Тема 10.3. Водопонижающее оборудование

Шахтный водоотлив является одним из способов борьбы с отрицательным влиянием подземных вод на ведение горных работ, хотя и пассивным. Подземная вода, поступающая в горные выработки, через систему канав и труб поступает в центральный водосборник, откуда насосными установками выдается на поверхность через шахтные стволы. В зависимости от общего количества воды, поступающей в рудник (шахту), применяются различные схемы водоотливных установок (рис. 89). Шахтный водоотлив является основным средством борьбы с подземными водами в горных выработ­ках при несложных гидрогеологических условиях. При сложных гидрогеологических условиях он применяется в комбинации с дру­гими способами.

В случае неглубокого залегания полезного ископаемого (до 120м) шахтный водоотлив осуществляется следующим экономически выгодным способом. На разрабатываемом участке на расстоя­ния нескольких сотен метров от шахтного ствола сооружается участ­ковый водосборник (и насосная установка), вблизи него с поверх­ности проходится скважина, в которую устанавливается колонна водоподъемных труб; по ним шахтные воды и откачиваются на по­верхность.

Депрессионные воронки при осушении взаимодействую­щими скважинами

скв. 1, 2, 3 и 4 — водопонижающие; скв. 10, 11 и 12 — разведочные; пунк­тир — депрессионные кривые.

Предварительное осушение с поверхно­сти сводится к следующему. На шахтном поле (или группе шахт­ных полей, что дает еще больший эффект) в соответствии с гидро­геологическим расчетом закладываются водопонизительные сква­жины, оборудуемые глубинными насосами. В результате длитель­ных откачек из системы взаимодействующих скважин создается общая районная воронка депрессии, в пределах которой проходка подготовительных выработок и очистные работы осуще­ствляются без помех.

Забивные фильтры. Осушение горных выработок при помощи забивных фильтров нашло весьма широкое применение и для многих месторождений является почти единственным способом, с помощью которого можно вести добычу полезного ископаемого. Забивные фильтры представляют собой короткие (1—1,5 м) перфорированные трубы (диаметр перфорации обычно 2—3 мм) диа­метром 25—63 мм, навинченные на глухие трубы и устанавливаемые в кровле штрека. Общая длина забивного фильтра достигает 12—15 м. При помощи такого забивного фильт­ра вода из надпродуктивных песков самотеком поступает в штрек, затем в центральный водосборник и от­туда откачивается на поверхность. Фильтры забивают в кровлю на расстоянии 5—25 м, иногда гуще, иногда реже. Их можно забивать также в почву, стенки и забой горизонтальных выработок и по ним вода из напорного подпродуктивного водоносного горизонта самоизливом поступает в штрек, что обеспечивает иногда снижение напоров до без­опасной величины.

Дебит забивных фильтров даже на площади одного шахтного поля колеблется в широких пределах, от долей до 7 м³/ч и более. Продолжи­тельность работы забивных фильтров колеблется от одного-двух до 9— 12 месяцев.

При дренировании водоносного пласта системой забивных фильт­ров в нем создается разрежение, что приводит к резкому уменьшению производительности забивных филь­тров. Такое явление обычно наблюдается при наличии в кровле водоносного пласта глинистых воздухонепроницаемых слоев; по­ступлению воздуха снизу препятствует обводненная часть песков, плохо проницаемая для воздуха. В целях устранения разрежения устраивают так называемые аэрирующие скважины, которые устанавливают вблизи забивных фильтров на расстоянии 100—150 м одна от другой.

Для интенсификации процесса осушения мелко- и тонкозерни­стых песков через аэрирующие скважины нагнетается воздух, для чего они подключаются к шахтному трубопроводу сжатого воздуха. Поступающий в осушаемый пласт сжатый воздух создает дополнительное давление на поверхность водоносного гори­зонта, что влечет за собой увеличение дебита забивных фильтров в 2—3 раза при повышении давления в пласте на 1,5-2 атм.

Схема забивного фильтра (1) и аэрирующей скважины (2)

Вакуум-фильтры. При помощи несложных приспособ­лений вокруг водоприемной части забивного фильтра, посаженного в кровлю выработки, можно создать разрежение, что обусловливает значительно более интенсивное (в 2—3 раза) поступление воды из осушаемых песков в фильтр. Подобные фильтры получили наимено­вание вакуум-фильтров (рис. 92). Сроки осушения при помощи вакуум-фильтров сокращаются в 2—3 раза. При установке вакуум-фильтров необходимо, чтобы над ними всегда находился столб воды, иначе они разрядятся и будут дей­ствовать как обычные фильтры.

Когда фильтры перестают дей­ствовать, их извлекают, а отвер­стия тщательно тампонируют. После прочистки этот же фильтр исполь­зуют в другом месте.

При проектировании осушения месторождения забивными фильт­рами предварительно проводится гидрогеологический расчет, причем вся система фильтров, устанавли­ваемых в штреках шахты, прини­мается за систему взаимодейству­ющих колодцев и расчеты ведутся по формулам взаимодействующих сквpажин.

Схема забивного вакуум-фильтра

1 — глухой патрубок; 2 — манометр

3 — кран; 4 — резиновый шланг; 5 —

сосуды с водой

Сквозные фильтры. При наличии в надпродуктивной толще нескольких водоносных горизонтов или же когда водоносные пески от­делены от кровли штрека мощным пластом (более 15 м) глин, устраи­ваются сквозные фильтры (рис. 93). Последние представляют собой сква­жины, пройденные в поверхности до кровли штрека, оборудованные фильтрами, чаще всего гравийными. Сквозные фильтры устанавлива­ются на расстоянии 100—200 м друг от друга; дебит их может до­ходить до 100—180 м³/ч.

Для создания вакуума в сквозном фильтре в устье скважины опускается труба, соединенная с вакуум-насосом, при помощи которого отсасывается воздух из сквозного фильтра. Устье скважины герметически закрывается, а нижняя часть оборудуется краном, позволяющим оставлять в скважине некоторый столб воды. Вакуум может быть создан и более простым способом. Для этого верхняя часть фильтра герметически закрывается пробкой, а нижняя погру­жается в сосуд с водой, создавая тем самым гидравлический затвор, что предотвращает поступление воздуха снизу. При регулировании спуска воды из фильтра в нем создается вакуум, что увеличивает эффект осушения.

Схема сквозного фильт­ра, дренирующего три водонос­ных горизонта

Водопонижающие колодцы и скважины. Их устраивают в почве штреков в том случае, если при помощи только забивных фильтров не удается снизить напор воды в подпродуктивных песках до нужных отметок. При глу­бине колодцев до 3 м последние ус­траивают шахтного типа, при боль­шой глубине — скважины диаметром 200—300 мм с целью уста­новки гравийного фильтра (рис. 94). В понижающие колодцы и скважины опускаются насосы, и откачка воды из них ведется непрерывно в течение всего периода работы на данном участке. Водопонижающие колодцы и скважины рекомендуется закладывать на пониженных участках; при этом глу­бина их будет наименьшей, а радиус влияния — наибольшим.

Водопонижающая скважина 1 — насос; 2— обсадные трубы; 3 — извлекаемые обсадные трубы; 4 —- гравийная обсыпка; 5 — вса­сывающий шланг; 6 — проволочная обмотка за­хватной части фильтра; 7 — храпок всасыва­ющего шланга.

В результате откачек вокруг колодцев создаются пересекающиеся во­ронки депрессии, что и обеспечивает нужное снижение напоров. Расчет понижающих колодцев ведется по формулам взаимодейству­ющих скважин.

Дренажные штреки. Они служат для сбора воды, поступающей из забивных и сквозных фильтров и для закладки водопонижающих колодцев и скважин. Проходятся штреки ниже всех водоносных горизонтов (обычно в нижней части разрабатыва­емого пласта). Одновременно дренажные штреки непосредственно сами осушают расположенные поблизости водоносные горизонты.

Поглощающие скважины. На некоторых месторо­ждениях естественные уровни воды в подпродуктивных песках или известняках (а чаще в результате откачки из них воды) залегают на более низких отметках, чем почва горных выработок. При таких условиях вода из надпродуктивных водоносных горизонтов, а также из горных выработок может быть спущена по водопоглощающим скважинам в подпродуктивные пески или известняки. При проекти­ровании спуска воды в нижние горизонты необходимо учитывать возможность усиленного обводнения ближайших шахт, разрабаты­вающих полезное ископаемое на более низких отметках. Кроме того, необходимо учитывать, что спуск загрязненной воды из горных выработок возможен только в том случае, когда воды поглощающего горизонта не используются для питьевого водоснабжения.

Схема осуше­ния закарстованных из­вестняков опережающи­ми скважинами (по Н. Ф. Унковской и Н. Ф. Соколову)

1 — рудоносный пласт; 2 — известняки; 8 — осушенная зона известняков; 4 — водо­спускные скважины; 5 — статический уровень подзем­ных вод; 6 — уровень до осушения с горизонта 40 м; 7 — уровень после осушения

Опережающие выработки. При проходке горных выработок поступление воды, иногда катастрофическое, часто на­блюдается только у забоя. Особенно много поступает воды из забоя при пересечении тектонических трещин, зон разлома, карстовых воронок, иногда при подходе к старым затопленным выработкам или «горелым» породам (Кузбасс, Ангренское месторождение в Средней Азии и др.). В подобных случаях для предотвращения ка­тастрофических прорывов воды проходят опережающие скважины, передовые штреки и устанавливают предохранительные перемычки.

Опережающие скважины проходят из забоя выработки в горизонтальном или наклонном положении на 10—150 м. Про­ходка этих скважин осуществляется с принятием необходимых мер предосторожности. Передовые штреки проходят на месторождениях, где в оснований полезного ископаемого залегают водоносные пески со значительным напором. Передовой штрек имеет небольшое сечение и располагается над водоносным горизонтом на высоте 5—7 м. В почве штрека устра­ивают водопонижающие колодцы и скважины, откачка воды из ко­торых и обеспечивает нужное снижение напоров.

Разрез водоне­проницаемой перемычки

Предохранительные перемычки устраивают на участках ожи­даемого большого притока воды (из старых выработок, горелые пород и т. п.), с которыми установленные на руднике насосы спра­виться не смогут; угрожающий участок отделяют от остальных выра­боток водонепроницаемыми или фильтрующими перемычками. На не­которых сильно обводненных месторождениях в целях большей безопасности ведения работ перемычки устанавливают заблаговре­менно в наиболее ответственных местах: вблизи рудничных дворов, у насосных камер и т. п.

Водонепроницаемые перемычки возводят из дерева, бетона, железобетона, кирпича, шлакоблоков, бетонита и других материалов, способных выдерживать односторонний напор воды. Для устройства перемычек в стенках выработок делают одну или несколько врубов со скошенными поверхностями, чтобы под давлением воды перемычка работала как клин. Породы, в которых возводятся перемычки, дол­жны быть достаточно прочными, водонепроницаемыми, без трещин. При ведении эксплуатационных работ перемычки не должны под­рабатываться; при необходимости под перемычкой оставляют целики,

У подошвы выработок в перемычках заделывают трубы с запор­ными кранами или задвижками для организованного спуска воды из-за перемычки. Приемный конец трубы, заканчивающийся перфо­рированным колпаком, ограждается решеткой. Вверху перемычки вставляют тонкую трубку для выпуска воздуха, которую исполь­зуют также для манометрических замеров напора воды за перемыч­кой. В перемычках часто устраивают лаз для людей, для чего в тело перемычки заделывают стальную трубу диаметром не менее 500 мм с запорным приспособлением.