Материал: Hydrogeodynamics101

2. Дренаж как метод борьбы с фильтрационными деформациями откосов

Дренаж скважинами является действенным средством устране­ния или ограничения фильтрационных деформаций пород (см. раз­дел 8.1.3). Посредством дренажа уменьшаются расходы, напоры и градиенты потока вблизи откоса, а иногда высачивание воды на откос вообще может быть устранено.

Для рабочего борта карьера (где работают экскаваторы) наибо­лее характерным требованием к дренажу является ограничение де­формаций оплывания некоторыми пределами, допустимыми по при­нятой схеме Горных работ [9 ]. В этом случае, зная допустимую длину языка оплывания 1_опл, можно, согласно скважанному в разделе 8.1.3, определить предельно допустимый расход высачивания на единицу длины откоса <f. Проводя далее расчет контурной установки скважин (см. рис. 8.7,6 или в), так же как и в разделе 8.2.1, можно найти требуемое расстояние между скважинами, при котором удельные расходы высачивания не превосходят <f.

Возьмем для примера случай дренажного ряда, расположенного между рекой и карьером (см. рис. 8.7,в). Заменяя ряд скважин услов­ной дренажной траншеей с уровнем воды в ней Н_с (см. раздел 3.4) и удельным расходом д_с=QJО, запишем балансовое соотношение Qj = д_с + д₂ в виде

где —удельный расход потока со стороны реки;

д₂ — удельный приток в карьер;

/j и 1₂ — расстояния от ряда скважин соответственно до реки и

карьера;

Н_п — напор на контуре реки (напор на контуре карьера

н_к-0).

Добавляя сюда полученное ранее выражение для Нф (3.62) и полагая q₂ = <f (д°— удельный расход, отвечающий предельно допу­стимой длине языка оплывания), получаем уравнение для определе­ния требуемого расстояния между скважинами:

1. , Л _ h h

2. n^axd_c TH/_q⁰-L (8.8)

где L — расстояние от карьера до реки.

Полученную формулу можно использовать и при иной конфигу­рации потока — после построения лент тока и приведения их.к плоским (см. раздел 8.3.3).

В общем случае расчет контурных систем скважин проводят чаще просто подбором на модели. Для определения оптимальной расстановки скважин в пределах дренажного контура, окружающего совершенный котлован, моделирование рекомендуется выполнять в следующем порядке:

[Т] строится сетка движения для области между контуром скважин и карьером; выделенные ленты тока приводятся к плоским (см. раздел 8.3.3);

[~2~| исходя из допустимых с точки зрения фильтрационных деформаций притоков к борту определяется допустимый напор на линии ряда скважин для всех выделенных лент (по формулам Для плоского одномерного потока);

|~3~| каждый из выделенных участков контура моделируется

шинои с переменным сопротивлением R_k , на вершину которого по-

i

дается потенциал, отвечающий уровням на скважинах участка. Ве­личину R_k изменяют до тех пор, пока потенциалы на шинах не будут

соответствовать подсчитанным значениям; ориентировочная макси-

ро-

мальная величина Rl — — удельное сопротивление бумаги; В-

— длина участка контура; O_i — ориентировочное максимальное рас­стояние между скважинами участка);

дя из полученных значений сопротивлений R_k :

i

#1 -н₂

где .//j и Н₂ — напор на границах участка;

ССф — масштаб сопротивлений;

расстояния между скважинами О- определяются из выра­

жения для R_k:

(8.9)

непосредственно вытекающего из формулы (3.62) и общего опреде­ления фильтрационного сопротивления (3.54).

Особые сложности возникают в связи с необходимостью смены граничных условий на водопонижающих контурах в зависимости от понижения уровней. Условия II рода (расход (Q_c - const) задаются на участках контура до тех пор, пока выполняется неравенство (см. формулу (3.62))

с

Ф 2ЛТ Jld„' (g ю)

Как только неравенство (8.10) перестает выполняться, скважи­ны переводят на режим работы с постоянным уровнем.

Своеобразные условия дренажа возникают на тех участках фильтрующих откосов, где падение слоев направлено в сторону мас­сива (рис. 8.8). В этом случае появляется возможность полного уст­ранения высачивания на откосе при работе дренажных скважин. В частности, пользуясь методом фильтрационных сопротивлений, не­трудно показать, что для случая Н_с^ж 0 такая возможность реализу­ется при выполнении требования:

'к (8.11)

гж^аХаШ.^&‘~Кн:

с

где i - sin <2, О — расстояние между скважинами; остальные обо­значения см. на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Схема фильтрации к карьеру в условиях наклонного зале­гания водоносного пласта

Отсюда следует, что требуемое число скважин в данном случае примерно обратно пропорционально углу падения слоев .

ЗАДАНИЕ. Выведите формулу (8.11) самостоятельно, восполь­зовавшись методом эквивалентных фильтрационных сопротивле­ний.

8.2.3. Водопонижение при проходке шахтного ствола

Для предотвращения прорыва воды в ствол, вскрывающий на­порный водоносный горизонт, обычно проводят предварительное во­допонижение круговой системой скважин, оборудованных погруж­ными насосами. В таком случае заданными являются расходы сква­жин, отвечающие номинальной производительности насоса (т.е. на скважинах задано граничное условие II рода), а также требуемое по условиям предотвращения прорыва понижение напора на оси ствола S_Q. Используя формулу Тейса (см. раздел 4.1) и принцип сложения течений (см. раздел 3.3), получаем:

^г0

/ о \

„ *

4 at

⁵о(0 ¹ 4 Ж Т ^Ei

(8.12)

где г₀ — радиус круговой установки скважин; п — число скважин.

По формуле (8.12) нетрудно подобрать требуемый водоотлив и число скважин— в зависимости от заданного времени водопониже- ния t. Необходимо только помнить, что выведенная формула спра-

ведлива лишь до тех пор, пока обеспечивается принятый расчетный приток к скважинам, т.е. пока уровень воды в них не упадет до отметки нижнего водоупора. Следовательно, расчет по формуле (8.12) должен сопровождаться дополнительной оценкой понижений в самих скважинах SJS_r < S ):

Ос

⁵с(0 _4лт

(8.13)

. \

пр'

/

предельное понижение уровня в скважине (отвечающее отметке водоупора);

г_с — радиус скважины;

Г{ — расстояние от выбранной расчетной скважины до скважи­ны с номером U

Бели, начиная с некоторого времени t_np, оценка по формуле (8.13) дает S_c(t) > S^, то при t> t_np скважины переходят на режим работы с постоянным уровнем (граничное условие I рода). Такой режим пристволового водопонижения, ориентированного на предот­вращение прерыва через вскрываемый стволом водоупор, обычно следует считать нецелесообразным: он свидетельствует о том, что либо расход насосов, либо число скважин выбраны неудачно.

8.3. Прогноз во^опритоков к открытым горным выработкам

8.3.1. Обцая характеристика прогнозной ситуации

Прогноз водопритоков к открытым выработкам — карьерам, траншеям, котлованам — имеет целью оценку условий их проходки (в частности, оценку влияния подземных вод на устойчивость филь­трующих откосов — см. раздел 8.1), определение необходимости и целесообразных объемов дренажных работ (см. раздел 8.2), а также обоснование мероприятий по охране подземных вод района от исто­щения и загрязнения (см. раздел 8.4).

Вскрытие карьерами или траншеями водоносных горизонтов со­провождается, как правило, существенными нарушениями естест­венного гидродинамического режима вследствие изменений условий разгрузки подземных вод. В то же время усиленное дренирование водоносных горизонтов горными выработками приводит к интенси­фикации их связи со смежными горизонтами, поверхностными водо­емами и водотоками, т.е. к изменению условий питания подземных вод. К тому же при строительстве и эксплуатации крупных карьеров нередко создаются разнообразные гидротехнические сооружения (водохранилища, каналы, а также пщроотвалы, хвостохранилища и

* Раздел написан при участии Ю.А.Норватова.

^Snp ~

V

\

n—1

+2 л,

i — 1

^ri

. *

4 at

. *

4 at

/ J

где

другие бассейны промышленных стоков), которые могут являться источниками дополнительного питания. Все это обычно приводит к резким нарушениям гидродинамического режима, к развитию неста­ционарных процессов фильтрации на площадях, измеряемых подчас сотнями, а то и тысячами квадратных километров. Характерно, что из-за больших (сотни метров) понижений напоров на контурах карь­еров часто отмечается интенсивное истощение водоносных структур — постепенное сокращение их обводненной мощности или (при на­клонном водоупоре) площади. Это обычно делает фильтрационный процесс сильно нелинейным (см. раздел 2.3). Поэтому при прогнозе водопритоков к открытым горным выработкам должны быть тща­тельно учтены не только природные, но и технологические факторы, в частности:

|Т) изменения условий питания и разгрузки водоносных гори­зонтов, связанные с проходкой горных и дренажных выработок и созданием сопутствующих гидротехнических сооружений;

[~2~| технология ведения горных и гидротехнических работ, в том числе порядок вскрытия водоносных горизонтов, изменение по­ложения контура горных работ в плане, режим строительства и экс­плуатации гидротехнических сооружений, распространение и ха­рактер техногенных отложений в пределах бассейнов промышлен­ных стоков.

Если основной объем информации о природных факторах, опре­деляющих притоки в горные выработки, может быть получен уже на стадии гидрогеологической разведки, то многие из упомянутых из­менений в условиях питания и разгрузки, обусловленных техноген­ными факторами, оцениваются на этой стадии лишь весьма прибли­женно (на основе аналогии с подобными объектами). Между тем именно этими изменениями определяются граничные условия филь­трации, и поэтому они обязательно должны изучаться дополнитель­но в период проходки открытой горной выработки - путем постановки и интерпретации режимных наблюдений на базе решения обратных задач (см. раздел 7.2) с последующей корректировкой первоначаль­ных прогнозных оценок.

Прогнозируемые величины водопритоков оцениваются с пози­ций их влияния на условия эксплуатации горнотранспортного обору­дования и на устойчивость откосов карьера (см. раздел 8.1). Если водопритоки превышают допустимые значения, то необходимы дре­нажные мероприятия, обеспечивающие проходку и устойчивость бортов горной выработки (см. раздел 8.2).

2. Схематизация условий фильтрации

Прогнозу водопритоков предшествует обоснование исходной расчетной гидродинамической схемы, охарактеризованной количе­ственно фильтрационными параметрами водоносных горизонтов, ус­ловиями на их внешних и внутренних границах, интенсивностью инфильтрационного питания и параметрами перетекания, а также параметрами горных работ. Непосредственный расчет водопритоков к горной выработке производится либо по аналитическим зависимо­стям — для сравнительно простых (типовых) расчетных схем, либо с привлечением математического моделирования — для слож­ных схем. 0 этоц связи полезно указать следующие признаки типо­вых схем, которые и предполагались нами в предшествующих главах при выводе аналитических зависимостей:

|~Г| простейшая конфигурация области фильтрации в плане (как правило, это схемы неограниченного и полуограниченного пла­стов или пласт-полоса между двумя параллельными границами);

2 однородность и изотропность водоносной толщи или, в неко­

торых частных вариантах, ее упорядоченное (слоистое) строение;

[З] отсутствие дополнительного (по сравнению с естествен- нымУпитания рассматриваемого водоносного горизонта по площади, что позволяет не учитывать площадное питание в явном виде (см. раздел 3.3);

|~4~] совершенство гидродинамических границ области фильт­рации;

[~5] простейшие типовые условия на этих границах (обычно - постоянные условия первого или второго родов);

0 горизонтальное залегание водоупоров, подстилающих без­напорные потоки (в противном случае требуются узко специальные аналитические решения — см. раздел 3.1.7);

0 линейность процессов фильтрации.

Переход от реальных гидрогеологических условий к типовой или сложной расчетной схеме (геофильтрационная схематизация) явля­ется наиболее важным этапом, от которого во многом зависит каче­ство всех последующих прогнозных оценок. Схематизацию целесо­образно проводить по отдельным аспектам расчетной схемы, что дает возможность использовать определенные критерии, контролирую­щие правомерность замены сложной схемы более простой (в частно­сти, допустимость перехода к типовым расчетным условиям). Оста­новимся на основных элементах такой схематизации.

[Т] Фильтрация к открытым горным выработкам, пройденным в удалении от границ обеспеченного питания, обычно является резко нестационарным процессом, однако в области, прилегающей к выра­ботке, реальное нестационарное движение может быть сведено к квазистационарной расчетной схеме. При оценке притока к одиноч-

Мой выработке со стабильными условиями на ее контуре эта цель достигается введением расчетного радиуса зоны квазистационарного режима, который для каждого момента определяется формулой

29. . При наличии границы обеспеченного питания, удаленной от центра горной выработки на расстояние R*, водоприток к выработке с приведенным радиусом г_с может рассчитываться по формулам ста­ционарной фильтрации по истечении времени t > (г* — г₀)²/п а* (см. формулу 4.38).

[~2~| При прогнозе водопритоков к горной выработке контур последней рассматривается как граница дренажа всех вскрываемых ею водоносных горизонтов; на этой границе задаются условия перво­го рода — напоры здесь отвечают отметке нижнего водоупора водо­носного пласта, вскрытого карьером. Если водоносный горизонт за­легает в подошве горной выработки и отделен от нее слоем слабопро­ницаемых пород, то по площади выработки следует задавать условие третьего рода (см. раздел 2.4), — исходя из предпосылок перетекания (см. раздел 2.3.2); впрочем, его можно также трансформировать в условие первого рода, пользуясь принципом эквивалентных фильт­рационных сопротивлений (см. разделы 3.4 и 3.5).

[~3~] Для аналитических оценок водопритоков чаще всего необ­ходимо привести реальные условия к схеме однородного водоносного горизонта, полностью вскрытого горной выработкой, что допустимо лишь при выполнении определенных требований, уже отраженных в предшествующих главах. Так, при вскрытии слоистых водоносных толщ, характеризующихся малым соотношением проводимостей от­дельных слоев (в пределах порядка), движение в них может рассмат­риваться как плановое (см. раздел 3.1); поэтому переход к схеме однородного пласта возможен путем суммирования проводимостей - при напорном режиме, или введением функции Гиринского — для безнапорной фильтрации в горизонтально залегающих слоях (см. раздел 3.1). При больших соотношениях проводимостей отдельных слоев используются предпосылки перетекания (см. раздел 2.3.2); для двухслойных безнапорных толщ в последнем варианте расчет водо­притоков к горной выработке можно вести исходя из проводимости нижнего (относительно проницаемого) слоя и водоотдачи, соответст­вующей емкостным характеристикам верхнего слоя (см. раздел 2.5). Наконец, профильно-анизотропные пласты сводятся к изотропным простым преобразованиям координат (см. раздел 2.5).

4 Максимальные отклонения структуры потока от одномер­ной (вразрезе) наблюдаются вблизи несовершенных горных вырабо­ток. Схематизация структуры потока в этом случае осуществляется с применением локальных профильных математических моделей (см. разделы 3.4 и 3.5) и сводится к определению дополнительного фильтрационного сопротивления, одновременно учитывающего де­формацию потока вблизи выработки и профильную неоднородность фильтрующей толщи. Для однородных пластов и некоторых типов слоистых толщ получены аналитические выражения для расчета до­полнительных фильтрационных сопротивлений [34 ], которые могут быть учтены при рассмотрении планового потока в целом или выде­ленных лент тока.

Принцип эквивалентных фильтрационных сопротивлений или аналогичный ему принцип виртуальных длин (см. раздел 3.1.6) ис­пользуется и для приведения неоднородных в плане пластов к одно­родным.