Предупреждение газодинамических явлений. Шахтные воды. Закономерности движения воды в массивах горных пород

             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-f_o).

     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.