, С.Н. Максимов - разд. 4, С.В. Пармузин - разд. 2, 4); ВНИИОСПа им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР (А.Б. Мещанский - разд. 6, 7, 9, 10, Иглофильтры в разд. 14); ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР (канд. техн. наук К.С. Боголюбов - разд. 15); ВНИИВО Госкомприроды СССР (кандидаты техн. наук М.С. Коваленко, В.И. Мухопад - разд. 13); Южгипрошахта Минуглепрома СССР (В.К. Деньгуб, А.В. Курманаевский - Подземные насосные станции в разд. 4).

Пособие разработано под общей редакцией М.Л. Моргулиса.

ЧАСТЬ I. СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ОТ ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД (К СНиП 2.06.14-85)

1. ТРЕБОВАНИЯ К ИЗЫСКАНИЯМ

Общие положения

1.1. Общее инженерно-геологическое изучение месторождений полезных ископаемых, включая гидрогеологические исследования, ведется с начала геологоразведочных работ. Оно должно быть направлено на получение исходных данных для проектирования горных предприятий, в том числе защиты горных выработок, и должно отвечать требованиям нормативов Мингео СССР, а также СНиП 2.06.14-85.

1.2. В общем случае для проектирования защиты горных выработок должны быть изучены все стороны природной обстановки на месторождении - физико-географические, гидрометеорологические, геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические условия.

При изучении природных условий должны быть использованы фондовые и литературные источники, а также материалы систематических наблюдений станций и постов в районе месторождения.

1.3. В материалах изысканий должны быть освещены экологические особенности района месторождения и определены условия сохранения окружающей среды.

Материалы изысканий должны способствовать прогнозированию влияния на окружающую среду искусственного понижения уровня подземных вод и устройства противофильтрационных завес.

1.4. Природные условия должны быть освещены в пределах ожидаемой зоны депрессии подземных вод, областей их питания и бассейна питания поверхностных вод.

Физико-географические данные

1.5. Физико-географическое изучение должно отражать особенности рельефа территории месторождения, географические факторы, влияющие на климат района, распространение грунтов с особыми свойствами, подверженность территории опасным геологическим процессам.

1.6. В результате изучения рельефа должны быть отмечены его характерные формы (хребты, возвышенности, котловины), расчлененность, характеристика и глубина вреза речных долин, характеристика овражной сети и другие данные, определяющие условия поверхностного стока.

1.7. Географические факторы, влияющие на климат, - широта и высота местности, близость ее к морю, растительный покров, распространение горных пород с особыми свойствами (просадочные, набухающие, вечномерзлые и т.п.), места сброса рудничных вод - должны изучаться в процессе изысканий и составлять предмет специальных очерков или разделов общих отчетов по изысканиям.

1.8. В случае подверженности территории месторождения опасным геологическим процессам - оползням, обвалам, селям, лавинам, карсту, землетрясениям, вулканизму - в материалах изысканий должны содержаться подробная характеристика таких проявлений и прогнозы их влияния на эксплуатацию месторождения.

Климат и гидрометеорологические данные

1.9. При изучении климата необходимо устанавливать: количество атмосферных осадков (твердых, жидких), их распределение по сезонам, интенсивность выпадения осадков, максимальное количество за сутки, толщину и длительность снегового покрова, интенсивность снеготаяния; среднемесячную температуру воздуха, амплитуды колебания температур за сутки; преобладающие направления ветра; максимальную скорость ветра; глубину сезонного промерзания и оттаивания грунтов; влажность воздуха по сезонам.

При изучении гидрологических условий следует выявить:

состав коренных и аллювиальных пород, слагающих дно и берега водотоков и водоемов, их мощность, фильтрационные свойства, наличие водоупорных пород, отделяющих водотоки от рудной зоны;

расход и сток рек и других водотоков, их режим, условия питания по временам года, характеристику водосборных бассейнов, испарение с водной поверхности; химический состав поверхностных вод; взаимосвязь поверхностных водных объектов с водоносными слоями горных пород, карстовыми полостями и тектоническими зонами.

Геологическое строение

1.10. К геологическим факторам, имеющим важное значение для проектирования защиты горных выработок, относятся:

геологическая структура района, особенности геологического разреза, условия и глубина залегания полезного ископаемого, простирание и падение слоев горных пород;

литолого-петрографический состав пород, их изменчивость в плане и разрезе, мощность слоев;

наличие ослабленных прослоев, рыхлых песчаных пород, текучих и мягкопластичных глинистых пород, сильно трещиноватых и выветрелых пород; пород с особыми свойствами (просадочных, набухающих и др.);

тектоническое строение месторождений, наличие зон крупных тектонических нарушений, зон дробления пород, простирание, падение и ширина разломов, характер и амплитуда смещений; трещиноватость пород, число и генезис трещин, характер заполнителя, закарстованность и кавернозность горных пород.

Изучение гидрогеологических и инженерно-геологических условий

1.11. При изучении гидрогеологических условий следует отмечать:

общие гидрогеологические условия района, характер водоносности пород, глубину залегания, условия питания и разгрузки подземных вод, статические и динамические запасы их;

число водоносных слоев, их толщину и распространение, литологический состав водосодержащих и водоупорных пород, распространение по площади, близость к полезным ископаемым;

статические и пьезометрические уровни подземных вод в водоносных слоях, характеристику водоносных слоев, размеры гидростатического давления на кровлю и почву полезного ископаемого, гидравлическую взаимосвязь между отдельными водоносными слоями, связь подземных вод с поверхностными водотоками и водоемами;

гидрогеологические параметры водоносных слоев, влияющие на размер притока воды в горные выработки - коэффициенты фильтрации, водопроводимость, водоотдачу;

химический состав и температуру подземных вод, их минерализацию и агрессивность, пригодность для водоснабжения;

физико-механические свойства, характеристики горных пород и инженерно-геологические характеристики всех аномальных зон (зон сдвижения горных пород, дробления, кавернозности, закарстованности, выветрелости тектонических разломов и т.п.).

1.12. В составе гидрогеологических и инженерно-геологических изысканий следует предусматривать:

гидрогеологическую и инженерно-геологическую съемку месторождения;

бурение гидрогеологических, инженерно-геологических скважин и при необходимости проходки горных выработок (шурфов, шахт, штолен, расчисток) с отбором образцов для лабораторного определения физико-механических свойств горных пород из основных литологических разностей;

гидрогеологическую документацию инженерно-геологических выработок (режим бурения, наблюдения за промывочной жидкостью, описание состава и состояния пород, замеры уровней воды);

лабораторное изучение физико-механических свойств горных пород;

полевые исследования прочностных свойств горных пород в условиях их природного залегания;

изучение химического состава подземных вод, режимные наблюдения за уровнями подземных вод по сети наблюдательных скважин в течение не менее 1-1,5 лет;

опытные кустовые и одиночные откачки, нагнетания, наливы для определения гидрогеологических параметров (коэффициента фильтрации, водоотдачи, пьезопроводности и др.);

геофизические исследования для решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач.

1.13. Гидрогеологическую и инженерно-геологическую съемку следует производить на основе данных вышеперечисленных физико-геологических исследований.

В состав гидрогеологической и инженерно-геологической съемки входят маршрутные обследования, проходка одной, двух разведочных выработок на каждом геоморфологическом элементе обследуемой территории, картирование выходов на поверхность коренных пород.

Съемка проводится в пределах изучаемой территории (см. п. 1.4.) в масштабе 1:5000 или 1:10000 для получения предварительного представления о районе исследований.

При картировании физико-геологических явлений необходимо отмечать площадь их проявления, приуроченность к определенным формам рельефа и видам горных пород, условия и причины их возникновения, формы проявления и развития.

1.14. Буровые и горнопроходческие работы выполняются в целях:

уточнения геологического разреза на отдельных участках месторождения, состава, мощности, особенностей залегания горных пород;

отбора образцов горных пород и проб подземных вод для лабораторных исследований, установления глубины залегания подземных вод и их режима;

проведения опытных откачек (наливов, нагнетаний), полевых исследований горных пород, геофизических и зондировочных работ;

уточнения данных о зонах дробления, тектонических разломов, карста, оползней и других неблагоприятных явлений;

создания сети скважин для режимных наблюдений.

1.15. В состав буровых и горнопроходческих работ входит бурение специальных гидрогеологических и инженерно-геологических скважин, проходка шахт, шурфов, расчисток.

В случаях необходимости изучения условий залегания пород и зон трещиноватости следует предусматривать горные выработки - шахты, штольни, шурфы, прорези, расчистки.

1.16. Основным требованием к методам бурения инженерно-геологических скважин является обеспечение максимального выхода керна (не менее 80 %) минимальным диаметром 85 - 90 мм и сохранение естественной влажности и сложения образцов грунта, отбираемых для определения физико-механических и прочностных свойств лабораторными способами.

Бурение гидрогеологических скважин должно проводиться, как правило, способами, исключающими глинизацию стенок скважины.

Применение глинистой промывки допускается только при обеспечении надежной разглинизации скважин.

При изучении отдельного водоносного слоя в скважине должна быть обеспечена надежная изоляции изучаемого слоя от других путем перекрытия их обсадными трубами с применением тампонажа затрубного пространства.

В процессе бурения скважин и проходки горных выработок ведутся тщательные записи в документации: описывается литологический состав и физическое состояние грунтов, отмечается уровень появления и установления подземных вод, проводятся наблюдения за выходом керна, потерей промывочной жидкости, устойчивостью пород в стенках скважины.

1.17. Планомерный отбор образцов горных пород производится из основных литологических разностей, выделенных инженерно-геологических элементов, из ослабленных зон и контактов пластов.

Отбор образцов из горных выработок и естественных обнажений, их упаковку и доставку в лабораторию следует производить в соответствии с ГОСТ 12071-84.

Число отбираемых образцов с ненарушенной структурой должно позволить изучить с достаточной полнотой физико-механические свойства грунтов каждого выделенного инженерно-геологического элемента, ослабленных зон и контактов пластов для получения нормативных и расчетных характеристик.

1.18. Прочностные и деформационные свойства грунтов должны изучаться на образцах ненарушенной структуры.

Лабораторные исследования состава, свойств и состояния горных пород должны проводиться методами, предусмотренными государственными стандартами с учетом условий работы грунта в горных выработках в периоды их строительства и эксплуатации.

При выборе методики исследований необходимо учитывать статические и динамические нагрузки в природном состоянии и при эксплуатации горных выработок, степень увлажнения пород, ориентировку основных напряжений по отношению к напластованию и слоистости пород.

1.19. Число испытаний для каждой литологической разности пород может меняться в зависимости от изменчивости свойств грунта в плане и по глубине.

В соответствии с ГОСТ 25100-82 для разных классов нескальных и скальных грунтов необходимо определять:

для песчаных пород - минералогический и гранулометрический составы, удельный вес, естественную влажность, пористость, максимальную молекулярную влагоемкость, водоотдачу, коэффициент фильтрации, угол внутреннего трения, удельное сцепление (если оно обнаружено);

для глинистых нескальных пород - минералогический состав, пластичность, удельный вес, естественную влажность, пористость, угол внутреннего трения, удельное сцепление, модуль деформации, набухание, размокание, усадку;

для скальных пород - минералогический состав, удельный вес, сжимаемость, временное сопротивление сжатию, размягчаемость, морозостойкость, водопоглощение, водонасыщение.

Для скальных трещиноватых пород определяется ориентировка трещин, их густота, ширина, состав и характер заполнителя.

Для горных пород с особыми свойствами дополнительно определяются:

для просадочных грунтов - величина относительной просадочности, общее содержание и состав воднорастворимых солей, содержание гумуса;

для засоленных грунтов - состав и количественное содержание легко- и среднерастворимых солей;

для набухающих грунтов - величина относительного набухания или усадки, величина свободного набухания, давление и влажность набухания;

для вечномерзлых грунтов - температура, льдистость, теплофизические свойства, величина относительной осадки при оттаивании, определяемые по СНиП 2.02.04-88.

1.20. Обработку опытных данных лабораторных исследований следует проводить с помощью математической статистики (ГОСТ 20522-75).

Нормативные и расчетные значения характеристик грунта вычисляются для каждого выделенного инженерно-геологического элемента с учетом данных полевого изучения горных пород.

1.21. В задачи полевых испытаний входят:

получение дополнительных данных, которые позволяют принимать поправочные коэффициенты к расчетным характеристикам горных пород, получаемым по материалам лабораторных определений (например, коэффициент ослабления в натуре для удельного сцепления);

определение характеристик горных пород в случаях, когда отобрать образцы для лабораторных исследований затруднительно, и в случаях, когда целесообразнее исходить из данных полевых, а не лабораторных испытаний;

получение дополнительных данных для выделения инженерно-геологических элементов;

выявление и оконтуривание линз и прослоев слабых горных пород (например, рыхлых песков);

определение глубины залегания кровли скальных и обломочных пород.

Полевые испытания включают испытания горных пород прессиометрами и штампами в скважинах и в горных выработках, статическое и динамическое зондирование, срезы целиков в горных выработках.

Полевые испытания грунтов следует предусматривать с учетом предполагаемых статических и динамических нагрузок в условиях проходки и эксплуатации горных выработок.

1.22. Полный объем лабораторных и полевых исследований физико-механических свойств горных пород должен быть установлен с учетом требований СНиП 2.06.14-85 и нормативных материалов по проектированию соответствующих видов сооружений и мероприятий по обеспечению устойчивости горных выработок.

1.23. Отбор проб воды осуществляется из специальных гидрогеологических скважин, оборудованных фильтрами на определенные водоносные слои. Скважины рекомендуется располагать по створам, достигающим гидрогеологических границ водоносного слоя. Отбор проб воды производится поинтервально после установления уровня и осветления воды в скважине.

Подземные воды, содержащиеся в слоях горных пород большой толщины и однородного состава, опробуют в верхней и нижней частях слоя. Пробы воды рекомендуется отбирать из разных слоев и прослоев водосодержащих пород. Для определения агрессивного воздействия и коррозионной активности подземных вод пробы воды отбираются в соответствии с ГОСТ 9.015.-74.

1.24. Изучение химического состава подземных вод в комплексе изысканий для проектирования защиты горных выработок имеет следующие цели:

определение необходимых мероприятий для использования откачиваемых вод и обеспечения охраны окружающей среды при необходимости их сброса;

выявление вредных воздействий подземных вод на защитные сооружения и устройства (зарастание фильтров, агрессивность по отношению к бетону и металлам и др.);

установление (в совокупности с другими данными) условий питания и разгрузки водоносных слоев, наличия взаимосвязи между водоносными слоями и поверхностными водами;

изменения химического состава подземных вод по площади месторождения, глубине и во времени.

1.25. Опытные откачки, наливы, нагнетания предназначаются для определения:

фильтрационных характеристик водоносных слоев - коэффициента фильтрации, водопровода-моста, водоотдачи, уровнепроводности, пьезопроводности, параметров перетекания;

взаимосвязи между водоносными слоями и связь их с поверхностными водами.

По сравнению с наливами и нагнетаниями опытные откачки более эффективны, так как они точнее характеризуют водоносные слои и процесс водопонижения.

1.26. Опытные откачки следует назначать кустовые и одиночные. При кустовых откачках используется опытный куст, состоящий из одной или нескольких центральных и ряда наблюдательных скважин. Из центральных скважин производится откачка, отбор проб на химические анализы и замеры уровня воды, из наблюдательных - ведутся наблюдения за изменениями в процессе откачек уровней, а иногда также за химическим составом и температурой воды.

Центральные скважины, если их несколько, располагаются, как правило, по многоугольнику (или кругу), имитируя кольцевую систему, рассматриваемую как «большой колодец», наблюдательные - по лучам от центра системы в разные стороны, чаще всего по направлению потока и перпендикулярно к нему.

Одиночные откачки из отдельных скважин (без наблюдательных) позволяют получить лишь приближенные значения фильтрационных характеристик горных пород. Однако их применение (из-за мобильности и небольших затрат) в большом количестве позволяет осветить изменчивость фильтрационных свойств горных пород на большой территории.

Опытные наливы и нагнетания рекомендуется применять (с той же целью, что и откачки) при отсутствии необходимого оборудования для опытных откачек: наливы - в основном при изучении фильтрационных свойств трещиноватых скальных пород, нагнетания (под повышенным давлением) - при низких фильтрационных свойствах пород.

С помощью откачек (наливов, нагнетаний) можно изучать водоносный слой или его отдельные зоны (участки, интервалы) по высоте. Однако данные зонного изучения недостаточно точны, и их использование целесообразно, в основном, для сравнительных оценок изменения фильтрационных свойств горных пород по высоте (толщине) водоносного слоя.

1.27. В результате геофизических исследований в комплексе с буровыми, горнопроходческими, лабораторными и полевыми следует выявлять:

дифференциацию геологического разреза в зависимости от состава, состояния и условий залегания грунтов;

глубину залегания подземных вод, мощность водоносной толщи, скорость и направления движения, области питания и разгрузки;

зоны тектонических нарушений, повышенной трещиноватости, карстовых пустот, древних долин;

характеристики оползневых процессов, зон мерзлых пород, развития таликов, подземного льда.

1.28. В состав геофизических исследований следует включать электроразведку, сейсморазведку, резистивиметрию, каротаж и др. (табл. 1).

Выбор методов определяется конкретными условиями исследований и поставленными задачами. Наиболее эффективно применение нескольких геофизических методов. Интерпретация геофизических материалов проводится с учетом данных» бурения скважин, проходки горных выработок, лабораторных и полевых исследований свойств и состава горных пород.

Таблица 1

1.29. В задачи режимных наблюдений при гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях входят: установление закономерностей изменения режима и условий питания подземных вод во времени от природных и техногенных факторов; изучение состояния горных пород в горных выработках и в обнажениях, в зависимости от условий залегания (экспозиции, их состава, анизотропности, водоносности).

1.30. Состав режимных наблюдений:

метеорологические - за атмосферными осадками, температурой на метеопостах, оборудованных непосредственно на месторождении;

гидрологические - за режимом поверхностных вод, их расходами на различных участках водотоков, на гидрологических постах, установленных на реках и водоемах;

гидрогеологические - за режимом подземных вод по сети специально оборудованных скважин на разные водоносные слои;

инженерно-геологические - за грунтами в обнажениях в горных выработках, развитием процессов выветривания, оползней, обвалов, карста.

Режимные наблюдения зависят от продолжительности изыскательских работ (не менее одного - двух лет).

1.31. При необходимости получения исходных характеристик природных условий на основе сложных исследований, доказательств выбора параметров способа водопонижения и устройства противофильтрационных завес целесообразно проектировать опытно-производственное водопонижение или опытно-производственные противофильтрационные завесы (иногда и опытный карьер или опытную шахту), предусматриваемые проектной организацией как этап строительно-монтажных работ (см. п. 2.4).

Особенности изучения специфически усложненных гидрогеологических условий

1.32. Подземный поток отличается особой спецификой на месторождениях, приуроченных к антиклинальным поднятиям с наклонным залеганием скальных водоносных пород, к мульдам, зонам развития карста и районам распространения мерзлых горных пород.

1.33. Месторождения полезных ископаемых с наклонно залегающими водоносными скальными породами (черт. 1) с углами наклона, достигающими 60 - 80°, разбитые неоднородно развитыми различно заполненными трещинами, тектоническими разломами и зонами дробления, отличаются неоднородной водопроницаемостью горных пород и неодинаковой водообильностью пород в лежачем и висячем боках пласта полезного ископаемого.

Питание водоносных слоев происходит в местах их выходов на поверхность или через покровные отложения.

Черт. 1. Геологический разрез месторождения

1 - суглинки, пески, галечники; 2 - породы коры выветривания; 3 - руда; 4 - кварцево-карбонатные породы; 5 - известняки; 6 - зона интенсивного рассланцевания пород; 7 - зона дробления

В таких условиях первостепенное значение имеет изучение тектоники, трещиноватости контактных зон, условий взаимосвязи наиболее водопроводимых зон с поверхностными водотоками, характера и материала заполнения трещин, а также выполнение опытных водопонижения и противофильтрационных завес с прогнозированием размыва и выноса материала, кольматирующего трещины.

Необходимо самое широкое использование геофизических способов разведки.

1.34. Месторождения, приуроченные к мульдам (см. разд. 2, черт. 21), представляют собой артезианские бассейны с заполнением мульды переслаивающимися нескальными породами. Синклинальная структура и переслаивание водоносных и водоупорных слоев способствуют образованию напорных вод.

В таких условиях необходимо установить литологический состав слоев, заполняющих мульду и подстилающих полезное ископаемое, взаимосвязь водоносных слоев между собой и условия их питания поверхностными водами, изучить контакт кровли полезного ископаемого с налегающими породами, опытным путем определить эффективность водопонижения при отборе воды из пониженного участка мульды.

1.35. Месторождения в карстовых районах характерны специфическими формами рельефа поверхности земли, на которой наблюдаются разнообразные замкнутые впадины, а в глубине массива - различные полости, пещеры, каналы, придающие своеобразие режиму подземных вод (черт. 2).

Черт. 2. Карстовые полости

Карст развит в районах распространения растворимых пород: каменной соли, гипса, ангидрита, известняков, доломита, мела, мергеля. Наибольшее распространение на территории СССР имеют карбонатные породы - известняки и доломиты.

В этих условиях особенно необходимо изучение распространения на территории месторождения и в глубине массива карстующихся пород и области развития карста, их залегания по отношению к полезному ископаемому и взаимосвязи с поверхностными водными объектами, химического состава поверхностных и подземных вод, трещиноватости скальных пород, их минералогического и петрографического состава, характера и состава заполнения трещин и карстовых полостей; при изысканиях должны быть широко использованы геофизические методы; следует выполнять опытные водопонижения и противофильтрационные завесы.

1.36. В зонах развития вечной мерзлоты должны быть изучены:

условия распространения вечномерзлых и сезонномерзлых грунтов, их состав, свойства, криогенное строение;

участки распространения и размеры залежей подземного льда;

особенности распространения и формирования таликов;

глубина сезонного промерзания и протаивают пород, изменение температуры пород по площади и в разрезе, режим смежных отложений;

физико-механические свойства (для каждой литологической разности) талых и мерзлых грунтов, изменение текстуры, плотности и влажности по сезонам;

глубина залегания уровней межмерзлотных и подмерзлотных вод, сезонные колебания их уровней, фильтрационные характеристики талых грунтов; температурный режим, связь с поверхностными водами; прогноз изменения режима подземных вод в связи с освоением месторождения и изменением геокреологических условий;

характер, особенности и прогноз развития криогенных и посткриогенных процессов, в зависимости от природных условий и способа отработки месторождения (пучение, термокарст, солифлюкция, заболоченность, наледи).

Должна быть составлена схематическая карта криогенных явлений.

Техническое задание на изыскания

1.37. Во многих случаях после окончания геологоразведочных работ для проектирования защиты горных выработок требуются дополнительные изыскания, которые выполняются по заданиям проектных организаций иногда теми же геологоразведочными экспедициями, которые вели разведку месторождения, а иногда специализированными изыскательскими организациями.

1.38. Задание на изыскания должно содержать: цели изысканий, примерный их состав, требования к методикам полевых исследований и к лабораторным работам (см. примеры 1 и 2).

Пример 1. Месторождение полиметаллических руд расположено в долине большой реки на ее левом пологом берегу в 30 км от ее устья. Часть месторождения находится непосредственно под руслом реки (черт. 3).

Река протекает в широтном направлении и под прямым углом к геологической структуре района месторождения.

Ширина реки в районе месторождения в межень 2,5 км, глубина 2 - 4 м. Максимальный паводковый расход реки 16000 м³/с при уровне воды в реке +10 м (над «местным нулем»). По месторождению протекают также небольшие ручьи и речки. Рельеф поверхности земли представляет собой слабо всхолмленную равнину, расчлененную долинами рек и ручьев с отметками поверхности - в береговой полосе +8 м, на водоразделах - до +44 м.

Черт. 3. Месторождение полиметаллических руд у реки

1 - рудное тело; 2 - водоносные карбонатно-терригенные породы

Климат района резко континентальный с продолжительной морозной зимой и коротким умеренно теплым летом. Среднегодовая температура воздуха (наиболее высокая летняя температура 35 °С, наиболее низкая зимняя - минус 57 °С), среднегодовое количество осадков 432 мм. Снеговой покров достигает 1 - 1,2 м, глубина сезонного промерзания 1,5 - 2 м.

В геологическом строении месторождения (см. черт. 1) основу составляют скальные осадочные породы с крутопадающими (близкими к вертикали) пластами. В верхней части породы выветрены и прикрыты повсеместно распространенными и залегающими практически горизонтально гравийно-галечными, песчано-галечными и супесчаными отложениями, а у самой поверхности земли - суглинками.

Скальные породы, прослеженные на месторождении до глубины 1200 м, подразделяются на три пачки - верхнюю, среднюю и нижнюю, сложенные глинистыми и слюдистыми известняками с прослоями карбонатных и слюдистых сланцев (встречаются и почти чистые известняки); к известнякам верхней пачки приурочены рудные тела.

Комплекс скальных пород имеет меридиональное простирание и разбит тектоническими нарушениями, среди которых выделяются зоны повышенной трещиноватости, интенсивного рассланцевания известняков и зоны дробления.

Тектонические зоны повышенной трещиноватости неравномерно заполнены материалом разрушения коренных пород и тоже относятся к зоне дробления; в зонах интенсивного рассланцевания известняков коренные породы сильно деградированы и превращены в супеси и суглинки.

Толщина покровных отложений колеблется от 5 м в русле реки до 28 м на склонах долины реки.

Гидрогеологические условия месторождения характеризуются наличием двух основных водоносных комплексов: в покровных отложениях и в скальных коренных породах. Породы вышеуказанных комплексов обладают различными фильтрационными свойствами, но подземные воды взаимосвязаны, имеют общий (единый) уровень с выраженным уклоном 0,02 - 0,03 в сторону реки и отметками 55 - 65 м на водоразделах.

Породы покровной толщи характеризуются следующими значениями коэффициентов фильтрации, м/сут: покровные суглинки - 0,1, супеси - 0,5, мелко- и среднезернистые пески - 10 - 15, гравелистые пески - 25, гравийно-галечниковые грунты - 50.

Воды покровной толщи имеют минерализацию менее 0,5 г/л и относятся к пресным гидрокарбонатно-кальциевым и магниевым. Покровные суглинки создают затруднения для инфильтрации поверхностных вод, однако подземные воды питаются в основном за счет атмосферных осадков через покровную толщу и из мелких речек и ручьев.

Большая река служит областью разгрузки подземных вод. На это указывает общий уклон подземного потока в ее сторону. В связи с разработкой месторождения и понижения уровня подземных вод река превратится в основной их источник питания.

Подземные, воды коренных пород приурочены к неравномерно трещиноватым карбонатным породам и зонам тектонических нарушений. Воды пресные, аналогичные водам покровной толщи, через которую они питаются.

Водоносный комплекс коренных скальных пород характеризуется неоднородными фильтрационными свойствами по площади и глубине и основным тектоническим элементам массива.

На основании данных геологоразведочных работ отмечается:

слабая водопроницаемость пород, окружающих месторождение;

в пределах водообильной области (черт. 4), вмещающей рудоносную толщу, наибольшая водопроницаемость верхней части зон тектонических нарушений, где значения коэффициентов фильтрации местами измеряются десятками метров в сутки;

низкая водопроницаемость пород в блоках - менее 1 м/сут;

с глубиной водообильность пород снижается.

Требуется определить задачи и состав необходимых изысканий по гидрогеологическому доизучению скального комплекса.

Дополнительное изучение гидрогеологии скального комплекса наиболее актуально для проектирования защиты горных выработок, так как общее геологическое строение месторождения, физико-географические и гидрометеорологические условия изучены подробно.

Необходимость дополнительного изучения гидрогеологических условий скального комплекса вытекает из того, что водопроницаемость пород освещена в основном по данным одиночных откачек. Недостаточно определены состав пород, заполняющих зоны тектонических нарушений и их физико-механические свойства, инженерно-геологическая характеристика скальных пород в массиве (в блоках) между тектоническими зонами.

Задачи первоочередных дополнительных исследований:

уточнение фильтрационных характеристик отдельных литологических разновидностей пород скального комплекса в массиве (в блоках) между тектоническими зонами и в зонах тектонических нарушений;

изменение фильтрационных свойств горных пород по глубине скального комплекса;

составление инженерно-геологической характеристики скальных пород в блоках между зонами тектонических нарушений и заполняющих их пород.

Кроме дополнительных изысканий в подобных условиях необходимы опытно-производственные работы. Однако их выполнение возможно лишь после принятия принципиального решения о способе разработки месторождения и о защите горных выработок.

Для изучения фильтрационных свойств горных пород опытными откачками намечаем 37 точек (участков) опробования (см. черт. 4), из них 9 - для кустовых откачек и 28 - для одиночных. Одиночные откачки с определением удельного дебита должны быть выполнены и из скважин кустов. Сравнительные данные одиночных и кустовых откачек на участках гидрогеологических кустов должны быть использованы для интерпретации одиночных откачек (в том числе и ранее произведенных) на остальной территории месторождения.

Участки кустовых откачек намечаем: в пределах зоны дробления - два, в зоне интенсивного рассланцевания известняков - три, в центральной части рудоносной толщи - один; 28 скважин для одиночных откачек размещаем так, чтобы охватить основные цитологические разновидности и тектонические зоны.

При разработке рабочей программы изысканий должны быть определены конкретное местоположение и количество центральных и наблюдательных скважин для кустовых откачек (с учетом частичного использования в качестве наблюдательных скважин, намеченных для одиночных откачек), интервалы опробования и глубины скважин.

Поставленные выше инженерно-геологические задачи решаем с помощью скважин, предназначенных для опытных откачек, и работ, выполненных в соответствии с пп. 1.16 - 1.20, т.е. надлежащего инженерно-геологического надзора при бурении скважин, отбора образцов горных пород и исследований их состава и свойств в лаборатории, а также с использованием полевых испытаний горных пород прессиометром и статическим зондированием (в частности, в зоне интенсивного рассланцевания горных пород).

Черт. 4. Гидрогеологическая карта месторождения

1 - породы висячего бока рудной зоны; 2 - рудная зона; 3 - зона интенсивного рассланцевания пород; 4 - известняки лежачего бока зоны рассланцевания; 5 - зона дробления пород; 6 - зона повышенной трещиноватости; 7 - ранее выполненные геолого-разведочные скважины; 8 - намечаемые скважины для одиночных откачек; 9 - опытные кусты с одной центральной скважиной; 10 - куст с тремя центральными скважинами (групповая откачка)

Кроме того, для решения поставленных гидрогеологических и инженерно-геологических задач необходимо полное использование геофизических методов в соответствии с пп. 1.27, 1.28 и табл. 1.

Составленная изыскательской организацией рабочая программа должна быть согласована с проектировщиками.

Пример 2. Составить задание на изыскания при следующих условиях и обстоятельствах. Разрабатываемое железорудное месторождение, разработка которого уже ведется, расположено в предгорье, в сложном тектоническом районе, характеризующемся образованием чешуи и надвигов, осложненных крупными сбросами и рядом более мелких тектонических нарушений (черт. 5, 6).

Климат района умеренно континентальный. Среднегодовая температура 9,8 °С. Среднее выпадение осадков 576 мм.

Отметки поверхности от 600 до 505 м с общим падением к югу. Район месторождений пересекает много мелких речек, впадающих в одну главную реку, протекающую с востока на запад в 5 км от месторождения.

Покровные отложения - пески и суглинки, переслаивающиеся слоями разной толщины с прослоями лигнитовых углей - залегают с наклоном к югу согласно падению поверхности, и общая их толща изменяет свои размеры от нуля в верхней части месторождения до 260 м в его южной части.

Рудоносная толща, залегающая под покрывающими их песками и суглинками, представляет собой надвинутое эллипсовидное тело, состоящее из известняков и руды, длина его (в широтном направлении) достигает 1700 м, ширина - 760 - 1100 м, толщина от нескольких метров до 260 м. Они подстилаются также надвинутыми, перетертыми до состояния глин, филлитами и аргиллитами с блоками, обломками и перетертым материалом других коренных пород, надвинутые породы залегают на коренных песчаниках, филлитах, аргиллитах и известняках, в различной мере нарушенных сложными тектоническими процессами и неоднородно трещиноватыми. Все эти скальные породы имеют выходы на поверхность выше месторождения, а в других местах прикрыты так же, как и породы надвига, покровной толщей.

Подземные воды получают питание в местах выхода скальных пород на поверхность, а также в 7 км восточнее месторождения, где выходят на поверхность пески покровной толщи, а в районе речки, протекающей в 18 км западнее месторождения, происходит некоторая разгрузка подземного потока.

Воды песков покровной и рудоносной толщ связаны между собой, их связь с наиболее водообильными коренными известняками и песчаниками затруднена и активно осуществляется лишь в отдельных местах восточнее и северо-западнее месторождения контактом песчаных грунтов покровных отложений с трещиноватыми и водообильными коренными скальными породами, а также на отдельных участках через тектонические зоны и рудоносную толщу. В остальной части коренные известняки прикрыты слабопроницаемыми аргиллитами, филлитами, мергелями.

Месторождение изучено, кроме геологоразведочных работ, специальными изысканиями, выполненными по заданию проектной организации для проекта защиты горных выработок. Однако результаты опытных откачек оказались неполноценными, отбор образцов горных пород и их лабораторное изучение также не отвечали поставленным задачам.

Это требует бурения на юге и востоке месторождения некоторых контрольных инженерно-геологических скважин. Однако в повторении кустовых откачек нет необходимости, так как уточнение данных о фильтрационных свойствах пород и условиях развития понижения уровня подземных вод в различных водоносных слоях будет получено в процессе первоочередного водопонижения. Целесообразно выполнить откачки из одиночных скважин, предназначенных в основном для инженерно-геологических исследований, что позволит уточнить общую оценку водопроницаемости пород, отделяющих водоносные слои скальных пород от рудоносной и покровной толщ.

Черт. 5. Геологический разрез железорудного месторождения в предгорье

1 - переслаивающиеся глинистые породы и пески; 2 - мергели; 3 - известняки; 4 - песчаники; 5 - рудовмещающие известняки; 6 - песчаники с мусковитом; 7 - сланцы; 8 - тектоническая зона; 9 - разрушенные песчаники, мергели, сланцы, известняки; 10 - железная руда; 11 - линии разломов

В проекте защиты карьера (месторождение принято разрабатывать открытым способом) предусмотрена первоочередная дренажная система из южного полукольца водопонизительных скважин для откачки подземных вод из покровной толщи, дренажного штрека в рудоносной зоне на отметке 400 м с насосной станцией и шахтным стволом на севере месторождения. В связи с этим возникла необходимость уточнения инженерно-геологических условий на участках этих сооружений. Аналогичное уточнение необходимо на участках предполагаемой взаимосвязи подземных вод покровной толщи с водообильными породами подстилающего скального комплекса.

Задачи изысканий: 1. В районе установленного в процессе рабочего проектирования местоположения подземной насосной станции и по линии дренажного штрека следует уточнить литологический состав, физико-механические свойства и получить общую (сравнительную) оценку водопроницаемости пород на горизонте сооружений и подстилающих пород, в том числе разделяющего слоя.

2. На востоке и северо-западе от месторождения, в районе предполагаемой взаимосвязи покровных отложений и водоносных скальных пород должны быть изучены: геологическое строение участка, литологический состав и физико-механические свойства нескальных и скальных водоносных пород; должны быть получены общая оценка фильтрационных свойств и водообильности скальных пород, через которые происходит питание подземных вод, и оценка проницаемости вскрываемых разделяющих пород.

Черт. 6. Железорудное месторождение в предгорье

1 - конуса выноса; 2 - песчаники; 3 - известняки; 4 - рудовмещающие известняки; 5 - контур рудного тела; 6 - контур карьера на конец отработки; 7 - дренажный штрек; намечаемые инженерно-геологические скважины; 8 - в разделяющих породах - до отм. 320; 9 - в разделяющих породах - до отм. 380; 10 - прорезающие покровную толщу, водообильные скальные породы и заглубляемые на 10 м в плотные водоупорные породы; 11 - прорезающие покровную толщу и заглубляемые на 10 м в скальные породы; 12 - прорезающие покровную толщу, разделяющие породы и заглубляемые в скальные водообильные породы до отм. 320; 13 - ранее выполненные инженерно-геологические скважины

3. На южном и восточном бортах карьера необходимо пробурить контрольные инженерно-геологические скважины для уточнения геологического строения, физико-механических свойств нескальных пород покровной толщи и выяснения достоверности характеристик физико-механических свойств пород, определенных для образцов, отобранных без грунтоноса при обычном колонковом бурении.

Примерный состав изысканий. Для решения поставленных задач должны быть выполнены инженерно-геологические скважины, которые намечается расположить следующим образом:

1. В районе насосной станции и по линии дренажного штрека намечается пять инженерно-геологических скважин: две из них на трассе дренажного штрека должны быть пройдены в разделяющих породах примерно до отметки +320 м, а три скважины намечаются до отметки +380 м (примерно на 20 м ниже пола насосной камеры); следует уделить внимание изучению пород в наименее исследованном интервале от +380 до +320 м; с целью получения общей оценки водопроводимости разделяющих пород во всех пяти скважинах намечают одиночные откачки.

2. На северо-западе от контура месторождения предусматриваем бурение четырех инженерно-геологических скважин: три из них проектируются на правом берегу речки, одна - на левом; скважины должны пройти покровную толщу, водообильные скальные породы и войти на 10 м в плотные, водоупорные скальные породы;

во всех указанных скважинах должны быть произведены одиночные откачки из водоносных скальных пород, а в случае вскрытия слабопроницаемых разделяющих пород - откачки или наливы.

3. На восточном борту карьера намечаем бурение четырех инженерно-геологических скважин: три скважины должны пройти покровную толщу и войти на 10 м в подстилающие скальные породы, одна скважина должна вскрыть покровную толщу, разделяющую породу, и войти в скальные водоносные породы. Эта скважина бурится до отметки +320 м, в ней намечается проведение одиночных откачек (или наливов) из разделяющих пород с целью определения водопроницаемости этих пород. Примерное расположение изыскательских скважин - см. черт. 6.

Методика изысканий. Все инженерно-геологические скважины предусматривается бурить по нескальным породам грунтоносом с отбором полной колонны керна. Бурение скальных пород предусматривается с отбором сплошной колонны керна колонковым способом.

При бурении всех инженерно-геологических скважин в пределах скальных пород должны быть подробно освещены трещиноватость, закарстованность и водообильность пород. Необходимые данные, должны быть получены на основе изучения керна, наблюдений за поглощением промывочной жидкости и проведения геофизических работ.

При описании керна отмечаются: число трещин на 1 м скважины, их ширина, углы падения, минеральный состав заполнителей, размеры каверн, число каверн на 1 м скважины, минеральные образования в полостях каверн. Описание керна сопровождается зарисовками и фотографиями.

Наблюдения за водопоглощением в слаботрещиноватых породах следует вести по уменьшению воды в зумпфе. Для замера расхода воды в зумпфе следует установить мерную рейку, по которой проводятся наблюдения за изменением уровня в процессе бурения.

Расход воды во времени для различных интервалов глубин позволит дать сравнительную характеристику водопоглощения. При вскрытии сильно трещиноватых или карстовых зон, когда наблюдается значительное или почти полное поглощение промывочной воды, ориентировочно через десятиметровые интервалы производятся кратковременные (4 - 6 ч) опытные наливы на одно повышение. Опытный налив выполняется до стабилизации уровня и дебита. Замеры уровня осуществляются электроуровнемером, производительность насоса определяется по водомеру. На основании полученных данных определяются удельный дебит и коэффициент фильтрации.

Геофизические исследования предполагается производить с помощью электрокаротажа и резистивиметрии во всех скважинах, где планируются откачки.

Отбор образцов горных пород производится:

из нескальных пород до глубины 100 - 150 м из каждой литологической разности, но не реже чем через 3 м по высоте в каждой скважине, ниже глубины более 100 - 150 м по одному образцу из каждой литологической разности на скважину;

из рудоносной толщи - через 10 - 15 м по высоте в каждой скважине;

из разделяющих пород - через каждые 10 - 20 м и на горизонте расположения горных выработок;

из водоносных скальных пород - по 2 - 3 образца на каждую литологическую разность.

Примерные перечни лабораторных определений (даются обычно в приложении к заданию):

перечень 1 - для образцов несвязных пород (нормальный комплекс для 20 - 25 % образцов) - пористость (с определением удельного веса породы в естественных сложении и влажности), гранулометрический состав, водоотдача, максимальная молекулярная влагоемкость, сопротивление сдвигу грунтов естественного сложения, угол естественного откоса в подводном и сухом состояниях (для образцов как высушенных, так и сохранивших естественную влажность), глубина задавливания конуса в образцы ненарушенной структуры;

перечень 1с - для образцов несвязных пород (сокращенный комплекс для 75 - 80 % образцов) - пористость (с определением удельного веса породы в естественных состоянии и влажности), гранулометрический состав, глубина задавливания конуса в образцы ненарушенной структуры;

перечень 1д - для образцов несвязных пород (дополнительные определения выполняются для отдельных образцов) - минералогический состав коллоидной части термическим, спектрофотометрическим и другими методами, минералогический состав методом окрашивания при визуальном наблюдении, петрографо-минералогическое описание под микроскопом;

перечень 2 - для образцов связных пород (нормальный комплекс для 20 - 25 % образцов) - пористость (с определением удельного веса породы в естественных состоянии и влажности), гранулометрический состав, пластичность по стандартной методике, сопротивление сдвигу грунтов естественного сложения, максимальная молекулярная влагоемкость, размокаемость по стандартной методике при естественной влажности, проба на вскипание, глубина задавливания конуса в образцы ненарушенной структуры;

перечень 2с - для образцов связных грунтов (сокращенный комплекс для 75 - 80 % образцов) - пористость (с определением удельного веса породы в естественных состоянии и влажности), пластичность по стандартной методике, глубина задавливания конуса в образцы ненарушенной структуры;

перечень 2д - для образцов связных пород (дополнительные определения выполняются для отдельных образцов) - исследование механических свойств пород в приборах трехосного сжатия (стабилометрах), компрессионные испытания с наблюдением за консолидацией, набухание, объемная и линейная усадка, минералогический состав коллоидной части грунта, химический анализ водной вытяжки, петрографическое описание шлифа;

перечень 3 - для образцов полускальных пород (нормальный комплекс для 20 - 25 % образцов) - удельный вес в естественном состоянии, удельный вес сухой породы, естественная влажность, сопротивление раздавливанию сухих и водонасыщенных образцов;

перечень 3д - для образцов полускальных пород (дополнительные определения выполняются для отдельных образцов) - сопротивление раздавливанию после трехкратного замачивания и высушивания, размокаемость после высушивания до воздушно-сухого состояния с повторением высушивания и размокания до полного распадения образца, химический анализ водной, щелочной и солянокислой вытяжки, карбонатность, минералого-петрографическое описание под микроскопом;

перечень 4 - для образцов скальных пород (число определений намечается геологом) - удельный вес, удельный вес сухой породы, сопротивление раздавливанию сухих и водонасыщенных образцов;

перечень 4д - дополнительные определения для скальных пород - минералого-петрографическое описание (по усмотрению изыскательских организаций).

2. ВЫБОР СИСТЕМ ЗАЩИТЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Общие положения

2.1. Основные задачи систем защиты горных выработок:

не допускать притоков воды в размерах, при которых возникают затруднения с ее каптажем и отводом, в результате чего нарушается нормальное ведение горных работ;

не допускать разрушения водой горных пород, окружающих выработки, за исключением случаев, способствующих разработке работ в забое (например, при применении гидромеханизации);

предупреждать прорывы воды, вызывающие приостановку горных работ и являющиеся причиной несчастных случаев.

Следует учитывать необходимость сохранения окружающей среды, обеспечивая снижение до минимума причиняемого ей ущерба и предусматривая соответствующее восполнение.

Для решения указанных задач в системах осушения следует предусматривать сооружения, устройства и мероприятия по регулированию поверхностного стока, снижению напоров и притоков в выработки подземных вод, отводу всех видов рудничных вод к намеченным местам сброса с помощью:

водопонижения с применением открытых и вакуумных водопонизительных скважин, иглофильтровых установок, дренажа и водоотлива из открытых и подземных горных выработок; противофильтрационных завес (траншейных, свайных, инъекционных, льдопородных и сооружаемых с помощью струйной технологии) гидротехнических сооружений, водоотводящих устройств и необходимых мероприятий по охране окружающей среды.

2.2. При выборе решения по системе защиты горных выработок необходимо прежде всего произвести всестороннюю оценку природных условий. Эта оценка, предварительно выполняемая по литературным, рекогносцировочным и другим данным еще до начала разведки месторождения и непрерывно уточняемая в процессе его разведки, анализа материалов разведки, предпроектной и проектной проработки вопросов освоения месторождения, должна быть направлена на выявление природных факторов, определяющих рассматриваемые в комплексе целесообразные способы и системы горных работ и защиты горных выработок от подземных и поверхностных вод.

В случае расположения месторождения в зоне возможных опасных геологических процессов (вулканических, сейсмических, оползневых, обвальных, селевых, лавинных, криогенных и др.) они должны быть учтены в проекте защиты проектируемого горного предприятия.

2.3. Необходимо учитывать, что в процессе разработки месторождения и осуществления систем защиты природные условия претерпевают значительные изменения. Изменяются условия стока поверхностных вод и питание ими подземных вод.

Резко изменяется режим подземных вод. Области разгрузки превращаются в области питания; в районе месторождения изменяются не только уровни, но и скорости направления движения, температура, химический состав, газосодержание и другие характеристики подземного потока.

Все эти изменения находятся в прямой зависимости от методов защиты и применяемых сооружений и устройств.

2.4. В сложных условиях, когда в соответствии с п. 1.31 необходимо предусматривать опытно-производственные работы, их следует выполнять по специальному проекту с включением опытных защитных мероприятий (водопонижения, противофильтрационной завесы), а также осуществляемую под их защитой какую-то часть проектируемого строительства и комплекс исследований и наблюдений, намечаемых в соответствии с разд. 5.

Опытно-производственные работы предназначаются для получения полноценных данных для проектирования защиты горных выработок на длительный период их строительства и эксплуатации, ускорения и снижения стоимости строительства путем сокращения времени, материальных и трудовых ресурсов, необходимых на сложные изыскания и строительно-монтажные работы.

2.5. Опытно-производственные работы относятся к строительно-монтажным и выполняются, как правило, строительной организацией, но для выполнения гидрогеологических и инженерно-геологических наблюдений и исследований возможно привлечение изыскательских организаций. Авторский надзор при проведении опытно-производственных работ со стороны проектной организации обязателен.

2.6. В проектах следует предусматривать поэтапное выполнение защитных мероприятий с тем, чтобы на каждом последующем этапе можно было вносить коррективы в проектные решения, если данные предыдущего этапа выявят необходимость в этом.

Выбор защиты горных выработок при определении способа разработки месторождения

2.7. Методы и системы защиты должны быть взаимоувязаны с методами и системами разработки месторождения.

Выбираемые методы защиты должны быть эффективными в конкретных природных условиях, позволяющими применять целесообразные методы и системы ведения горных работ, а также ввести в действие предприятия с минимальными капитальными затратами. При выборе методов и системы разработки месторождения приоритет должны иметь такие решения, которые требуют минимальных суммарных затрат на защиту и производство горных работ.

2.8. В одних и тех же природных условиях возможности обеспечения эффективной защиты открытых и подземных выработок неодинаковы, так же, как различны в этих случаях и требования к защите. Естественно, это обстоятельство и существо различий необходимо учитывать в самом начале проектных проработок вопросов освоения месторождения - при выборе решения о том: открытым или подземным способом осваивать месторождение. В некоторых случаях может потребоваться достаточно подробная разработка двух вариантов горного предприятия и его защиты.

Пример 3. Месторождение магнетитовых руд расположено в равнинной местности с колебанием отметок от 64 до 72 м от местного нуля. В нескольких десятках километров с разных сторон месторождения протекают реки. Климат района резко-континентальный. Среднегодовое количество осадков 260 мм.

Геологическое строение на глубину 120 - 200 м характеризуется горизонтальным залеганием переслаивающихся водоупорных и водоносных пород: суглинков, супесей, песков, глин, опок, песчаников, конгломератов. Водоносными являются пески, преимущественно мелкие, глинистые, песчаники, конгломераты, опоки. Общая толщина водоносных слоев доходит до 140 м. Самый нижний, подстилающий покровную толщу слой водоносных песков и конгломератов толщиной от 1 - 2 м до 50 м распространен в основном на северо-западе и в меньшей мере на востоке месторождения. Выше малоустойчивые водоносные породы встречаются еще на трех горизонтах: в среднем на 30 и 50 м над нижним слоем и в самом верху на глубине 3 - 10 м от поверхности земли.

Породы подстилающего скального массива с поверхности подверглись выветриванию, продукты которого, составляющие кору выветривания, - в основном глины и глинистые мартиты. Общая толщина коры выветривания достигает 73 м (в среднем 20 м). Однако кора выветривания развита не повсеместно и местами нижний слой песков и конгломератов залегает непосредственно на скальных породах, поэтому подземные воды в таких породах взаимосвязаны. Складчатый скальный массив сложен песчаниками, аргиллитами, магнетитовыми рудами, порфиритами, известняками, туфами, конгломератами и туфобрекчиями этих пород.

В скальном массиве выделяются три главные антиклинальные складки: южная, центральная и северная. На южном нарушении заметное развитие получил процесс каолинизации, в результате чего трещины здесь заглинизированы. Центральное нарушение имеет общее, почти широтное направление, сопровождается мощными зонами дробления, и трещиноватость здесь в основном открытая. В зоне северного нарушения трещины преимущественно заполнены кальцитом и цеолитом. Наиболее водообильными породами являются известняки, наименее - порфириты, фильтрационные свойства пород в общем не высоки. Значения коэффициентов фильтрации в надрудной толще - от 0,2 до 3, в рудоносной скальной толще - от 0,15 в верхней части до 0,02 на глубине ниже отметки 275 м. Однако необходимо учитывать, что в зонах тектонических нарушений и в карстовых может быть встречена высокая водообильность пород.

Ввиду того, что водоносные пласты разобщены, подземные воды повсеместно имеют напорный характер, связь подземных вод с поверхностными водами очень отдаленная, и подземные воды отличаются высокой минерализацией от 3 до 19,6 г/л. Уровень воды на отметках в надрудной толще от +48 до +60 м, в рудоносной - от +27 до +50 м.

Освоение этого месторождения связано с необходимостью преодоления значительных трудностей как при открытом, так и при подземном способе работ. Выбрать один из них можно лишь на основе всестороннего рассмотрения достоинств и недостатков обоих способов разработки в конкретных условиях.

Рассмотрим решения защиты при двух вариантах разработки месторождения исходя из того, что на базе этого месторождения должно быть создано горное предприятие большой мощности - свыше 20 млн. т руды в год.

Вариант открытых работ. Принимаем, что разработка ведется уступами высотой 16 - 25 м с применением высокопроизводительных экскаваторов, в том числе и роторных комплексов с конвейерным транспортом.

В этих условиях необходимо считаться с тем, что разработку пород придется вести при некоторой фильтрации воды через откосы, так как затруднительно полностью осушить породы, залегающие между двумя водоупорными слоями. Особенные трудности представляет осушение глинистых песков. В покровной толще исключение составляют самые верхние водоносные слои, для которых возможно применение передовых дренажных траншей, и нижний, по-видимому, наиболее водообильный слой песков и конгломератов, понижение уровня подземных вод в котором может быть достигнуто с помощью водопонизительных скважин, пройденных с поверхности или в виде восстающих скважин из подземных выработок в сочетании с самими подземными дренажными выработками в скальных породах.

Следует отметить, что применение подземных выработок с восстающими скважинами и скважинами, забуриваемыми в зоны разломов, весьма целесообразно для водопонижения в рудоносной толще, так как ее осушение приведет к созданию благоприятных условий для высокоэффективной разработки руды и облегчит организацию водоотлива для удаления вод поверхностного стока в самом карьере.

Взаимосвязь подземных вод в скальных породах и нижних песках и конгломератах будет способствовать осушению надрудных пород при водопонижении в рудоносной зоне.

Учитывая все вышеизложенное, принимаем систему защиты карьера в следующем виде (черт. 7, 8):

дренажный штрек с восстающими скважинами до нижних песков, вдоль участка их распространения на севере и северо-западе (образующие северную внешнюю неполнокольцевую водопонизительную систему);

дренажный штрек, примерно, вдоль широтного разлома (проходящий через северное и южное рудные тела) с самоизливающимися скважинами в трещиноватых зонах, используемый для водопонижения в рудоносной толще и для сброса в него карьерных вод;

передовые траншеи для осушения самых верхних водоносных слоев;

вспомогательные иглофильтровые установки, применяемые на рабочих бортах по мере выявления необходимости в них (если фильтрация через откосы в глинистых песках вызовет нежелательные последствия), а на постоянных бортах - дренажи и дренажные пригрузки на участках высачивания подземных вод;

системы внутрикарьерной дождевой сети и водосборников.

Черт. 7. Система защиты карьера

1 - пески; 2 - конгломерат; 3 - глины; 4 - подземные дренажные выработки горизонта - 175 м с восстающими самоизливающимися скважинами; 5 - подземные дренажные выработки горизонта - 175 м для карьерного водоотлива; 6 - подземные дренажные выработки горизонта - 305 м; 7 - подземные насосные станции; 8 - контур карьера на конец отработки; 9 - промежуточный контур карьера

Первый дренажный горизонт принимаем на отметке - 175 м. На этом горизонте устраиваются подземные насосные станции. Так как карьер будут заглублять и ниже этой отметки, то соответственно потребуется устройство последующих дренажных горизонтов (примерно через 120 - 150 м по глубине).

Для проходки дренажных выработок и устройства подземных насосных станций предусматриваем три шахтных ствола.

Черт. 8. Система защиты карьера. Разрез 1-1 (см. черт. 10)

1 - суглинки; 2 - глины; 3 - опоки; 4 - песчаники; 5 - пески; 6 - конгломерат; 7 - глины коры выветривания; 8 - известняки; 9 - порфириты; 10 - скарны; 11 - руды; 12 - линии тектонического нарушения; 13 - иглофильтр; 14 - подземные дренажные выработки горизонта - 175 м для карьерного водоотлива; 15 - дренажные пригрузки; 16 - ливнестоки и ливнеприемные колодцы; 17 - пониженный уровень подземных вод в надрудных водоносных слоях; 18 - пониженный (соответственно заглублению карьера) уровень подземных вод в рудоносной толще; 19 - подземные дренажные выработки горизонта - 305 м; 20 - контур карьера на конец отработки; 21 - подземные дренажные выработки горизонта - 175 м

Вариант подземного рудника. Принимаем, что вскрытие месторождения осуществляется пятнадцатью стволами: восемью главными стволами, тремя вспомогательными и четырьмя вентиляционно-водоотливными. Основная система разработки - этажного принудительного обрушения с отбойкой руды глубокими скважинами. Высота этажа 80 м. Одновременно ведется разработка на двух этажах, начиная с горизонтов - 175 и - 255 м. Горизонт - 175 м вводится на два года раньше горизонта - 255 м.

Систему защиты принимаем исходя из необходимости осушения разрабатываемого пространства в рудоносной толще и залегающих непосредственно на ней песков и конгломератов. С этой целью предусматриваем (черт. 9, 10):

северную неполнокольцевую дренажную систему, аналогичную внешней системе карьера для общего водопонижения в рудоносной толще и в надрудных песках и конгломератах;

системы дренажных штреков на выемочных участках, заглубленных на 10 м ниже откаточных горизонтов, с самоизливающимися скважинами, забуриваемыми в трещиноватые породы и в зоны разломов;

подземные насосные станции у водоотливно-вентиляционных стволов:

соответствующие сбоечные и вспомогательные подземные выработки.

В проекте следует сравнить общие технико-экономические показатели вариантов открытого и подземного рудников.

Из приведенного примера видно, что оба приведенные технические решения в настоящих условиях возможны, и, чтобы выбрать один из них, необходим довольно глубокий технико-экономический анализ при комплексном рассмотрении проектных решений горных работ и систем защиты горных выработок.

2.9. Взаимоувязка систем защиты горных выработок с методами горных работ зависит от специфики методов добычных работ. Рассмотрим следующий пример.

Пример 4. Месторождение серы расположено в районе горных гряд на сильно расчлененной равнинной местности с отметками поверхности 300 - 550 м в 40 км от реки.

Залежи серных руд приурочены к контактам известняков и ангидритов с наибольшим развитием в зонах тектонических нарушений, которые здесь прослеживаются в большом разнообразии: от крупных региональных разломов до мелких сбросов с амплитудой в несколько метров.

На неровной поверхности ангидритов залегают глины, конгломераты, песчаники, алевролиты и в самом верху лессовидные суглинки, общей толщиной от 200 м на западе до 0 на востоке (черт. 11,а).

Черт. 9. Система защиты подземного рудника

1 - конгломераты, песчаники, алевриты; 2 - известняки; 3 - порфириты; 4 - гранит-порфиры; 5 - скаполитовые породы; 6 - руды; 7 - тектонические разломы; 8 - дренажные выработки горизонта - 185 м с самоизливающимися скважинами; 9 - дренажные выработки горизонта - 265 м; 10 - подземные насосные станции горизонта - 185 м; 11 - подземные насосные станции горизонта - 265 м; 12 - вентиляционно-водоотливные стволы; 13 - главные стволы

Подземные воды содержатся в известняках и залежах руд. Наиболее водообильны сероносные известняки, коэффициент фильтрации которые 10 - 100 м/сут. Подстилающие известняки менее водообильны. Толщина слоев водоносных пород примерно 200 м.

Добыча руды производится частично открытым способом под защитой водопонижения и подземной выплавкой серы - ПВС путем нагнетания в нее горячей воды. При этом водопонижение значительно затрудняет подземную выплавку серы, так как способствует усиленной фильтрации теплоносителя в сторону водопонизительных скважин.

Черт. 10. Разрез 1-1 (см. черт. 13)

1 - водонепроницаемые или слабо водопроницаемые породы; 2 - опоки; 3 - песчаники; 4 - пески; 5 - известняки; 6 - порфириты; 7 - скарны; 8 - руды; 9 - линии тектонического нарушения; 10 - откаточные и вентиляционные штреки; 11 - дренажные штреки; 12 - восстающие самоизливающиеся скважины; 13 - непониженный уровень подземных вод (НУПВ) в надрудных водоносных слоях; 14 - НУПВ в рудоносной толще; 15 - пониженный уровень подземных вод (ПУПВ) в надрудных

Черт. 11. Структура месторождения серы и схемы его разработки и защиты

а - региональный разрез; б - план; в - разрез 1-1; 1 - суглинки; 2 - ангидриты; 3 - серные руды; 4 - известняки; 5 - тектонические нарушения; 6 - граница обводненных и необводненных залежей; 7 - расширение карьеров; 8 - ряды серодобычных скважин (метод подземной выплавки); 9 - водоотливные скважины; 10 - водопонизительные скважины; 11 - граница залежей серных руд

Восточнее залежи расположены высоко, в зоне неводоносных пород, и их разработка открытым способом здесь не рассматривается.

Требуется наметить рациональную систему разработки и защиты открытых выработок западной части месторождения, где имеются два карьера «Южный» и «Северный». Оба эти карьера вскрыли и уже отработали высокозалегающие сероносные тела. Развитие этих карьеров возможно лишь при их углубке, для чего необходимо водопонижение.

Для разработки месторождения двумя способами (открытым и ПВС) одновременно намечаем (см. черт. 11б, в):

в центральной части месторождения (наиболее глубокой) и на самом южном участке (южнее карьера «Южный») применение ПВС для добычи серы ниже отметок 250 м (на севере и юге при этом допускается открытая добыча серы выше отметок 250 м);

на западе центральной части - водоотливные скважины для откачки излишков воды при ПВС;

на северном и южном участках при развитии и углубке карьеров «Южный» и «Северный» - водопонизительные скважины, оборудованные погружными насосами для осушения карьеров до их конечной глубины (определяемой положением залежей, не отрабатываемых ПВС).

В случае разработки только карьера «Южный» может быть допущена разработка методом ПВС глубоких залежей и в северо-западной части месторождения.

2.10. При проектировании защиты реконструируемых горных предприятий возникают задачи, связанные с необходимостью внедрения новых высокоэффективных способов разработки при максимальном использовании достигнутого искусственного понижения уровня подземных вод и действующих защитных сооружений.

В некоторых случаях целесообразна ликвидация некоторых устаревших сооружении и устройств, например, скважин, не позволяющих применить необходимые современные мощные и высокопроизводительные насосы, старые шахты, высоко расположенные (или с прогнившим креплением) подземные горные выработки и т.п. Однако, если возможна защита реконструируемых объектов с использованием существующих устройств, то это должно рассматриваться как достоинство варианта, способствующее снижению капитальных затрат и ускорению ввода производственных мощностей. Рассмотрим возможные решения защиты горных выработок при реконструкции горного предприятия на следующем примере.

Пример 5. Месторождение каменной соли расположено на правом берегу реки в 0,5 - 1,5 км от нее с абсолютными отметками поверхности от 204 до 250 м. Поверхность холмистая, прорезанная несколькими ручьями, покрыта карстовыми воронками и углублениями, в западной части месторождения - соленые озера.

Месторождение представляет собой брахиантиклинальную складку, ядро которой сложено солью; вмещающие породы представлены аргиллитами, алевролитами, туфами и песчаниками. Эта толща перекрыта глинистыми и песчано-галечниковыми породами. Местами песчано-галечниковые породы залегают непосредственно на кровле соли и головах переслаивающихся вмещающих пород (черт. 12). Толщина покровных отложений местами достигает 60 м. Карсты приурочены к поверхности соляного тела.

Подземные воды заключены в покровных отложениях и в трещиноватых разностях вмещающих пород. Толщина водоносной части покровных отложений в западинах достигает 50 м. Коэффициент фильтрации водоносных пород покровной толщи от 6 до 220 м/сут. Наиболее высокие значения коэффициентов фильтрации присущи песчано-галечниковым отложениям, развитым в пойме реки. Коэффициент фильтрации трещиноватых скальных пород, вмещающих полезное ископаемое, - 9 - 25 м/сут.

Уровень подземных вод в западной части месторождения на глубине от 2 до 6 м, а в восточной части, где долгое время велась разработка соли и соответственно водоотлива, он снижен до глубины 14 - 17 м. Местами, где галечники, закарстованные и трещиноватые породы прикрыты глинами, подземные воды приобретают напорный характер.

Черт. 12. Разрез по месторождению каменной соли

1 - галечник; 2 - глина с валунами и галькой; 3 - глина; 4 - переслаивающиеся аргиллиты, алевролиты и песчаники; 5 - гипс; 6 - соль каменная; 7 - тектонические нарушения; 8 - контур опытно-эксплуатационного карьера; 9 - предельный контур карьера; 10 - пониженный уровень подземных вод; 11 - водопонизительные скважины; 12 - дренажная выработка

Месторождение разрабатывается уже более 200 лет. В настоящее время восточная его часть разрабатывается подземным способом, где имеется несколько действующих шахт и много заброшенных.

С целью защиты месторождения от подземных вод в подошве покровной толщи пройдено много штольневых подземных дренажных выработок, в основном по контуру месторождения, и восемь водоотливных шахт. Однако усиленный водоотлив из всех этих устройств вызвал интенсификацию от карстового процесса и принес значительный ущерб из-за откачки растворенной соли.

Это горное предприятие предполагается реконструировать с сохранением подземной добычи в восточной части и устройством карьера для открытой добычи соли в западной части месторождения.

Соответственно требуется реконструировать систему защиты горных выработок и создать благоприятные условия для эксплуатации карьера.

При проектировании защиты в условиях реконструкции данного предприятия следует учесть, что из-за легкой растворимости соли необходимо свести к минимуму питание подземных вод поверхностными водами и приток последних в карьер, а также предусматривать откачку подземных вод, способствующих развитию карстового процесса.

Решение системы защиты горных выработок:

поверхность территории месторождения должна быть спланирована с засыпкой озер, карстовых воронок и других западин; на поверхности устраивается необходимая дождевая сеть - открытые канавы с асфальтобетонным покрытием, сбрасывающие воды в ручьи;

русла ручьев расчищаются и облицовываются бетоном; ручей, протекающий с севера месторождения и попадающий в зону вновь проектируемого карьера, отводится в новое русло в обход карьера, со стороны поймы реки для защиты карьера от паводков возводится земляная дамба;

все старые дренажные выработки и водоотливные шахты, расположенные в пределах соляного тела, водоотлив из которых способствовал развитию карста, ликвидируются и закладываются, учитывая, что статические запасы воды в восточной части значительно сработаны и главной задачей защиты вообще, и особенно в восточной части месторождения, где продолжится подземная разработка соли, является перехват внешнего притока. Эту задачу можно решить с помощью контурных дренажных выработок с применением забуриваемых из них самоизливающихся скважин различного направления. Использование в защите месторождения подземных дренажных выработок целесообразно по следующим причинам: в южной и юго-восточной частях сохранились контурные подземные дренажные выработки значительной протяженности, которые можно продолжить штольневыми выработками с выпусками каптируемых вод самотеком в ручьи; выработки непосредственно не контактируют с соляным телом и будут отбирать воду в основном из покровных отложений и вмещающих пород;

со стороны реки и ее поймы, где развиты наиболее водообильные галечники, предусматривается устройство траншейной противофильтрационной завесы, заглубленной до глин, подстилающих галечники; устройство завесы возможно, в частности, путем разработки траншеи с глинистым раствором с помощью установки с гидравлическим напорным грейфером и последующей закладкой траншеи глиной;

для удаления статических запасов подземных вод в пределах территории распространения полезного ископаемого предусматриваются водопонизительные скважины в местах понижений подошвы песчано-галечниковых отложений;

для уточнения эффективности принятой системы защиты и открытого способа разработки каменной соли предусматривается опытно-производственный участок открытой добычи; разработка карьера на опытном участке начинается с устройства дренажной траншеи по контуру опытного карьера для перехвата статических запасов подземных вод на огражденной территории. В дальнейшем внутренний борт траншеи срабатывается, и на кровле глинистых пород, залегающих над полезным ископаемым, остается лоток, ложе которого должно быть покрыто асфальтобетоном.

Схема принятой системы защиты горных выработок показана на черт. 13.

В соответствии с пп. 1.2 и 13 СНиП 2.06.14-85 при проектировании подобного объекта должен быть рассмотрен также вариант с полной ликвидацией внешней дренажной системы и замены ее противофильтрационной завесой.

Системы защиты открытых выработок

2.11. При проектировании систем защиты открытых выработок (карьеров, разрезов) особое значение приобретает взаимоувязка проектных решений по организации поверхностного стока на прикарьерной территории, защиты от подземных вод и от опасных геологических процессов из поверхностных водных объектов.

Рассмотрим комплексное решение защиты угольного разреза от подземных и поверхностных вод, селей и оползней.

Пример 6. Буроугольный разрез расположен в долине реки, протекающей с северо-востока на юго-запад между хребтами горной системы со средними высотными отметками от 2300 до 3300 м и в долине реки от 625 до 880 м. Склоны горных хребтов расчленены долинами мелких потоков, являющихся селеопасными.

Разрез заглублен до коренных скальных пород, представленных трещиноватыми кварцевыми порфирами, порфиритами и туфами, на которых залегает угленосная толща (от 50 до 100 м) - угли, песчаники, алевролиты, глины; выше - каолиновые глины, песчаники, гравелиты, алевролиты, конгломераты, известняки, мелкие кварцевые пески, валунно-галечниковые и песчано-галечниковые породы, покровные глины и суглинки (100 - 450 м). Общая глубина разреза 250 м. Вся толща, за исключением водоупорных глинистых пород, является водоносной. Наибольшей водообильностью отличаются галечниковые и распространенные со стороны нерабочего борта «горелые» породы. Питание подземных вод происходит из реки и ее правобережных притоков, а также за счет выпадающих здесь атмосферных осадков.

Черт. 13. План месторождения каменной соли. Система защиты при реконструкции горного предприятия

1 - существующие дренажные выработки; 2 - русло ручья; 3 - намечаемые дренажные выработки; 4 - противофильтрационная завеса; 5 - опытный карьер; 6 - предельный контур карьера; 7 - горизонтали; 8 - карстовые воронки и озера; 9 - контур соляного тела на отметке - 30 м; 10 - то же, на отметке - 50 м; 11 - предусматриваемые водопонизительные скважины; 12 - существующие водоотливные шахты; 13 - девствующие шахты; 14 - насосные станции

Месторождение разрабатывается около 40 лет. Подвигание фронта работ параллельно-западное. В связи с необходимостью увеличения производительности разреза до 10 млн. т в год проектируется его реконструкция. При этом предусматривается увеличение скорости подвигания фронта работ до 50 - 75 м в год за счет внедрения нового вскрышного и добычного оборудования, и закладка выработанного пространства.

Защита карьера находится в примитивном состоянии - имеют место фильтрация через откосы и оползневые явления.

Для обеспечения эффективной работы нового оборудования необходимого существу, заново организовать систему защиты разреза и создать благоприятные условия для эксплуатации карьера. В связи с этим предусматриваем (черт. 14):

для защиты карьера от затопления - прокладку вдоль восточного нерабочего борта разреза обводного тоннеля для отвода реки;

для защиты нерабочих бортов разреза от подземных вод и предотвращения развития оползней - сооружение двух штолен в северном и южном концах нерабочих бортов и в примыкающих к ним участках восточного борта; из штолен задаются восстающие (наклонные) скважины, а с поверхности бурятся сквозные фильтры; вода из штольни сбрасывается в зумпф; кроме того, на участке центральной части нерабочего (восточного) борта разреза, в районе распространения «горелых пород» - водопонизительные скважины, оборудуемые погружными насосами со сбросом откачиваемой воды по специальному трубопроводу в реку;

для защиты рабочего борта карьера от поверхностных вод и селевых потоков - устройство нагорной канавы и селеловушки; для перехвата подрусловых потоков - дренажные траншеи.

Черт. 14. Общий план системы защиты угольного разреза

1 - дренажные штольни; 2 - вентиляционные шурфы; 3 - вентиляционные скважины; 4 - перекачная насосная станция; 5 - угольный разрез; 6 - селеловушки; 7 - водопонизительные скважины; 8 - водосбросной трубопровод; 9 - сквозные фильтры; 10 - нагорная канава; 11 - плотины селехранилищ; 12 - дренажные траншеи; 13 - нижняя граница «горелых пород»

Согласно принятой системе разработки карьера выработанное пространство, прилегающее к нерабочему борту разреза, заполняется внутренними отвалами.

Для отвода поверхностных вод с внутренних отвалов предусматриваем планировку и укатку поверхности отвалов. Для дренажа воды, проникающей в отвалы, в их основании предусматриваем отсыпку фильтрующего слоя из гравийно-галечникового материала, специальные канавки с дренажными водоотводящими трубами и канавы-коллекторы, отводящие воду в водосборники разреза.

Для удаления воды из понижений в подошве разреза перед фронтом нижнего добычного уступа предусматриваем передвижные (на салазках) насосы, перекачивающие воду к водосборникам. Число насосов в карьере определяется протяженностью фронта добычных работ (не менее двух-трех агрегатов).

Черт. 15. Схематический план железорудного месторождения

1 - контур железистых кварцитов; 2 - контур кварцитного карьера первой очереди; 3 - последующее развитие карьера; 4 - нагорная канава; 5 - плотина; 6 - накопитель

Кроме того, предусматриваем возможность применения горизонтальных самоизливающихся скважин и дренажных пригрузок при обнаружении фильтрации через откосы.

2.12. В условиях месторождений полезных ископаемых, прикрытых значительными толщами малоустойчивых водоносных пород, повышаются требования по защите выработок от подземных вод.

Общей задачей защиты карьера в таких условиях является создание в нем водного режима, позволяющего с минимальными затратами добиться обеспечения устойчивости бортов карьера и благоприятного для применения наиболее эффективных методов разработки, горного оборудования и транспортных средств. К системе защиты предъявляются следующие требования:

открытая фильтрация подземных вод через откосы постоянных бортов карьера в пределах малоустойчивых пород должна быть полностью предотвращена:

фильтрация подземных вод через откосы рабочих бортов должна быть снижена до размеров, не препятствующих эффективному ведению вскрышных и добычных работ;

избыточные напоры в напорных водоносных слоях должны быть своевременно сняты;

в части защиты от поверхностных вод требования те же, что перечислены в п. 2.11, но в малоустойчивых породах возрастает актуальность дождевой сети: более капитальной - на долго существующих (постоянных) бортах карьера, и несколько упрощенной - на рабочих бортах (см. разд. 3).

Весьма существенным являются различия в защитных мероприятиях на разных этапах разработки карьера, характеризующихся различиями в обстановке и методах горных работ.

Пример 7. Месторождение железных руд (черт. 15) расположено в равнинной местности, изрезанной овражно-балочной сетью, отметки поверхности изменяются от нулевой до 70 м.

В северной части месторождения протекает река с меженным расходом 1 м³/с и паводковым - 90 м³/с. Климат - умеренно континентальный; среднегодовая температура воздуха 5,5 °С; среднегодовые осадки - 500 мм.

Полезное ископаемое представлено круто падающими и простирающимися на многие сотни метров в глубину железистыми кварцитами, переслаивающимися со сланцами и песчаниками, и залегающими на головах кварцитов богатыми железными рудами (до 60 м).

Богатые руды, в бóльшей своей части (до 2/3) нескальные, мучнистые, в остальной части скальные трещиноватые, прикрыты толщей до 150 м (в среднем 70 м), сложенной внизу глинами с прослойками песка, песчанистыми глинами, песками, меломергелями, а в самом верху - песками и суглинками.

Нижняя часть покровной толщи (в среднем 60 м), руды и верхняя часть скальных пород (на глубину до 90 м от их кровли) - водоносные.

В покровной толще подземные воды - со свободным зеркалом (безнапорные), в рудно-кристаллической толще, прикрытой глинистыми породами, воды - напорные. Однако глинистые породы, залегающие на кровле руды, имеют разрывы сплошности и воды обеих толщ, связаны между собой и имеют близкие пьезометрические уровни.

В надрудной толще водопроницаемость водоносных пород к низу (до глин, непосредственно залегающих на кровле руды) возрастает, поэтому среднее значение коэффициента фильтрации с возрастанием глубины понижения уровня подземных вод принимается разным: от 12 м/сут - при понижении до 20 м, до 20 м/сут - при понижении более 40 м; в рудно-кристаллической толще среднее значение коэффициента фильтрации 1 м/сут.

Требуется определить рациональный комплекс защитных мероприятий для периода эксплуатации месторождения открытым способом и условия производства вскрышных работ, позволяющие решить защиту вскрывающих выработок в период строительства с минимальными затратами в сроки, необходимые для создания постоянной системы защиты карьера, разработка которого предусматривается длительный период.

При выборе защитных мероприятий и устройств исходим из того, что месторождение будет эксплуатироваться с применением буровзрывных работ (в пределах скальных пород), экскаваторов, автомобильного и железнодорожного транспорта, с внешними отвалами пустых пород.

В подобных случаях со стороны рабочих бортов целесообразно применять внешние защитные устройства, в качестве которых на этом месторождении вполне уместно применение водопонизительных скважин. При этом необходимость во внутрикарьерных защитных устройствах и мероприятиях будет сведена к минимуму и представится возможность организовать эффективную разработку горных пород.

На постоянных бортах целесообразно выполнять внутрикарьерные дренажи, но при этом необходимо решить, нужны ли внешние устройства и со стороны постоянных бортов?

На месторождении в основании 100 - 150-метрового откоса в нескальных породах залегают сравнительно слабые глинистые грунты. Полностью убрать воду с кровли этих пород затруднительно. Однако снижение напора в покрывающих водоносных песках, выполняемое с помощью внешних водопонизительных скважин, будет иметь существенное значение в обеспечении устойчивости откосов постоянных бортов карьера. Учитывая это обстоятельство, в намечаемой системе защиты предусматриваем в качестве условно оптимального решения внешние водопонизительные устройства как со стороны рабочих бортов, так и со стороны постоянных бортов карьера. В проектах вопрос о необходимости внешних защитных от подземных вод устройств, в частности, со стороны постоянных бортов карьера, необходимо рассматривать каждый раз и принимать решение в каждом отдельном случае, учитывая все особенности инженерно-геологических условий постоянных бортов, основываясь на расчетах их устойчивости и технико-экономическом сопоставлении вариантов.

Аналогично, т.е. на основе технико-экономического анализа, должен рассматриваться вопрос о целесообразности применения подземных дренажных выработок. Наряду с тем, что их использование требует значительных капитальных затрат, они весьма эффективны для осушения трещиноватых скальных пород. В сочетании с самоизливающимися или вакуумными скважинами и сквозными фильтрами дренажные выработки могут быть также эффективно применены для водопонижения в покровных нескальных породах, для дренажа тектонических зон и карьерного водоотлива. Применение подземных дренажных выработок в сочетании со сквозными фильтрами и восстающими скважинами зачастую целесообразнее при их технико-экономическом сравнении с долго эксплуатируемыми водопонизительными скважинами, оборудуемыми скважинными насосами. Принимаемая для периода эксплуатации система защиты представится в следующем виде:

внешние устройства и мероприятия по регулированию поверхностного стока на территории, прилегающей к карьеру: перенос реки к северу от месторождения с устройством защитной дамбы вдоль ее нового русла, нагорные канавы и отвод паводковых вод оврагов путем перегораживания их плотинами с устройством перекачных насосных станций;

внешние защитные устройства от подземных вод, в качестве которых принимаем кольцевую систему из подземных дренажных выработок в сочетании со сквозными фильтрами и восстающими скважинами с центральными подземными насосными станциями;

внутрикарьерные защитные устройства, в составе которых необходимо предусмотреть: внутрикарьерные дренажи, дренажные пригрузки откосов, дождевую сеть, водосборники, скважины для сброса каптируемых в карьере вод в подземные выработки и специальные подземные выработки для приема вод, сбрасываемых из карьера, и для отвода их к центральным подземным насосным станциям.

Необходимое время для сооружения принятой системы, требующей проходки шахтных стволов с применением замораживания грунтов и других сложных горнопроходческих и строительных работ, не менее 4 - 5 лет, т.е. равно продолжительности строительства карьера. В связи с этим существенное значение имеет защита открытых выработок в строительный период. В этот период, когда возникает необходимость быстрого понижения уровня подземных вод на большой площади разрабатываемого карьера, важно решить, в какой мере может быть допущена фильтрация воды через откосы и водоотлив непосредственно из горных выработок. Это следует решать одновременно с решением вопроса о методах разработки вскрывающей выработки.

При экскаваторной разработке открытая фильтрация в забой снижает эффективность работ и должна быть сведена к минимуму.

Надлежащая организация горных работ с устройством передовых траншей, выполняющих роль горизонтальных дрен, позволит несколько повысить размеры допускаемой фильтрации подземных вод в карьер и при экскаваторной разработке.

Более широкие возможности для применения водоотлива из основных открытых горных выработок (что позволяет получить весьма экономичное решение по их защите) создаются при разработке водоносных пород методами гидромеханизации, эффективность которой при фильтрации подземных вод в выработку не только не снижается, но даже возрастает. В этом случае требования к допускаемой фильтрации определяются исключительно соображениями, касающимися общей устойчивости бортов карьера.

Черт. 16. Технологическая схема разработки карьера в период строительства

1 - суглинки; 2 - мел; 3 - пески; 4 - глина; 5 - богатые руды; 6 - кварциты; 7 - гидромонитор; 8 - землесосная станция; 9 - буровой станок; 10 - экскаватор гусеничный «прямая лопата»; 11 - экскаватор шагающий «Драглайн»; 12 - земснаряд при разработке I подводного уступа; 13 - земснаряд при разработке II подводного уступа

Наиболее благоприятные условия для применения водоотлива из открытых выработок создаются при подводной разработке пород с помощью плавучих земснарядов, которая вполне возможна при вскрытии месторождений типа рассматриваемого в этом примере. Когда глубина открытой выработки превосходит возможности черпания земснаряда, разработка ведется с постепенным понижением зеркала воды в карьере (черт. 16). Если при этом скорости понижения зеркала воды в котловане не превосходят допускаемых в табл. 1 СНиП 2.06.14-85 (п. 3.14), то внешние водопонизительные устройства для защиты выработки в период ее подводной разработки могут и не потребоваться. Однако из-за возможных отклонений при производстве работ и учитывая значительную глубину требуемого понижения уровня воды в открытой выработке (в среднем 60 м), следует при проектировании подводной разработки предусмотреть резервную внешнюю систему из водопонизительных скважин, оборудованных глубинными насосами, которые можно будет включать в работу по мере необходимости.

Черт. 17. Система защиты карьера от подземных вод

1 - железорудные кварциты; 2 - сланцы филитоподобные; 3 - песчаники кварцитовые; 4 - контур распространения богатых железных руд; 5 - контур первоочередной выработки, вскрывающей руду земснарядом; 6 - контур кварцитного карьера I очереди; 7 - контур карьера последующего развития; 8 - прибортовой дренаж; 9 - ствол дренажной шахты; 10 - дренажные выработки I очереди; 11 - дренажная система последующего развития; 12 - водопонизительные скважины; 13 - резервные водопонизительные скважины при работе земснаряда; 14 - водопонизительные скважины, переоборудуемые в сквозные фильтры; 15 - сквозные фильтры; 16 - сбросные скважины; 17 - вентиляционные скважины

В дальнейшем водопонизительные скважины могут быть переоборудованы в сквозные фильтры.

Принимая вышеуказанные решения по защите карьера для периодов эксплуатации и строительства с учетом применения при разработке вскрывающей выработки плавучего земснаряда, определим в соответствии с п. 1.14 СНиП 2.06.14-85 порядок сооружения и ввода устройств системы защиты (черт. 17, 18):

до начала строительства карьера должны быть введены в действие все запроектированные внешние устройства по регулированию поверхностного стока;

до начала подводной разработки вскрывающей выработки должны быть подготовлены и оборудованы погружными насосами резервные водопонизительные скважины по контуру вскрывающей выработки, размеры которой определяются в горной части проекта рудника; эти резервные водопонизительные скважины используются при появлении признаков оползневых явлений, угрожающих устойчивости постоянных бортов карьера или рабочих бортов в размерах, препятствующих нормальному ведению горных работ;

к моменту окончания подводной разработки - ввод в действие контурной системы водопонизительных скважин, которые по мере готовности подземных выработок переустраиваются в сквозные фильтры с одновременным вводом дополнительных восстающих скважин;

к моменту сдачи карьера в эксплуатацию - готовность внутрикарьерной дождевой сети и дренажей на постоянных бортах карьера, дренажных пригрузок на рабочих бортах карьера;

к моменту достижения проектной производительности карьера - готовность подземной дренажной системы и всего комплекса защитных сооружений, устройств и мероприятий согласно проекту.

Кроме соблюдения указанной очередности ввода в действие устройств системы защиты, целесообразно, в соответствии с п. 1.6 СНиП 2.06.14-85 применять еще большее поэтапное деление. Так, из водопонизительных скважин первой очереди следует вначале ввести в действие не более половины их расчетного числа с тем, чтобы по данным наблюдений за их работой уточнить общее требуемое их число и не производить лишних затрат.

Черт. 18. Система осушения карьера. Разрез 1-1

1 - суглинки; 2 - мел; 3 - пески; 4 - глины песчаные; 5 - песчаники; 6 - глины с брекчией; 7 - сланцы; 8 - богатые железные руды; 9 - железистые кварциты; 10 - уровень подземных вод в надрудной толще; 11 - уровень подземных вод в рудно-кристаллической толще; 12 - контур карьера выработки, вскрывающей руду земснарядом; 13 - контур карьера последующего развития; 14 - ствол дренажной шахты; 15 - сквозные фильтры последующего развития дренажной системы; 16 - сквозные фильтры первой очереди; 17 - восстающие скважины; 18 - резервные водопонизительные скважины при работе земснаряда; 19 - сбросные скважины; 20 - дренажные выработки

Пример 8. Месторождение железной руды, прикрытой значительной толщей малоустойчивых пород, осваивается с помощью экскаваторов и автотранспорта (применение гидромеханизации исключено из-за дефицита электроэнергии при недостаточной изученности гидрогеологических условий).

Район месторождения представляет собой слабо всхолмленную равнину с отметками поверхности 170 - 180 м с общим уклоном к реке, протекающей в широтном направлении в 8 км южнее месторождения, где отметки снижаются до 120 - 127 м у уреза реки. Климат - резко континентальный; среднегодовая температура воздуха 2 °С с амплитудой колебания до 90°; среднегодовые осадки - 250 мм.

Скальная железная руда приурочена к комплексу круто падающих пластов горных пород (черт. 19). В лежачем боку мощных рудных тел, простирающихся на большую глубину, измеряемую сотнями метров, преобладают диориты, а в висячем боку - известняки и порфириты. В верхней своей части скальные породы подверглись эрозии, в результате которой образовалась кора выветривания, представленная глинистой и дресвяно-щебенистой породами; над рудой (более крепкой скальной породой, чем окружающие) кора выветривания, как правило, отсутствует, и рудная зона к тому же возвышается над окружающим рельефом скальных пород.

Черт. 19. Система осушения карьера. Разрез 2-1 (см. черт. 20)

1 - суглинки; 2 - глины песчанистые; 3 - глины сланцеватые; 4 - глины опоковые; 5 - песчаники; 6 - пески; 7 - оолитовые руды; 8 - глины лигнитовые; 9 - глины коры выветривания; 10 - туфы и лавобрекчии базальтовых порфиритов; 11 - туфобрекчии андезитовых порфиритов; 12 - туффиты; 13 - известняки; 14 - роговики; 15 - диориты и диорит-порфириты; 16 - рудная залежь; 17 - зоны тектонических нарушения; 18 - дренажный штрек со сквозными фильтрами; 19 - водопонизительные скважины II очереди; 20 - опытные скважины; 21 - водопонизительные скважины I очереди; 22 - подуступ с дренажной пригрузкой откоса и канавкой на рабочем борту (выполняется при необходимости); 23 - дренажная пригрузка на постоянном борту; 24 - уровень подземных вод в верхних песках; 25 - непониженный уровень подземных вод в надрудных песках и руде; 26 - пониженный уровень подземных вод; 27 - контур карьера на конец отработки

Рудоносный комплекс покрыт толщей (в среднем 110 - 120 м) нескальных пород, представленных внизу глинами бокситовыми и лигнитовыми, выше - 40 - 60-метровый слой песков с выраженным двухметровым прослойком глинистых оолитовых руд. Над песками залегают последовательно снизу вверх песчаники, опоки и опоковидные глины, сланцеватые глины, пески, глины с тонкими прослойками песков и в самом верху - лёссовидные суглинки.

Уровень подземных вод отмечен не глубоко от поверхности земля.

Специальные изыскания по требуемому дополнительному изучению гидрогеологических условий месторождения вызвали бы значительные затраты, связанные с бурением глубоких скважин, производством глубоких опытных водопонижений и других сложных работ для получения необходимых характеристик, с выяснением значимости всех водоносных и водоупорных слоев и прослойков, их гидрогеологических параметров и других данных, позволяющих выбрать обоснованные решения защиты горных выработок.

В таких случаях целесообразно проведение опытно-производственных работ (см. п. 1.31 и 2.4).

Принимая решения о проведении опытно-производственных работ наметим предварительное решение по защите горных выработок, выделим в нем первоочередную часть, которая и будет опытной, но в то же время позволит развернуть строительство и выявит необходимые данные для уточнения предварительного решения и составления окончательного проекта.

При этом исходим из того, что целесообразно начать разработку с возвышающейся части рудных тел, примыкающей к их лежачему боку, что позволит ограничиться минимальными объемами первоначальной вскрыши и сразу в какой-то части образовать постоянный борт карьера;

первоначальное кольцо водопонизительных скважин должно быть по возможности минимальных размеров, чтобы достичь быстрого эффекта понижения уровня подземных вод вскрывающей выработки;

следует проверить необходимость водопонизительных скважин для защиты от фильтрации подземных вод через откосы постоянного борта после его образования и устройства на нем внутрикарьерных дренажей; а также необходимость систематических дополнительных мероприятий (дренажных пригрузок, канавок применения иглофильтровых установок и др.) над прослойком оолитовых руд в толще песков и целесообразность из-за этого ведения горных пород с подуступом на рабочем борту.

Предварительно принимаем (черт. 19, 20):

первоочередное кольцо водопонизительных скважин по контуру вскрывающей выработки и конечное кольцо водопонизительных скважин по контуру карьера на конец отработки; по первоочередному кольцу водопонизительных скважин подземных выработок в предварительном решении не предусматриваем, так как его восточная ветвь (со стороны постоянного борта) может быть отключена, если защита постоянного борта от подземных вод с помощью внутрикарьерных дренажей окажется достаточной, а западная ветвь вскоре будет сработана при подвигании рабочего борта. Поэтому водопонизительные скважины по первоочередному кольцу должны быть оборудованы погружными насосами;

подземные дренажные выработки - только по конечному контуру карьера со стороны висячего бока рудных тел (западная ветвь внешнего дренажа), имея в виду, что водопонизительными скважинами вдоль нее будут служить сквозные фильтры и восстающие самоизливающиеся скважины.

Кроме того, должны быть предусмотрены специальные подземные выработки для приема воды от карьерных дренажей, зумпфов и других устройств.

Ввиду большого расстояния между восточной ветвью первоочередного кольца и конечным контуром внешней дренажной системы следует предусмотреть дополнительно промежуточную ветвь водопонизительных скважин, оборудованных погружными насосами, главным образом из-за необходимости длительного срока подготовки системы по конечному контуру и достижения с ее помощью необходимого понижения уровня подземных вод в пределах карьера.

Черт. 20. Система осушения карьера. План (к примеру 8)

1 - туффиты; 2 - известняки; 3 - туфы и лавобрекчии базальтовых порфиритов; 4 - туфобрекчии андезитовых порфиритов; 5 - андезитовые порфирит; 6 - диориты и диорит-порфириты; 7 - скарны; 8 - роговики; 9 - рудные залежи; 10 - зоны тектонических нарушений; 11 - водопонизительные скважины I очереди; 12 - опытные скважины; 13 - водопонизительные скважины II очереди; 14 - водопонизительные скважины II очереди, переоборудуемые в сквозные фильтры; 15 - дренажный штрек со сквозными фильтрами; 16 - шахтный ствол; 17 - наблюдательные скважины в скальных породах; 18 - наблюдательные скважины в песках

Предполагается, что осушение надрудных песков не вызовет особых осложнений из-за взаимосвязи их с рудоносной толщей в местах разрывов в глинистых породах, подстилающих пески, а также из-за понижения почвы песков в сторону к периферии, где намечаются водопонизительные скважины. В проекте опытно-производственного водопонижения необходимо указать, что в процессе разработки может выявиться целесообразность устройства подуступа над прослойком оолитовых руд, как показано на черт. 19. Начать разработку допускается без подуступа.

В состав опытно-производственных работ следует включить изучение состояния закарстованности известняков и влияние откачки из карстов на развитие депрессии в рудоносной и надрудных толщах. При этом исходим из того, что участки, где наблюдаются понижения кровли скальных известняков, отвечают наиболее слабым (неустойчивым к размыву и выветриванию) их разновидностям, и на этих участках можно ожидать развития карста и в глубине массива. На четырех таких участках располагаем глубокие опытные скважины и намечаем откачки из них.

Общее число водопонизительных скважин по контуру первоочередного кольца должно быть определено по имеющимся данным и с учетом аналогов из условия понижения уровня подземных вод, позволяющего вскрыть руду и даже начать ее разработку. Однако устройство и ввод в действие водопонизительных скважин должны быть постепенными, причем первоначально должно быть выполнено не более половины расчетного числа первоочередных скважин.

Для наблюдений при опытно-производственном водопонижении намечаем 16 первоочередных наблюдательных скважин: 11 - в надрудных песках и 5 - в рудоносной зоне. Их располагаем по лучам в направлениях: на юг (к реке) и на запад: по три - в надрудных песках - на контуре, в 200 и 600 м от контура, по две - в рудоносной толще - на контуре и в 600 м от контура; на север и на восток: по две - в надрудных песках - на контуре и в 600 м от контура; в пределах карьера по одной - в рудоносной зоне и в надрудных песках.

В задачи опытно-производственных работ должно входить, кроме проверки и изучения всех вышеуказанных вопросов, определение гидрогеологических и инженерно-геологических характеристик горных пород. Поэтому в проекте необходимо предусмотреть также отбор образцов горных пород, лабораторные исследования и достаточно широкий комплекс наблюдений (см. разд. 5).

2.13. При мульдообразном строении месторождения целесообразно применять водопонизительные системы из скважин, расположенных в понижениях водоносных пластов. При этом экономично решается задача полного осушения карьера (разреза).

Пример 9. Буроугольное месторождение, приуроченное к синклинальной складке, предусмотрено осваивать открытым способом. Верхний угольный пласт, который предполагается разрабатывать, образует мульду, заполненную песчаниками, протяженностью около 2 км, шириной 800 м и общей толщиной (песчаников и угольного пласта) в вершине складки 85 м. Эта толща подстилается переслаивающимися трещиноватыми аргиллитами, песчаниками и тонкими слоями углей, а вверху прикрыта глинистыми породами.

Все трещиноватые породы - водоносные, но повсеместно развитый чехол покровных глинистых пород ограничивает питание подземных вод атмосферными осадками.

Требуется наметить систему защиты разреза.

В этих условиях, естественно, необходимо использовать благоприятные условия залегания горных пород, позволяющие организовать отбор подземных вод с самых низких отметок разрабатываемой толщи, т.е. расположить водозаборные устройства по оси синклинали. В качестве водозаборных устройств могут быть использованы водопонизительные скважины, оборудованные насосами, или подземные дренажные выработки. Последние, требующие значительных капитальных затрат, могут оказаться целесообразнее при длительном сроке службы, необходимости организовать карьерный водоотлив при больших притоках поверхностных вод, при разработке части месторождения подземным способом и наличии шахтных стволов и подземных насосных станций.

Учитывая сравнительно небольшие размеры разреза и ограниченное питание подземных вод, когда в основном предстоит осушение статических запасов воды в горных породах, принимаем систему защиты разреза из линейного ряда водопонизительных скважин, оборудованных насосами (черт. 21).

Черт. 21. Схема осушения буроугольного месторождения

1 - глинистые породы; 2 - песчаники; 3 - уголь; 4 - аргиллиты; 5 - контуры карьера; 6 - водопонизительные скважины; 7 - контур пласта угля; 8 - непониженный уровень подземных вод; 9 - сниженный уровень подземных вод

2.14. При расположении месторождений вблизи поверхностных водных объектов (или под ними), кроме опасности непосредственного затопления выработок поверхностными водами, возможны также значительные притоки подземных вод и осложнения при их откачке.

В таких условиях от правильной оценки природных факторов и предвидения возможных осложнений практически зависит успех освоения месторождения и безопасность ведения горных работ.

Пример 10. Требуется определить систему защиты карьера по разработке полиметаллических руд в условиях примера 1.

Выполнение намеченных в нем изысканий и дополнительная обработка материалов ранее произведенных геологоразведочных работ с использованием данных одиночных откачек сопоставлением их с данными кустовых откачек позволили установить следующие средние значения коэффициентов фильтрации k пород по участкам (черт. 22).

Породы между двумя основными тектоническими зонами (в среднем на всю глубину до 400 м):

со стороны висячего бока рудоносной зоны - = 0,4 м/сут;

со стороны лежачего бока рудоносной зоны - = 0,8 м/сут;

в зоне интенсивного рассланцевания пород - = 0,29 м/сут.

Породы основных тектонических зон (в разломах и зонах дробления) до глубины:

70 м - 30    м/сут

140 « - 12      «

220  « - 5       «

400  « - 0,5    «

На глубине 400 м может быть принят относительный водоупор.

Наибольшая водообильность пород в верхней части объясняется большей подверженностью этой зоны выветриванию, особенно в русловой части месторождения.

Скальные осадочные породы за пределами месторождения и окружающей его водообильной зоны (см. черт. 3) слабо водопроницаемы:

юго-западнее месторождения развиты в основном сланцевидные породы с коэффициентом фильтрации 0,1 м/сут;

толща карбонатно-глинистых и песчано-глинистых осадочных пород, залегающих с юга, юго-востока и северо-востока месторождения, имеет коэффициент фильтрации порядка 0,5 м/сут.

Открытые работы предусматривается вести до глубины 400 м, ниже предполагается вести разработку подземным способом.

Для защиты карьера первостепенное значение приобретает организация поверхностного стока и в первую очередь отвод или оттеснение реки от территории разработок. Река, протекающая по территории месторождения, примерно в 30 км от него впадает в другую большую реку, поэтому можно рассматривать перехват речного стока выше месторождения и переброс его по системе каналов и с использованием местной гидрографической сети в отдаленное от месторождения русло. Такое решение потребовало бы весьма значительных капитальных затрат - реальнее оттеснение реки с помощью ограждающей дамбы и устройство с береговой стороны соответствующих нагорных канав.

Исходя из вышеуказанного решения по организации поверхностного стока, рассмотрим целесообразные решения по защите карьера от подземных вод.

В этой связи необходимо учитывать, что рудоносная толща окружена, в общем, слабопроницаемыми породами, создающими естественную преграду для потока подземных вод. Следовательно, подземные воды могут проникать в горные выработки в основном по зонам тектонического дробления горных пород и по тектоническим разломам, особенно при их раскольматации. При таких обстоятельствах необходимо максимально снизить градиент напора фильтрационного потока и свести до минимума интенсивность откачки подземных вод для того, чтобы максимально снизить опасность раскольматации трещин и пор горных пород в зонах, где они представлены раздробленными разновидностями. Этому будет способствовать оттеснение реки. Разведанные зоны повышенной проницаемости горных пород целесообразно перекрыть противофильтрационными завесами. К таким зонам относятся тектонические разломы, направленные с северо-запада на юго-восток, и восточная зона дробления горных пород.

Черт. 22. Система защиты карьера

1 - зона рассланцевания; 2 - зона дробления; 3 - зона разлома; 4 - рудные тела; 5 - контур заболоченности; 6 - засыпка понижений рельефа; 7 - противофильтрационная завеса I очереди (выполняется с поверхности до отм. -220,0 м); 8 - конечный контур карьера; 9 - контур карьера I очереди; 10 - контур дна карьера I очереди на отм. -115,0 м; 11 - дренажные выработки на горизонтах -125,0, -260,0, -390,0 м; 12 - самоизливающиеся скважины; 13 - шахтные стволы; 14 - противофильтрационная завеса II очереди (выполняется с отметок -115,0 до -335,0 м при установлении необходимости в ней в процессе разработки карьера I очереди); 15 - осушительные (дренажные) канавы; 16 - нагорная канава

Противофильтрационные завесы должны быть выполнены на глубину не менее 220 м. На большей глубине, как это следует из вышеприведенных данных, фильтрационные свойства пород в этих зонах примерно такие же, как и других пород, окружающих рудную зону.

Борта карьера сложены в основном скальными устойчивыми породами, поэтому может быть допущена открытая фильтрация через них в карьер. Однако организация водоотлива непосредственно из карьера при значительном притоке подземных вод (даже при наличии противофильтрационных завес будет сложной. Поэтому целесообразно предусмотреть подземные выработки для приема карьерных вод и подземные насосные станции для их откачки. Подземные выработки будут в известной мере, служить и в качестве дренажных, и приток воды непосредственно в карьер уменьшится.

Разработка карьера с водоотливом в скальной толще приведет к осушению и покровных отложений. Не исключено, что в начале работ окажется целесообразным применить систему водопонизительных скважин для понижения уровня подземных вод в пределах покровной толщи.

Система защиты карьера представится в следующем виде (см. черт. 22):

река оттесняется дамбой с отметкой верха примерно 12 м; между карьером и дамбой предусматриваем две завесы, перекрывающие фильтрационный поток со стороны реки по зонам повышенной проницаемости; завесы предусматриваем глубиной 220 м, ниже которой коэффициент фильтрации горных пород в среднем равен 0,5 м/сут; положение дамбы и этих двух завес следует проектировать на основе фильтрационных расчетов (технико-экономического сопоставления вариантов).

Намечаем вести разработку таким образом, чтобы северо-западный борт карьера частично совпадал с его конечным положением, и предусматриваем резервную завесу, выполняемую у этого борта на глубине 100 - 125 м; в случае выявления значительной фильтрации по тектоническим разломам в обход основной завесы (см. черт. 28); в проекте следует предусмотреть также соответствующие средства для тампонажа горных пород в случае выявления необходимости в этом на других участках;

воду, поступающую в карьер, предусматриваем сбрасывать в подземные выработки с отводом по ним воды к водосборникам соответствующих подземных насосных станций;

подземные горные выработки предусматриваем не менее чем на двух горизонтах - примерно через 120 - 200 м по глубине. Эти выработки, предназначенные в основном для приема воды из карьера, будут также служить и дренажом. Для этого из выработок при подходе к тектоническим зонам, не доходя до них на расстояние, определяемое по данным опережающего бурения, следует проходить рассечки, параллельные разломам, из которых забуривать самоизливающиеся скважины в тектонические зоны. Снижение напоров подземных вод с помощью этих скважин облегчит проходку подземных выработок. Однако должна быть предусмотрена возможность проходки подземных выработок через тектонические зоны с применением цементации или замораживания горных пород;

для проходки подземных выработок намечаем два шахтных ствола, которые можно расположить с разных сторон карьера, чтобы проходить выработки из каждого ствола навстречу один к другому, ускоряя этим создание системы; выработки должны пересекать тектонические зоны по возможности под прямым углом, и их расположение должно обеспечивать удобства сброса в них карьерных вод;

в зависимости от сроков создания подземной дренажной системы и начала разработки карьера должно быть принято решение о необходимости (или отсутствии необходимости) системы водопонизительных скважин для осушения покровных отложений.

В подобных условиях очень важно при проектировании определить рациональный порядок работ по освоению месторождения. В данном случае необходимо, чтобы дамба, противофильтрационные завесы и подземная дренажная система были сооружены до начала разработки карьера.

При рассмотрении каких-либо других вариантов следует выполнить тщательный анализ всех промежуточных ситуаций для устранения излишних непроизводительных затрат и аварийной обстановки на месторождении.

2.15. Специфические осложнения для защиты горных выработок возникают в условиях вечной мерзлоты, засоленности и газоносности подземных вод.

В таких условиях все основные технологические решения по устройству системы защиты должны быть проработаны и определены в основном проекте, иначе не может быть доказана реальность и эффективность проектируемых защитных устройств и мероприятий.

Пример 11. Месторождение минерального сырья расположено в зоне распространения вечномерзлых пород. Для района характерен слегка расчлененный равнинный рельеф, гидрографическая сеть развита слабо.

Климат района резко континентальный с продолжительной суровой зимой и коротким жарким летом. Среднегодовая температура - 73 °С.

Вечномерзлые породы развиты на всей площади. Нулевая изотерма располагается на глубине порядка 700 м. Наибольшая глубина сезонного протаивания приходится на август и составляет 2 - 3 м в целом по району и 6 - 8 м по бортам открытых горных выработок.

Толща вечномерзлых вмещающих пород сложена (сверху вниз) мергелями с прослоями глинистых доломитов, доломитами и глинистыми известняками (107 - 146 м), а ниже сильно трещиноватыми алевролитистыми мергелями, известковистыми алевролитами и глинистыми доломитами с трещинами, загипсованными на 15 - 20 % (133 - 172 м).

Ниже залегает слой относительно водоупорных глинисто-карбонатных пород (17 м), прикрывающих водоносные известняки и доломиты, переслаивающиеся (книзу чаще) с линзами и слоями (не имеющими сплошного развития) водоупорных гипсоангидритовых пород.

Черт. 23. Геологический разрез по месторождению

1 - мергель; 2 - известняк; 3 - доломит; 4 - алевролит; 5 - ангидрит; 6 - долерит; 7 - полезное ископаемое; 8 - глинистость; 9 - известковистостъ; 10 - гипсованность; 11 - битуминозность; 12 - водопонизительные скважины; 13 - непониженный уровень подземных вод; 14 - пониженный уровень подземных вод; 15 - промежуточный контур карьера; 16