СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ОТ ПРОРЫВА ВОДЫ СО СТОРОНЫ ВОДОТОКА В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
PROTECTION METHOD OF MINE OPENINGS AGAINST WATER INRUSH FROM SIDE OF WATER COURSE IN CONDITIONS OF PERMAFROST

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при извлечении полезных ископаемых под водотоками, а также вблизи них в условиях вечной мерзлоты.
Освоение обводненных месторождений полезных ископаемых связано с комплексом работ по их осушению, причем капитальные и эксплуатационные затраты на осушение достигают соответственно 20 и 15% от общей себестоимости сырья [1].
Вне зоны вечной мерзлоты в зависимости от местных условий применяются разные способы защиты горных объектов от поверхностных вод. При этом перехват стока и перенос русла водотока в обход защищаемого объекта является наиболее простым и распространенным способом [2]. Однако его осуществление часто связано с высокими затратами.
Известен способ, согласно которого перенос русла водотока осуществляют с экранированием его на новом месте, которым временно или постоянно может являться подработанная зона месторождения (А.с. СССР №1659652 и А.с. СССР №1719635).
Осуществление этого способа также 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 недостаточной надежности при разработке месторождения.
Известен способ, согласно которому пропуск воды осуществляют над зоной подработки посредством водоема-накопителя, расположенного вне зоны подработки, и телескопического водовода, установленного над зоной подработки на регулируемых по высоте опорах (А.с. СССР №1444522).
Недостатком этого способа является, прежде всего, большая трудоемкость возведения водовода при больших расходах воды.
Общим недостатком вышеуказанных способов является то, что они не исключают, а только ограничивают приток фильтрующей воды в выработку, что в условиях вечной мерзлоты, как это будет показано ниже, может проявиться, как прорыв воды из водотока или водоема-накопителя.
В районах распространения вечной мерзлоты при открытой разработке полезных ископаемых затраты на осушение могут быть малыми, а работы могут ограничиться, главным образом, только отводом от горного объекта поверхностного стока. При этом, если месторождение в плане пересекает водоток обычно сезонного действия, то может выполняться затратное руслоотводное сооружение, которое обычно состоит из водоподъемной плотины и водовода, выполненного в виде гидротехнического канала на относительно ровном месте [3, стр.210-230] или гидротехнического туннеля в горной местности [3, стр.248-265].
Недостатком такого руслоотводного сооружения на вечной мерзлоте является высокая стоимость при его выполнении и недостаточная надежность при разработке месторождения. Это объясняется тем, что врезки в вечную мерзлоту, с неизбежностью осуществляемые при выполнении руслоотводного сооружения, могут привести к нарушению верхней водонепроницаемой ледогрунтовой мерзлой корки (то же: 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 его морозобойные трещины и поры воды атмосферных осадков сверху и мигрирующей в зону промерзания воды снизу. Образование такой корки происходило практически повсеместно ниже границы сезонного оттаивания грунтов в пределах коры выветривания, а проникновение воды в плащ 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 [4]. Особо качественная мерзлая корка образовалась в условиях обилия влаги у подошвы таликов неглубоких водоемов и водотоков. Нарушение цельности мерзлой корки часто приводит к развитию интенсивной сосредоточенной фильтрации воды из водохранилища, наполненного канала или туннеля и, соответственно, аномально быстрому протаиванию мерзлых грунтов с образованием прорывов: Иреляхский гидроузел в Якутии [5], хвостохранилище Надеждинского металлургического завода в Норильске [6], хвостохранилище №8 в п.Айхал в Якутии и другие.
О степени проницаемости мерзлых пород под плащом можно судить, например, по исследованию, которое было проведено на Вилюйской ГЭС-3, где воздух с дымом закачивали в изыскательскую штольню, выполненную в борту реки (тот же борт карьера). При этом дым выходил через пустотелые скважины на расстоянии от 90 до 160 метров от источника задымления [7].
Наиболее близким аналогом по технической сущности является способ защиты горных выработок от прорыва воды со стороны водотока, согласно которому горные породы вокруг русла водотока 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 хладоагента [8].
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.
При анализе существующей патентной и научно-технической литературы не удалось обнаружить известное техническое решение с признаками, которые содержатся в названии объекта изобретения. 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 водотока на вечномерзлые горные породы.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе защиты горных выработок от прорыва воды со стороны водотока в условиях вечной мерзлоты сначала устанавливают границы опасного участка водотока, со стороны которого возможен прорыв воды в зону выработки и положение нижней границы руслового талика, образующегося в основании водотоком в теплый период года, после чего вдоль опасного участка водотока, внутри его руслового талика выполняют трубу, обеспечивающую прием и пропуск, по меньшей мере, грунтовой воды, движущейся по русловому талику в холодный период года. Трубу покрывают теплоизолирующим материалом и закрывают грунтом, а у верховой границы опасного участка водотока труба пересекает противофильтрационный элемент, который перекрывает русловой талик. Труба может обеспечить прием и пропуск грунтовой воды руслового талика и поверхностного стока водотока в объеме, который может быть в начале холодного периода года, а русло опасного участка водотока в холодный период года очищают от снега.
Именно прием и пропуск грунтовой воды, движущейся по русловому талику в холодный период года, посредством трубы, выполненной по вышеуказанным правилам, обеспечивают в пределах опасного участка водотока уменьшение теплового воздействия на вечномерзлые горные породы и предотвращают образование наледи, препятствующей промерзанию руслового талика в холодный период года. Все это повышает надежность защиты выработок от прорыва воды со стороны водотока в условиях вечной мерзлоты.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг.1 - разработка месторождения 1 полезного ископаемого, контуры которого показаны пунктиром, схематичный план; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б, продольный по русловому талику водотока; на фиг 4 - разрез С-С на фиг.3, поперечный по русловому талику водотока.
Пример. Разработке подлежит месторождение 1, которое в плане водотоком 2 разделено на части: левобережную 3, правобережную 4 и подрусловую (среднею) 5. Месторождение 1 и вмещающие его породы 6 выше нижней границы 7 вечной мерзлоты находятся в мерзлом состоянии, а ниже нижней границы 7 - в талом состоянии. Гидрогеологической особенностью, установленной изысканиями, является то, что возле естественной поверхности 8 земли и ниже границы сезонного оттаивания 9 грунта естественным путем образована водонепроницаемая мерзлая корка 10 с нечетко выраженной нижней границей 11 (фиг.4). Эта мерзлая корка 10 в противофильтрационном отношении имеет особо высокое качество под русловым таликом 12. При этом как водоток 2, так и его русловой талик 12 являются сезонно действующими, - в холодный период года поверхностный сток в водотоке 2 прекращается, а русловой талик 12 обычно во второй половине холодного периода года перемерзает. Ниже мерзлой корки 10 мерзлые грунтовые породы изобилуют пустотелыми трещинами. По совокупности показателей (площадь, объем, концентрация рудного тела, затраты и др.) левобережная часть 3 месторождения 1 определена к разработке первоочередной.
Разработку месторождения 1 и защиту горных выработок от прорыва воды со стороны водотока 2 осуществляют следующим образом.
1. Сначала устанавливают границу верхнюю 13 и нижнюю 14 опасного участка 15 водотока 2, со стороны которого возможен прорыв воды в зону горной выработки 16, и положение нижней границы 17 руслового талика 12, образующегося в основании водотока 2 в теплый период года. Вдоль опасного участка 15 водотока 2, внутри его руслового талика 12 выполняют трубу 18, обеспечивающую прием и пропуск грунтовой воды, движущейся по русловому талику 12, и воды поверхностного стока, движущейся по водотоку 2 в начальный момент холодного периода года. Снаружи трубу покрывают теплоизоляционным слоем 19 и закрывают грунтом, а у верховой границы 13 опасного участка 15 труба 18 пересекает противофильтрационный элемент 20, который перекрывает русловой талик 12.
За пределами опасного участка 15 водотока 2 труба 18 с верховой стороны снабжена водозаборным участком, а с низовой стороны - водосбросным участком. Водозаборный участок расположен перед противофильтрационным элементом 20 и выполнен в виде перфорированного участка трубы 18, расположенного в фильтрующем водосборнике 21, и входного раструба 22. Водосбросной участок выполнен в виде перфорированного участка трубы 18, расположенного в фильтрующем водоотводе 23, и выходного раструба 24. Перфорированные участки трубы 18 накрыты теплоизоляционным слоем 25.
Трубу 18 выполняют, например, из металла, а теплоизоляционные слои 19 и 25 - из пенополистирола.
2. Известными способами карьерными механизмами производят открытую разработку левобережной части 3 месторождения 1, находящейся в мерзлом состоянии. Разработку осуществляют уступами (слоями) 26 с образованием на бортах карьера (горной выработки) 27 берм предохранительных 28 и транспортных 29. При этом вытянутый борт 30 открывает широкий доступ сбоку к подрусловой части 5, следовательно, и к правобережной части 4 месторождения 1.
3. Продолжают разработку левобережной части 3, находящейся в талом состоянии, т.е. ниже нижней границы 7 вечной мерзлоты до дна 31 карьера 27. Одновременно с этим посредством выполняемых из карьера 27 штреков 32 производят разработку русловой части 5 и правобережной части 4 месторождения 1 ниже нижней границы 7 вечной мерзлоты. Штреки 32 выполняются по известным технологиям с целиками и обратной закладкой.
4. После полной разработки месторождения 1, находящегося в талом состоянии, посредством штреков 32 осуществляют разработку месторождения 1, находящегося в мерзлом состоянии на подрусловой части 5, а также на правобережной части 4. При этом штреки 32 располагают на безопасном от руслового талика 12 расстоянии, определяемом теплотехническими и статическими расчетами, и разрабатывают штреки 32 последовательно ярусами снизу вверх, что повышает безопасность работ.
На чертежах дополнительными позициями обозначены: 33 - максимальный уровень воды в водотоке 1, 34 - грунтовый целик, 35 - дорога, 36 - решетка.
Защита горных выработок 16 (карьер 27 и штреки 32), выполняемых при разработке месторождения 1, осуществляется следующим образом.
С наступлением холодного периода года (период отрицательных температур, который длится около восьми и более месяцев в году) вся грунтовая вода руслового талика 12 и вода поверхностного стока водотока 2, питаемого грунтовой водой бортов, в пределах опасного участка 15 сосредоточенно движется по теплоизолированной трубе 18. 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 15.
В результате всего этого в холодный период года естественным путем в основании русла водотока 2 осуществляется увеличение толщины водонепроницаемой мерзлой корки 10 и снижение ее температуры. Это в целом повышает противофильтрационную надежность мерзлой корки 10 при прохождении по водотоку 2 поверхностного стока в теплый период года.
Выработки 16 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 10 под водотоком 2, которые характеризуются двумя особенностями. Во-первых, трещины в утолщенной и низкотемпературной мерзлой корке 10 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 [9].
Образование трещин в мерзлой корке 10 в холодный период не является опасным, поскольку проникновение воды в трещины происходит из промерзающего руслового талика 12 медленно и в дозированном естественным путем количестве. Это обеспечивает заполнение трещин т.н. повторно-жильным льдом, что увеличивает толщину мерзлой корки 10 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.
Источники информации
1. Цыгельнюк Е.Ю., Рыжков А.Н., Кравцов А.В. Испытание тампонажной смеси ЛП на Коашвинском карьере Восточного рудника ОАО «Апатит» // Горный журнал, 2006. №1.
2. Абрамов С.К., Газизов М.С, Костенко В.И. Защита карьеров от воды. М., «Недра», 1976, с.9-26.
3. 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, 1999.
4. 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.
5. Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - М.: Энергоатомиздат, 1983. С.144-148.
6. Ягин В.П., Вайкум В.А., Поваренкин В.А., Давыдов И.А., Нейланд Н.Н. К вопросу размещения твердых водосодержащих отходов ТЭЦ и других производств // Гидротехническое строительство, 1998. №6.
7. Фрункин В.Н., Шерман М.М. О строительстве Вилюйской ГЭС-3 на многолетнемерзлом полускальном основании. // Гидротехническое строительство, 2003. №12.
8. Патент Российской Федерации №2059814, кл. E21C 41/16, опубл. 10.05.1996.
9. Цитович Н.А. Механика мерзлых грунтов. Учебн. пособие. М., «Высш. школа», 1973. С.51-57.
Обозначения
1 - месторождение (полезного ископаемого)
2 - водоток
3 - левобережная часть (месторождения)
4 - правобережная часть
5 - прирусловая (средняя)
6 - вмещающие породы
7 - нижняя граница (вечной мерзлоты)
8 - естественная поверхность
9 - граница сезонного оттаивания (грунтов)
10 - мерзлая корка
11 - нижняя граница (мерзлой корки)
12 - русловой талик
13 - верхняя граница (участка водотока)
14 - нижняя граница
15 - опасный участок (водотока)
16 - горная выработка
17 - нижняя граница (руслового талика)
18 - труба (водовод)
19 - теплоизоляционный слой
20 - противофильтрационный элемент
21 - фильтрующий водосборник
22 - входной раструб
23 - фильтрующий водоотвод
24 - выходной раструб
25 - теплоизоляционный слой
26 - уступ
27 - карьер (горная выработка)
28 - берма предохранительная
29 - берма транспортная
30 - вытянутый борт карьера
31 - дно (карьера)
32 - штрек
33 - максимальный уровень воды (в водотоке)
34 - грунтовый целик
35 - дорога
36 - решетка