Предмет Предупреждение газодинамических явлений
Шахтные воды. Закономерности движения воды в массивах горных пород.
В промышленном освоении месторождении полезных ископаемых существенную роль шахтные подземные воды, поверхностные водоемы и водотоки. Они участвуют в формировании шахтных вод, которые вызывают особые осложнения в процессе ведения горных работ. Так, в результате воздействия шахтных вод снижается устойчивость горных выработок, затрудняется работа горнодобывающего и транспортного оборудования, усложняется ведение буровзрывных работ, увеличивается влажность угля и затрудняется его переработка. Прорывы подземных вод в горные выработки могут на длительное время остановить производство.
Для эффективного ведения горных работ необходимо знать и учитывать условия формирования и движения подземных вод в массивах горных пород в зависимости от целого ряда взаимодействующих природных и технологических факторов.
Подземные воды — это воды, которые накапливаются и перемещаются в порах, трещинах или пустотах горных пород земной коры. Вода присутствуете горной породе в твердом состоянии (в мерзлых грунтах), в виде пара, в связанном (химически или физически) и свободном виде.
Образуются подземные воды в основном за счет просачивания (инфильтрации) дождевых и снеговых вод.
По условиям залегания подземные воды делятся на:
грунтовые, залегающие над первым от земной поверхности водоупорным слоем;
пластовые, приуроченные к водоносному горизонту, который перекрывается водоупорными породами;
трещинные, приуроченные к трещинам в скальных породах;
карстовые, находящиеся в пустотах карстовых пород.
Водоносным горизонтом называют толщи рыхлых или трещиноватых горных пород, насыщенных свободной водой. Ресурсы подземных вод в значительной степени зависят от общих климатических условий и местных природных факторов. При большом количестве атмосферных осадков район богаче подземными водами и наоборот. Например, при сходном литологическом составе продуктивных свит карбона водообильность шахт Донецкого бассейна в 2—3 раза выше, чем в Карагандинском, характеризующимся меньшим количеством осадков и высокой испаряемостью. Большая крутизна склонов, расчлененность рельефа способствуют поверхностному стоку и уменьшают проникновение воды в горные породы.
Ресурсы подземных вод разделяют па статические запасы, динамические ресурсы и ресурсы крупных артезианских бассейнов платформенного типа.
Статическими запасами называют воды, которые, находясь в подземном водоносном горизонте, не связаны с циркуляционными потоками вод, не имеют области питания и естественного подземного стока и до некоторой степени постоянны по количеству.
Динамические ресурсы — это воды в постоянном движении, имеющие свои области питания и естественный подземный сток, являются источниками, питающими родинки и реки.
Ресурсы крупных артезианских бассейнов имеют большие области питания и подземный сток, характеризуются громадными количествами воды, питают другие водоносные горизонты и источники на поверхности, находятся в постоянном движении.
Подземные воды могут быть напорными и безнапорными. Условно безнапорными водами называют воды со свободной поверхностью, а напорными — заключенные между водоупорными слоями и испытывающие гидростатическое давление.
Большая часть месторождений полезных ископаемых обводнена из-за наличия водоносных горизонтов, расположенных выше залегания полезных ископаемых, влияния атмосферных осадков и других поверхностных вод.
Наличие нескольких разнообразных по характеру водоносных горизонтов, значительные колебания обводненности каждого водоносного горизонта в пространстве и времени, а также сложность и изменчивость литологического состава вмещающих угольный пласт пород, создают большое количество различных видов обводнения угольного месторождения ii затрудняют типизацию месторождений по обводненности. Условно их можно разделить на три группы: с умеренной, повышенной и высокой обводненностью.
Месторождения с умеренной обводненностью обычно сложены устойчивыми скальными и полускальными нскарстовыми породами, в которых имеются один или два водоносных горизонта с незначительной водопроницаемостью. К этой группе относятся, например, месторождения угля в Донецком, Кузнецком, Карагандинском и Челябинском бассейнах.
К месторождениям с повышенной обводненностью относят месторождения, сложенные переслаивающимися неустойчивыми и рыхлыми осадочными породами, в которых содержится до 10 водоносных горизонтов. Повышенной обводненностью обладают месторождения Подмосковного, Днепровского, Шурабского буроугольных бассейнов.
Месторождения с высокой обводненностью сложены карстовыми или сильно раздробленными, тектонически нарушенными породами. Они расположены в Прибалтийском бассейне горючих сланцев, Кизеловском, западном крыле Донецкого и части Подмосковного угольных бассейнов.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ В МАССИВАХ ГОРНЫХ ПОРОД
Вода в массиве пород под влиянием различных причин: гидравлического напора, силы тяжести, капиллярных, адсорбционных, капиллярно-осмотических an, температурного градиента и др. Гравитационная вода заполняет относительно крупные поры породы и под давлением сил тяжести или гидродинамического напора.
Передвижение по порам и трещинам горных пород свободной гравитационной воды при разнести гидростатических напоров называется фильтрацией.
Движение подземных вод в природных условиях характеризуется скоростью фильтрации. Скорость фильтрации в мелкозернистых песках (ламинарное движение) подчиняется линейному закону (закон Дарен) и выражается формулой
I/ki,
где к — коэффициент фильтрации, м/сут; — гидравлический уклон (градиент), представляющий собой отношение разности уровнен или напоров в двух точках, расположенных строго по направлению потока, к расстоянию между ними.
Коэффициент фильтрации выражает скорость фильтрации воды при напорном градиенте, равном единице.
Скорость фильтрации в глинистых породах, обладающих начальным градиентом /0, выражается формулой
I'=k(i-fo).
Фильтрации в трещиноватых, и обломочных породах (турбулентное движение) подчиняется квадратичному закону сопротивления.
Движение подземных вод определяется характером их перемещения от областей питания к областям стока. Различают установившееся и неустановившееся движение вод.
Если уровни и скорости движения воды во времени не изменяются, то движение — установившееся. Оно возникает там, где условия питания и разгрузки подземных вод изменяются во времени незначительно.
Неустановившееся движение подземных вод возникает при изменении условий питания и разгрузки, в результате чего изменяются скорости фильтрации и напорные градиенты. Это может быть вызвано естественными пли искусственными факторами: неравномерностью выпадения атмосферных осадков, колебаниями уровня воды в поверхностных водоемах, паводками, откачкой подземных вод из скважин н др.
Наиболее интенсивно влияние естественных факторов проявляется на грунтовых водах. Искусственные факторы в результате хозяйственной деятельности человека оказывают влияние на изменение режима всех видов подземных вод.
Существенное воздействие на изменение режимов подземных вод оказывает разработка месторождений полезных ископаемых. Очистные работы при подземной разработке приводят в движение вышележащие слои пород. Возникающие при этом деформации вызывают изменение проницаемости обводненных пород и рост напора воды над подработанной площадью на величин}', примерно равную вынимаемой мощности угольного пласта. В условиях полной подработки проницаемость водосодержащих горизонтов возрастает: в горизонтальном направлении — в результате расслоения массива при оседании, а в вертикальном — за счет последовательно протекающих деформаций растяжения — сжатая в процессе подработки.
Исследования, проведенные ПНИУИ в Подмосковном бассейне, показывают, что от разрыхления водопроницаемость песчаных пород увеличивается па 20—30%, а известняков и песчаников — в 3—5 раз. Это создаст благоприятные условия для дренажа воды с прилегающих к подработанному участку площадей и способствует снижению уровней воды в водоносных горизонтах.
Вовлечение обводненных пород в зону разрушающего влияния очистных работ приводит к полному или частичному осушению водоносного горизонта со статическими запасами воды. Динамические ресурсы воды при последующей кольматации трещин в подстилающих водоупорах со временем обеспечат восстановление водоносного горизонта. Обводненность месторождений обычно снижается с увеличением глубины залегания полезных ископаемых. Режим подземных вод зависит также от наличия речных долин, озер и водохранилищ, имеющих гидравлическую связь с подземными водоносными горизонтами.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.