Поверхностные дренажные системы

Поверхностные дренажные системы сооружаются с поверхности земли или с поверхности уступов карьеров. Основными элементами этих систем являются: водопонижающие скважины; водопоглощающие скважины; горизонтальные скважины; иглофильтровые установки; дренажные щели.

Водопонижающие скважины применяются как в безнапорных водоносных горизонтах при мощности их не менее 10 м и коэффициенте фильтрации более 1-3 м/сут, так и в напорных при меньших мощностях водоносных горизонтов и коэффициентах фильтрации. Они могут сооружаться не только на водоносные горизонты, перекрывающие залежь полезного ископаемого, но и на подстилающий горизонт, когда породы в последнем обладают более высокими фильтрационными свойствами, чем дренируемый горизонт, и имеют с ним гидравлическую связь. При наклонном залегании водоносных пластов водопонижающис скважины более эффективны, чем при горизонтальном залегании. Водопонижающие скважины широко используются на карьерах для постоянного (за технической границей карьера) и временного (на рабочих бортах, уступах и дне карьера) дренажа. Как правило, водопонижающие скважины рассчитываются на длительный срок службы. Располагаются они в пониженных местах гипсометрии дренируемого горизонта, на участках повышенной трещиноватости и закарстованности. Глубина заложения скважин достигает 300 м и более.

Технология сооружения водопонижающих скважин сводится к следующему: бурению скважин, установке обсадных труб и фильтров, прокачке скважин и установке погружных насосов, прокладке водоотводных труб, подключению насосов к системе автоматического управления (рис. 2, а).

Водопоглощающие (инфшьтрационные) скважины (рис. 2, б) применяются для перепуска воды из верхних водоносных горизонтов в нижние в случаях, когда водопроницаемость поглощающего водоносного горизонта больше, чем дренируемого горизонта, а также когда уровень поглощающего горизонта ниже толщи разрабатываемого полезного ископаемого и поглощающий горизонт не используется для питьевого водоснабжения. Поглощающий горизонт должен обладать высокой естественной дренирующей способностью. Разность уровней в дренируемом и в поглощающем горизонтах может быть создана путем снижения уровня воды в последнем водопонижающими скважинами.

В этом семействе дренажных сооружений выделяют собственно поглощающие и инфильтрационные скважины. Поглощающей называется закрепленная скважина, служащая для отвода поверхностных вод в какой-либо подземный водоносный пласт. Инфильтрационная обеспечивает связь нескольких водоносных пластов.

Наиболее благоприятные условия для широкого использования водопоглощающих скважин создаются при наличии под обводненными слабопроницаемыми породами закарстованных известняков.

При сооружении водопоглощающих скважин применяются те же способы бурения, станки и фильтры, что и для водопонижающих.

Горизонтальные дренажные скважины. Применяются как самостоятельные устройства для создания дренажных систем в сочетании с открытым водоотливом или как вспомогательные устройства для перехвата «проскока» подземных вод.

Горизонтальные скважины представляют собой самотечные дрены, которые проходят с основания уступов у подошвы водоносного горизонта перпендикулярно к откосу с уклоном не менее 0,003 % в сторону от него (рис. 2, в). Область применения горизонтальных скважин весьма широка, но наиболее целесообразно их использовать для дренажа относительно маломощных водоносных горизонтов.

Длина горизонтальных скважин на нерабочих бортах определяется из условия перехвата основной части фильтрационного потока за расчетной линией сползания или обрушения уступа. На рабочих бортах длина их принимается в зависимости от конкретных гидрогеологических условий и требуемой эффективности дренажа, но не менее двухкратной ширины экскаваторной заходки.

Экспериментальными исследованиями установлено, что уровни подземных вод снижаются в основном в пределах 0,5-0,75 длины скважин от борта карьера. Основная часть притока воды к скважинам (70-90 %) приходится на их забойную часть, составляющую 1/3 длины скважины. Наибольший эффект достигается при заложении скважин перпендикулярно к фронту откоса. Иногда применяют веерные схемы бурения горизонтальных скважин.

Для бурения в крепких породах (в том числе по угольным пластам), не требующих крепления стенок скважин, используются станки СБМ-Зу, СБГ-1М, ЗИФ-650, СКБ-4, СКБ-5. Так, например, использование станков СКБ-4 и 5 позволяет бурить скважины диаметром 90 мм длиной от 100 до 300 м.

Иглофилътровые установки (передвижные, легкие, эжекторные) применяются для временного и локального понижения уровня подземных вод в песчаных и песчано-глинистых породах.

Основным достоинством иглофильтров по сравнению с водопонижающими скважинами является более высокая степень осушения (коэффициенты фильтрации 0,1-2 м/сут), особенно в слабопроницаемых породах, т. е. там, где скважины использовать нецелесообразно. Для предотвращения замерзания воды в системе иглофилътры-коллектор откачка воды зимой должна производиться непрерывно.

На практике чаще всего применяют легкие водопонизительныс иглофильтровые установки ЛИУ-6Б (производительность 65-140 м³/ч, напор на выходе 28-36 м, общая длина одного иглофильтра 8,5 м, число иглофильтров на одну установку 25-100 шт., КПД при полной загрузке агрегата 63 %).

Иглофильтры обычно располагают в виде кольцевой системы (рис. 3). Расстояние между иглофильтрами может изменяться от 0,5 до 10 м. Чаще всего иглофильтры применяются на рабочих площадках уступов в процессе строительства разрезных и выездных траншей. С учетом гидравлических сопротивлений собственно иглофильтров и коллектора понижение уровня подземных вод, вызванное действием всей водопонизительной установки ЛИУ-6Б, не превышает 5 м. Если необходимо большее понижение уровня, применяют двух- или трехъярусную систему расположения иглофильтров.

Несмотря на высокий эффект осушения и возможность использования в слабопроницаемых породах, иглофильтры имеют ряд недостатков. К последним следует отнести сравнительно небольшую величину водопонижения (не более 5 м при однорядной системе), громоздкость монтажа установки, трудности для эксплуатации в зимнее время.

При использовании одноярусной системы и заданном понижении (более 5 м) целесообразно применять эжекторные иглофильтры, обеспечивающие понижение уровня подземных вод до 20 м.

Наиболее распространенными типами эжекторных иглофильтровых установок являются УВВ-2, УВВ-3-6КМ и ЭИ^70 (ЭВВУ) производительностью соответственно 43,43 и 150 м /ч. Установка типа УВВ осушает грунты на глубину 7 м, а установки типа ЭИ и ЭВВУ - до 20 м.

Достоинством эжекторных иглофильтров является не только высокая степень осушенности участка и понижение уровня подземных вод на глубину до 20 м при одноярусной установке, но и возможность эффективно осушать породы с низкой водоотдачей и небольшим коэффициентом фильтрации (0,1-2 м/сут), то есть в условиях, при которых водопонижающие скважины работают плохо.

Однако эжекторные иглофильтры имеют недостатки: низкий КПД установки, не превышающий 20 %; сложности при монтаже и невысокая надежность; частое засорение сопла насадки.

Дренажные щели применяются для понижения уровня подземных вод в рабочих и нерабочих бортах карьеров, при разработке слоистых наклонных и крутопадающих породных толщ, в которых водоносные горизонты перемежаются водоупорными слоями.

Как правило, уровень подземных вод в таких массивах располагается неглубоко от поверхности и практически описывает сформированный в процессе разработки рельеф. Перемещение же горных работ обычно происходит в направлении падения водоносных пластов, что затрудняет условия их дренирования.

Сооружение дренажной щели заключается в создании в анизотропном массиве вкрест простирания слоев литологнческих разностей зоны дробления пород, характеризующейся высокой водопроницаемостью. Разрушение пород и создание в массиве сети трещин производится взрыванием предварительно пробуренных на рабочих площадках уступов одного или нескольких рядов взрывных скважин (рис. 4). Глубина дренажной щели определяется параметрами применяемого бурового оборудования. Наибольшая глубина

бурения взрывных скважин 60 м обеспечивается при использовании бурстанков марки ЗСБШ-200-60.

Взрывание скважин производится небольшими зарядами ВВ рассредоточенной конструкции при удельном расходе, не превышающем 0,2-0,3 кг/м³. В результате взрыва в массиве образуется раздробленная зона шириной 2-5 м, фильтрационные свойства которой в 100 и более раз выше, чем таковые для ненарушенных пород.

Через сформированную щель происходит разгрузка водовмещающих слоев, что со временем приводит к понижению уровня подземных вод. Высачивающаяся из дренажной щели вода отводится к водосборнику, откуда откачивается водоотливной установкой. Достоинством дренажных щелей ломимо простоты сооружения и высокой эффективности осушения массива является их низкая стоимость. При создании же дренажной щели на рабочем 6opтy карьера затраты на ее формирование практически отсутствуют, так как они представляют собой затраты на вскрышные работы будущих периодов.

АГРЕССИВНЫЕ ВОДЫ (а. agressive waters; н. aggresives Wasser, angreifendes Wasser; ф. eaux agressives; и. aguas agresivas) — воды, активно вступающие в химические реакции, разрушающие различные сооружения из бетона и металла (например, крепи горных выработок) и оборудование, неблагоприятно влияющие на растительность и животный мир водоёмов в результате воздействия содержащихся в воде солей и газов.

Агрессивные воды бывают природные и искусственно возникшие в процессе горных работ, при сбросе стоков химических, металлургических производств и т.п. Различают следующие виды агрессивности вод: углекислотную с содержанием агрессивной углекислоты свыше 3-4 мг/л, выщелачивающую с содержанием HCO₃^- свыше 0,4-1,5 мг•экв., общекислотную (pH < 6), сульфатную (SO₂^-4 свыше 250 мг/л), магнезиальную (Mg₂⁺ свыше 750 мг/л), кислородную. Влияние агрессивных вод уменьшают путём управления режимами поступления поверхностных и подземных вод и стока шахтных вод, снижением времени контакта воды с минералами, температуры и скорости обновления раствора. Для этого применяют: предварительное водопонижение с поверхности через скважины, оборудованные погружными насосами; подземный дренаж подготовительными выработками и опережающими скважинами; снижение притока воды в выработанное пространство и потерь полезных ископаемых с повышенным содержанием серы; рациональную систему сбора и очистки кислых шахтных вод. Кислые шахтные воды перед водоотливом и сбросом в поверхностные водотоки и водоёмы очищают от взвешенных веществ в отстойниках, нейтрализуют известью, известковым молоком, каустической содой.

На обогатительных фабриках применяется наряду с отстойниками и нейтрализацией вод замкнутый цикл водоснабжения. Хвостохранилища продуктов обогащения с содержанием сульфидных минералов ограждаются водонепроницаемыми пластинами. Разрушающее действие агрессивных вод на металл уменьшают путём применения кислотоупорного и коррозионно-устойчивого оборудования и машин, выполненных с использованием легирующих элементов в сплавах, плёнок с повышенной энергией разрыхления (что тормозит коррозию и повышает стойкость металла), введения в хромистую сталь азота. Для шахтного водоотлива при больших напорах агрессивных вод применяют футерованные и стеклопластиковые трубы, а при малых — чугунные, этернитовые, асбоцементные. В нефтегазовой промышленности, при захоронении промышленных стоков, обсадные трубы скважин выполняют из коррозионно-устойчивого металла, затрубное пространство цементируют агрессивно-стойкими сортами цемента с подъёмом его до устья скважины.

Поверхностные воды необходимо охранять от засорения, истощения и загрязнения. В целях предупреждения засорения осуществляют мероприятия, которые исключают попадание в них мусора, твердых отходов и других предметов, отрицательно воздействующих на качество вод и условия обитания гидробионтов. Строгий контроль за минимально допустимым стоком вод, ограничение их нерационального потребления способствуют защите поверхностных вод от истощения. Наиболее важной и притом самой сложной проблемой является защита поверхностных вод от загрязнения. С этой целью предусматривается ряд мероприятий, в частности: мониторинг водных объектов; создание водоохранных зон; развитие безводных технологий, а также систем оборотного (замкнутого) водоснабжения; очистка сточных вод (промышленных, коммунально-бытовых и других) или их закачка в глубокие водоносные горизонты; очистка и обеззараживание поверхностных вод, используемых для питьевого водоснабжения и других целей; надлежащий государственный контроль за использованием и охраной водных объектов.