СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ОТ ПРОРЫВА ВОДЫ СО СТОРОНЫ ВОДОТОКА В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
PROCEDURE FOR PROTECTION OF MINES AGAINST WATER INRUSH FROM SIDE OF WATER FLOW UNDER CONDITIONS OF PERMAFROST

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при защите горных выработок от прорыва воды со стороны естественного водотока в условиях вечной мерзлоты.
Вне зоны вечной мерзлоты в зависимости от местных условий применяются разные способы защиты горных выработок от поверхностных вод. При этом перехват стока и перенос русла водотока в обход защищаемой горной выработки является наиболее простым и распространенным способом [1]. Однако осуществление этого способа часто связано с высокими затратами на выполнение руслоотводного сооружения, которое обычно состоит из водоподъемной плотины и водовода, выполненного в виде гидротехнического канала на относительно ровном месте [2, стр.210-230] или гидротехнического туннеля в горной местности [2, стр.248-265]. Такое руслоотводное сооружение является затратным и в условиях и вечной мерзлоты недостаточно надежно защищает горную выработку.
Это объясняется тем, что врезки в вечную мерзлоту, с неизбежностью осуществляемые при выполнении руслоотводного сооружения, могут привести к нарушению верхней водонепроницаемой ледогрунтового мерзлой корки (плаща), что может привести к образованию в вечной мерзлоте сквозного талика. Такая корка образовалась в начальный период последнего (позднеголоценового) похолодания при одностороннем промерзании грунтов сверху вниз в условиях постоянного проникновения в их морозобойные трещины и поры воды атмосферных осадков сверху. Образование такой корки происходило практически повсеместно ниже границы сезонного оттаивания грунтов в пределах коры выветривания, а проникновение воды в грунты происходило в дозированном естественным путем количестве. Одновременно с этим по наиболее крупным «русловым» трещинам напряжений, образовавшихся в предыдущие периоды оледенения-потепления, под действием гидравлического уклона вода из-под мерзлой корки вытекала в ближайшие места разгрузки. В результате этого по мере дальнейшего опускания нижней границы многолетнемерзлых грунтов под мерзлой коркой часть глубинных трещин оказалась свободной ото льда - пустотелые трещины [3]. При движении по такой длительное время существовавшей трещине вода может превратиться в рассол с отрицательной температурой замерзания, что увеличит ее способность проходить по трещине через слой вечной мерзлоты.
Известен способ, согласно которому перенос русла водотока осуществляют с экранированием его на новом месте (а.с. СССР №1659652 и а.с. СССР №1719635).
Осуществление этого способа связано с высокими затратами.
Известен способ, согласно которому экранирование русла водотока осуществляют без переноса за пределы его естественного русла (а.с. СССР №1425330 и дополнительное к нему а.с. СССР №1571250).
Недостатком этого способа является его недостаточная эффективность из-за сложности работ при его осуществлении и его недостаточная надежность.
Известен способ, согласно которому горные породы вокруг русла водотока на всем потенциально опасном участке искусственно замораживают до образования водонепроницаемого ледогрунтового массива и поддерживают в мерзлом состоянии в течение всего периода разработки месторождения. При этом используют сезоннодействующую замораживающую систему, которая включает выработки и скважины, с трубами для прохода хладагента [Патент Российской Федерации №2059814, кл. E21C 41/16, опубл. 10.05.1996].
Недостатком этого способа является высокая стоимость его осуществления из-за высоких затрат при создании замораживающей системы и ее эксплуатации в условиях теплового воздействия водотока на замороженные горные породы.
Известен способ, согласно которому пропуск воды осуществляют над горной выработкой (зоной подработки) по телескопическому водоводу, установленному на регулируемых по высоте опорах и забираемому воду из водоема-накопителя, вне зоны горного объекта (А.с. СССР №1444522).
Недостатками этого способа являются, во-первых, высокие затраты при возведении водовода на большие расходы воды, во-вторых, недостаточная в условиях вечной мерзлоты надежность головного сооружения, обеспечивающего создание водоема-накопителя и забор из него водоводом воды. Второй недостаток обусловлен тем, что забор воды на большие расходы связан с выполнением входного оголовка, который практически всегда выполняют жестким из бетона, который к тому же при затвердевании выделяет тепло. Такой оголовок из-за оттаивания вечной мерзлоты часто недопустимо для жесткой конструкции деформирует.
При анализе существующей патентной и научно-технической литературы у авторов возникло затруднение при выборе прототипа, поэтому формула ниже предлагаемого изобретения составлена без разделения на ограничительную и отличительную части.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в экономии средств и повышении надежности при осуществлении способа. Достигаемый при этом технический результат заключается в уменьшении теплового воздействия на вечномерзлые горные породы водотока и твердеющего тела входного оголовка и в уменьшении жесткости последнего.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе защиты горной выработки от прорыва воды со стороны водотока в условиях вечной мерзлоты у дна потенциально опасного участка водотока в пределах его руслового талика прокладывают трубу, обеспечивающую пропуск, по меньшей мере, воды водотока в объеме начала холодного периода года. Трубу снабжают на одном конце входным раструбом, а на другом - выходным, покрывают теплоизоляционным слоем и устойчивым против размыва грунтом. Перед потенциально опасным участком водотока труба пересекает водосливной порог, который водонепроницаемо сопрягают с вечномерзлыми грунтами основания и с грунтами бортов и посредством которого обеспечивают подъем уровня воды перед входным раструбом трубы до заданного уровня. Водосливной порог и его борта выполняют из габионов, корзины которых выполнены из проволочной сетки и заполнены каменным материалом. Габионы связывают между собой проволокой и образуют из них цельную гибкую габионную конструкцию, которую снизу и с боков заключают в водонепроницаемую мембрану и теплоизоляционную оболочку и в которой из водонепроницаемой мембраны поперек водотока между габионами выполняют противофильтрационную диафрагму.
Дополнительно:
- участок трубы, расположенный между входным раструбом и водосливным порогом, и участок трубы, непосредственно примыкающий к выходному раструбу, снабжают перфорацией и обсыпают фильтрующим грунтом;
- водонепроницаемую мембрану выполняют из полимерной пленки, заключенной в геотекстиль, или из геомембраны;
- между водонепроницаемой мембраной и габионами располагают прокладку, выполненную из проволочной сетки, при этом выполняется условие:
яп
як
ω<ω,
яп
где ω - площадь ячейки проволочной сетки прокладки в свету;
як
ω - площадь ячейки проволочной сетки корзины габиона в свету;
- проволочная сетка прокладки выполнена или плетеной, или крученой, или тканой;
- сопряжение водосливного порога с грунтами основания и бортов осуществляют посредством заполненного связным грунтом зуба;
- в пределах зуба располагают изогнутые охлаждающие трубы сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ), посредством которых образуют водонепроницаемую мерзлотную завесу в основании порога и в его бортах.
Именно, прием и пропуск воды, движущейся по водотоку и его русловому талику в холодный период года, посредством трубы, выполненной по вышеуказанным правилам, обеспечивает в пределах опасного участка водотока уменьшение теплового воздействия на вечномерзлые горные породы и предотвращает образование наледи, препятствующей промерзанию руслового талика в холодный период года. Одновременно с этим выполнение водосливного порога и его бортов в виде цельной гибкой конструкции, заключенной в водонепроницаемую мембрану и теплоизоляционную оболочку, и выполнение из водонепроницаемой мембраны противофильтрационной диафрагмы уменьшает жесткость водосливного порога и его тепловое воздействие на мерзлые грунты. Все это экономит средства и повышает надежность защиты горной выработки от прорыва воды со стороны водотока.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
- на фиг.1 - разработка месторождения 1 полезного ископаемого, контуры которого показаны пунктиром, схематичный план;
- на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, продольный по оси водотока;
- на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг 2, поперечный по водотоку;
- на фиг.4 - разрез С-С на фиг.2, продольный по оси водосливного порога;
- на фиг.5 - узел I на фиг.2;
- на фиг.6 - типы проволочных сеток для прокладки по ГОСТ 2715-75: а - плетеная; б - крученая; в - тканая.
Пример. Разрабатываемое в условиях вечной мерзлоты месторождение 1 полезного ископаемого в плане пересекается водотоком 2. Гидрогеологической особенностью, установленной изысканиями, является то, что возле естественной поверхности 3 земли и ниже границы ее сезонного оттаивания 4 естественным путем образована водонепроницаемая мерзлая корки 5 с нечетко выраженной нижней границей 6. Эта мерзлая корка 5 в противофильтрационном отношении имеет особо высокое качество под русловым таликом 7 (фиг.3). Водоток 2 и его русловой талик 7 являются сезонно действующими - во второй половине холодного периода года поверхностный сток в водотоке 2 обычно прекращается, а русловой талик 7 перемерзает. Ниже мерзлой корки 5 мерзлые грунтовые породы изобилуют пустотелыми трещинами. По совокупности показателей (площадь, объем, концентрация рудного тела, затраты и др.) левобережная часть месторождения 1 определена к разработке первоочередной.
Защиту горных выработок: карьера 8 (первая очередь разработки) и штреков 9 (последующая очередь разработки) от прорыва воды со стороны водотока 2 осуществляют следующим образом.
Сначала устанавливают границу верхнюю 10 и нижнюю 11 опасного участка 12 водотока 2, со стороны которого возможен прорыв воды в карьер 8 и штреки 9, и положение нижней границы 13 руслового талика 7, образующегося в основании водотока 2 в теплый период года. Затем вдоль опасного участка 12 водотока 2, у его дна 14, внутри руслового талика 7 прокладывают трубу 15, обеспечивающую прием и пропуск грунтовой воды, движущейся по русловому талику 7, и воды поверхностного стока, движущейся по водотоку 2 в объеме, по меньшей мере, начала холодного периода года. Трубу 15 снабжают на одном конце входным раструбом 16, а на другом - выходным раструбом 17 и покрывают теплоизоляционным слоем 18 и устойчивым против размыва, например гравийным грунтом 19. Перед опасным участком 12 водотока 2 труба 15 пересекает водосливной порог (то же, входной оголовок) 20. Этот водосливной порог 20 водонепроницаемо сопрягают с вечномерзлыми грунтами мерзлой корки 5 и с грунтами бортов 21 (фиг.2 и 4), при этом посредством порога 20 обеспечивают подъем уровня воды перед входным раструбом 16 трубы 15 до заданного уровня 22.
Участок трубы 15, расположенный между входным раструбом 16 и водосливным порогом 20, и участок трубы 15, непосредственно примыкающий к выходному раструбу 17, снабжают перфорацией 23 и обсыпают фильтрующим грунтом 24 (фиг.2). Это позволяет сосредоточенно пропускать по теплоизолированной трубе 15 воду руслового талика 7.
Водосливной порог 20 и его борта 21 выполняют из коробчатых габионов (далее габионы) 25, корзины которых выполняют из проволочной сетки и заполняют каменным материалом. Габионы 25 имеют стандартные размеры (длина, ширина, высота), например, 2×1×1 м. Габионы 25 связывают между собой проволокой и образуют из них цельную гибкую габионную конструкцию, которую снизу и с боков заключают в водонепроницаемую мембрану (далее мембрана) 26 и теплоизоляционную оболочку 27 (фиг.5). Мембрану 26 выполняют из полимерной пленки, заключенной в геотекстиль, или из геомембраны, представляющей собой рулонный материал, изготовленный из полиэтилена и имеющий, в отличие от полимерной пленки, толщину до 3,0 мм. Геомембрана также может быть заключенной в геотекстиль. Теплоизоляционную оболочку 27 выполняют, например, из пенопористирола, пенополиуретана или пенофенолформальдегида [4]. Эти материалы, как и другой подобные теплоизоляционные материалы, представляют собой вспененную ячеистую пластмассу с герметически закрытыми порами. При этом из водонепроницаемой мембраны 26 между габионами 25 выполняют противофильтрационную диафрагму 28 (фиг.5).
яп
як
яп
як
яп
як
Между водонепроницаемой мембраной 26 и габионами 25 располагают прокладку 29, выполненную из проволочной сетки. Проволочная сетка прокладки 29 может быть плетеной, или крученой, или тканой (фиг.6), при этом выполняется условие: ω<ω, где ω - площадь ячейки 30 (фиг.6) проволочной сетки прокладки 29 в свету (фиг.4 и 5); ω - площадь ячейки проволочной сетки корзины габиона 25 в свету (на чертежах ячейки габионов не показаны). Более целесообразно, если 9 ω<ω.
В зависимости от местных условий теплоизоляционная оболочка 27 по отношению к мембране 26 может быть расположена с любой из ее двух сторон. Клинообразные полости, образующиеся между габионами 25 водосливного порога 20 и габионами 25 борта 21, заполняют по месту устойчивым против размыва материалом, который дополнительно защищают проволочной сеткой, аналогичной прокладке 29.
Сопряжение водосливного порога 20 с грунтами мерзлой корки 5 основания 31 и бортов 21 осуществляют посредством заполненного связным грунтом зуба 32, в пределах которого располагают изогнутые охлаждающие трубы 33 сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ) 34, посредством которых в холодный период года образуют водонепроницаемую мерзлотную завесу 35 в основании 31 водосливного порога 20 и в его бортах 21. Крепление водотока 2 за водосливным порогом 20 осуществляют габионами 36, имеющими размеры 2×1×0.5 м.
На чертежах дополнительными позициями обозначены: 37 - максимальный уровень воды в водотоке 2; 38 - дорога; 39 - решетка.
С наступлением холодного периода года (период отрицательных температур, который длится около восьми и более месяцев в году) вся грунтовая вода руслового талика 7 и вода поверхностного стока водотока 2, питаемого грунтовой водой бортов, в пределах опасного участка 12 сосредоточенно движется по теплоизолированной трубе 15. Это предотвращает тепловое воздействие водотока 2 на вечномерзлые горные породы, предотвращает образование наледи и не препятствует интенсивному и глубокому промерзанию горных пород под очищенным от снега руслом водотока 2 на его опасном участке 12.
В результате всего этого в холодный период года естественным путем в основании 31 русл а водотока 2 осуществляется увеличение толщины водонепроницаемой мерзлой корки 5 и понижение ее температуры. Это в целом повышает противофильтрационную надежность мерзлой корки 5 при прохождении в теплый период года по водотоку 2 поверхностного стока, превышающего пропускную способность трубы 15.
Выработки (карьер 8 и штреки 9) изменяют напряженное состояние горных пород, что особенно при природных и техногенных сотрясениях обуславливает раскрытие в породах существующих трещин и образование новых и опускание естественной поверхности земли в зоне разработки месторождения 1. Все это может привести к образованию трещин в мерзлой корке 5 под водотоком 2, которые характеризуются двумя особенностями. Во-первых, трещины в утолщенной и низкотемпературной мерзлой корке 5 обладают повышенным свойством самозалечивания за счет замерзания проникшей в них воды. Во-вторых, повышенное охлаждение горных пород обуславливает появление температурных растягивающих напряжений у поверхности земли. Это повышает вероятность образования трещин в горных породах в холодный период года и существенно уменьшает вероятность образование трещин в теплый период года, когда температурные растягивающие напряжения у поверхности земли изменяются на сжимающие напряжения [5].
Образование трещин в мерзлой корке 5 в холодный период не является опасным, поскольку проникновение воды в трещины происходит из промерзающего руслового талика 7 медленно и в дозированном естественным путем количестве. Это обеспечивает заполнение трещин так называемым повторно-жильным льдом, что увеличивает местами толщину мерзлой корки 5 до нескольких десятков метров и повышает ее прочность.
Вероятность образования опасных по величине раскрытия трещин в теплый период года может быть снижена до контролируемой величины за счет соответствующей технологии разработки месторождения.
В примере описан наиболее простой вариант осуществления способа. В настоящее изобретение могут быть внесены различные модификации и изменения без отхода от объема изобретения. Например, борта 21 водосливного порога 20 могут иметь вертикальный вид. В этом случае водосливной порог 20 сопрягают с водотоком 2 посредством выполненных из габионов открылков.
При осуществлении заявленного изобретения выполняются условия «промышленной применимости». Средства, воплощающие изобретение при его осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно при гидротехническом строительстве; подтверждена возможность осуществления изобретения с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств и методов; средства, воплощающие изобретение при его осуществлении, способны обеспечить получение указанного технического результата.
Обозначения
1 - месторождение полезного ископаемого
2 - водоток
3 - естественная поверхность земли
4 - граница сезонного оттаивания
5 - мерзлая корка
6 - нижняя граница мерзлой корки
7 - русловой талик
8 - карьер
9 - штреки
10 - верхняя граница опасного участка водотока
11 - нижняя граница
12 - опасный участок водотока
13 - нижняя граница руслового талика
14 - дно водотока
15 - труба водовод
16 - входной раструб
17 - выходной раструб
18 - теплоизоляционный слой трубы
19 - гравийный грунт
20 - водосливной порог то же: входной оголовок
21 - борт водосливного порога
22 - уровень воды
23 - перфорация трубы
24 - фильтрующий грунт фильтр
25 - габионы 2×1×1
26 - водонепроницаемая мембрана далее: мембрана
27 - теплоизоляционная оболочка
28 - противофильтрационная диафрагма
29 - прокладка
30 - ячейка прокладки
31 - основание водотока
32 - зуб
33 - охлаждающие трубы
34 - СОУ
35 - мерзлотная завеса
36 - габионы 2×1×0.5
37 - максимальный уровень воды в водотоке
38 - дорога
39 - решетка
Источники информации
1. Абрамов С.К., Газизов М.С., Костенко В.И. Защита карьеров от воды.- М.: Недра, 1976, с.9-26.
2. Гидротехнические сооружения: Учеб. для вузов: В 2 ч. Ч.2 / Л.Н.Рассказов, В.Г.Орехов, Ю.П.Правдивцев и др.; Под ред. Л.Н.Рассказова. - М.: Стройиздат, 1996.
3. Ягин В.П., Вайкум В.А. Опорная гидрогеологическая схема-гипотеза многолетней мерзлоты с учетом истории геокриологического развития территории и применительно гидротехнического строительства. Интеллектуальный продукт. 2007. Зарегистрирован ФГУП «ВНТИЦ» под номером 73200700080.
4. ГОСТ 16381-77. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. - М.: Издательство стандартов, 1992.
5. Цитович Н.А. Механика мерзлых грунтов. Учебн. пособие. - М.: Высш. школа, 1973. С.51-57.