Осушение карьерных полей и карьеров

ПРОЦЕССЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ

Различают два вида осушения месторождения: предварительное и текущее. Предварительное осушение производят до начала разработки. Оно предназначено для понижения уровня подземных вод и осушения участков, подлежащих разработке в первую очередь. Текущее осушение производят одновременно с разработкой месторождения.

Применяют поверхностный, подземный и комбинированный способы осушения.

Поверхностный способ применяют в случаях, когда водоносные горизонты и горизонт грунтовых вод находятся на небольшой (80-100 м) глубине в породах с хорошей водоотдачей. Реализация способа осуществляется, бурением и обустройством вертикальных и горизонтальных водопонижающих и водопоглащающих скважин, иглофильтровых установок и опережающих поверхностных траншей.

Водопонижающие скважины диаметром 200-800 мм проводят для снижения уровня (напора) в водоносных горизонтах, залегающих на глубинах 25 - 500 м, мощностью свыше 10 м, с коэффициентом фильтрации более 1 м/сут. Их бурят до подошвы водоносного горизонта, при пересечении водоносных горизонтов оборудуют фильтрами или перфорированными трубами (в трещиноватых породах) и оснащают погружными насосами.

Водопоглащающие скважины сооружают для перепуска воды из верхних горизонтов с низкими фильтрационными свойствами в нижние с более высокими фльтрационными свойствами, когда величина напора воды в нижних горизонтах ниже напора на уровне залегания толщи разрабатываемого полезного ископаемого. Разность уровней в дренируемом и поглощаемом горизонтах, обычно поддерживается водопонижающими скважинами.

Горизонтальные дренажные скважины (диаметром 50 – 300 мм и длиной 50 – 100 м) сооружают для самотечного осушения уступов рабочего и нерабочих бортов карьеров в песчаных породах. (Осушительный эффект горизонтальных скважин выше чем вертикальных, при расстоянии между дренами равным их длине коэффициент «заслона» составляет более 90%.)

Опережающие траншеи (канавы) сооружают для снижения уровня воды в маломощных (до 10 м) и неглубоко (до 15 м) залегающих водоносных горизонтов, проводимых при помощи специальных траншейных экскаваторов. Откачка воды из траншей производится центробежными низконапорными насосами, а при благоприятном рельефе местности удаляется самотеком. Иглофильтровые установки применяют для временного и локального понижения уровня подземных вод в песчаных и песчаноглинистых породах с коэффициентом фильтрации 0,2-0,3 м/сут. (Коэф. фильтрации (по Дарси) – скорость фильтрации воды при напорном градиенте, равном единице).

Иглофильтровальные установка состоит из иглофильтра (1), коллектора (2) и насосного агрегата (3), Рис. 10.1, а). Иглофильтр (Рис. 3.1, б) представляет собой колону труб оканчивающихся фильтровым звеном с режущим наконечником. Фильтровое звено иглофильтра (длиной около 1 м) состоит из двух труб: наружной (целиком перфорированной, с проволочной обмоткой и латунной сеткой) и внутренней (с отверстиями и плавающим шариковым клапаном на нижнем конце либо как в эжекторе – насадкой и соплом). При создании насосным агрегатом вакуума в иглофильтре клапан перекрывает нижнее отверстие внутренней трубы и вода поступает только через фильтр наружной трубы. Различают иглофильтры передвижные и легкие, отличающиеся только числом фильтров и производительностью. По расположению в плане различают однолинейные, двухлинейные и кольцевые, в разрезе – одноярусные (на одном уступе), двухярусные (на двух уступах).

Основной недостаток иглофильтровальных установок. малая высота подъема воды (6-8 м, 6 м для легких иглофильтров).

Текущее осушение осушествляется в вариантах опткрытого вододотлива (рис 10.2) и подземноговдоотлива(рис 10.3)

При глубоком залегании водоносных горизонтов применяют подземный способ осушения с использованием сети подземных дренажных штреков, сквозных фильтров, водопонижающих колодцев, опережающих выработок, восстающих, горизонтальных и наклонных скважин, пробуренных из дренажных горных выработок.

Дренажные штреки проводят по кровле или почве полезного ископаемого, реже по пустым породам. Дренажные штреки сообщаются с поверхностью через штольни или стволы (Рис. 10.3.).

Дренаж воды в подземные выработки осуществляется через естественные трещины и тектонические нарушения, а при наличии водоупорных пород (мощностью более 2-3 м) в кровле или почве пласта с помощью дренажных скважин различного назначения и направленности. Например, для дренирования воды в штреки из вышележащих водоносных горизонтов при наличии водоупоров используют сквозные фильтры, представляющие собой скважины диаметром 100-500 мм, пробуренные в кровлю штрека с поверхности, или из самой выработки и обсаженные трубами с фильтрами в интервалах водоносных горизонтов. Применяют для дренажа водоносных горизонтов мощностью более 15 м, залегающих над полезным ископаемым на расстоянии свыше 30 м. Восстающие скважины (ø 50-125 мм), проводят из подземных выработок и оборудуют фильтром в интервале водоносных горизонтов. Их применяют для дренажа водоносных горизонтов залегающих на расстоянии 2-30 м от кровли выработки.

Для дренажа воды из водоносных горизонтов, расположенных ниже дренажной выработки проходят водопонижающие колодцы или бурят нисходящие водопонижающие скважины. Водопонижающие колодцы – вертикальные горные выработки закладывают на пониженных участках почвы выработок. Откачка воды из них осуществляется центробежными насосами. Опережающие скважины (ø 70-200 мм) проводят из подземных выработок в направлении обводнённых участков, содержащих напорные воды в целях предотвращения внезапных прорывов воды в забой выработки при её проведении.

Для повышения эффективности дренажных устройств и увеличения темпов осушения месторождений используют: гидравлический разрыв пород, торпедирование скважин, в карбонатных породах - кислотную обработку скважин, в песчаных породах – вакуумирование скважин, нагнетание в водоносный горизонт воздуха, электроосмос (дренажная скважина – катод, а специальные трубы между ними – анод) и пр.

Основные достоинства подземного дренажа:

- высокая степень централизации водотлива;

- возможность использования как в хорошо проницаемых, так и сравнительно слабо проницаемых породах (с коэффициентом фильтраци k= 1-5 м/сут);

- простая организация внутрикарьерного водоотлива; относительно низкая стоимость эксплуатации.

Основные недостатки:

- большие технические трудности проведения подземных выработок в сложных гидрогеологических условиях (требуется большое число водопонижающих скважин для предварительного снижения напоров воды при проведении выработок);

- большая продолжительность строительства (годы), (поэтому в период строительства и первых этапах эксплуатации карьера чаще всего используется системы водопонижающих скважин и средства открытого водоотива).

Преимущества систем поверхностного осушения водопонижающими скважинами (оборудованных погружными насосами):

- техническая простота исполнения;

- относительно малые первоначальные капитальные затраты;

- относительно быстрый ввод в эксплуатацию;

- высокая оперативность реагирования на изменение условий дренирования месторождения.

Недостатки систем поверхностного осушения с использованием водопонижающих скважин:

- малая эффективность в слабопроницаемых породах (при коэф. фильтрации k<5 м/сут в несвязанных породах и менее 1 м/сут в трещиноватых);

- необходимость откачки воды большим числом самостоятельных водоотливных установок;

- большие эксплуатационные затраты связанные с обслуживанием большого числа насосов, часто выходящих из строя;

- трудность централизованного водоотвода.

Комбинированное водоосушение является комбинацией способов поверхностного подземного дренажа воды.

Общим недостатком всех схем осушения карьерных полей является:

- высокие затраты на выполнение дренажных работ (на месторождениях со сложными гидрогеологическими условиями - до 15-20% от общих вложений на строительство и эксплуатацию карьера;

- нарушение гидравлических и гидрохимических режимов подземных и поверхностных вод в районе открытых разработок при длительном дренаже Проявляющихся в снижение уровня подземных вод в радиусе нескольких десятков км, появлении депрессионных воронок, истощение водных ресурсов, загрязнение поверхностных водотоков и водоемов карьерными водами;

- нарушению природного ландшафта на огромных территориях, и т.д.

Эффективность того или иного вида дренажа на карьерах осуществляется соответствующими гидрогеологическими расчетами, а окончательный выбор способа производится на основе технико-экономического сравнения нескольких вариантов.

Барраж. Барраж – способ защиты карьеров от подземных вод путем полного или частичного ограждения горных выработок с помощью водонепроницаемых устройств.

При барраже уровень подземных вод в пределах водонепроницаемых устройств снижается за счет водоотлива или дренажа, за их пределами он остается близким к естественному или несколько повышается за счет подпора.

Барраж обеспечивает охрану ресурсов подземных вод, снижает эксплуатационные расходы на осушение – откачку статических запасов воды в пределах контура защищенного участка.

Барраж осуществляется с помощью инфузионных, инъекционных, криогенных и шпунтовых барражных устройств (занавесей).

Инфузионные (заливные, засыпные) устройства представляют собой узкие вертикальные выработки (щели или траншеи), пройденные спецмашинами, траншеекопателями, экскаваторами до водоупорной подошвы обводненных пород (песчаники, гравелистые породы, галечники) и заполненных глиной, глиноцементным раствором, рулонным синтетическим материалом и т.п. Применяют при небольшой (до 50 м) глубине залегания водоупоров выдержанных (в плане и разрезах) водоносных горизонтах и слабой проницаемости разрабатываемых пород.

Инъекционные (нагнетательные) устройства сооружаются путем цементации, глинизации, силикатизации и смолизации пород через нагнетательные скважины (требуют меньшего расхода тампонажного материала и применяется на глубинах до нескольких сотен м.).

Криогенные (ледопородные) создаются путем искусственного понижения температуры пород и замораживании содержащейся в ней воды.

Шпунтовые устройства сооружаются путем забивки металлических, бетонных и др. свай в печано-глинистые породы (без крупных включений крепких пород) при небольших глубине залегания и толщине водоносных пород.

По схеме расположения в плане барражные устройства подразделяются на линейные, контурные, замкнутые и незамкнутые; по схеме расположения в разрезе – на совершенные (см рис.) заглубленные на 0,5-1,0 м в водоупор и несовершенные – не доходящие до водоупора (применяются в скальных породах с затухающей вглубь трещиноватостью).

10.2. ПРОВЕТРИВАНИЕ КАРЬЕРОВ

Проветривание карьера – устойчивое поддержание во всех действующих горных выработках атмосферы в состоянии надлежащей чистоты по составу и соответствующего теплового комфорта.

Проветривание карьеров осуществляется, как правило, естественным путем, реже – принудительно.

Естественное проветривание осуществляется за счет действия естественных вентиляционных сил ветра и тепла в процессе которого происходит вынос вредных примесей из карьера и поступления в него свежего воздуха.

В зависимости от того, самостоятельно или совокупно действуют в карьере эти силы, различают четыре аэродинамические схемы: - конвективную, инверсионную, прямоточную и рецеркуляционную.

Конвекционная схема (рис. 10.5) – обмен воздуха в карьере происходит за счет восходящих потоков воздуха, возникающих за счет притока тепла, например, за счет окислительных процессов. Скорость потока воздуха на бортах карьера возрастает в направлении снизу вверх. При глубине карьера до 100-120 м у верхней кромки карьера обычно не превышает 1,5 м. Схема мало эффективна.

Инверсионная схема (рис. 10.6) – возникает при восходящем потоке более теплого воздуха по площади карьера и заполнении карьера более холодным воздухом, стекающим по его бортам от верхнего контура к подошве. Схема наиболее неблагоприятна, так как при ней происходит накопление вредных примесей, а их вынос начинает происходить лишь после полного заполнения карьера холодным воздухом.

Прямоточная схема (рис.10.7) – проветривание осуществляется турбулентной струей первого рода. Схема возникает при скорости ветра 1 м/с и более в карьерах с углами откоса подветренного борта менее 0,26 рад. (15⁰) при равном опережении уступов этого борта. Деформации скоростного поля внутри потока ограничивается линией ОАК на которой горизонтальная составляющая скорости V максимальна и равна V₀. Скорость воздуха в зоне карьера (в объеме ОКСО) изменяется по косинусоиде от V=0.725V₀ на линии ОК до 0 у поверхности уступов подветренного борта.

Рециркуляционная схема проветривания (Рис. 10.8) – проветривание осуществляется турбулентными струями первого и второго рода, создаваемыми ветровыми потоками. По этой схеме в карьере имеются две зоны с различным характером движения воздуха в них – зона сопутног и обратного потока.

Схема возникает при скорости ветра равной и более 1 м/с в карьере с углами откосов подветренного борта более 0,28 рад (15⁰), или с углами откоса равным или менее 0,28 рад (15⁰) при различном опережении уступов относительно друг друга. Для этой схемы характерным является наличие зоны непрерывной рецеркуляции части воздушного потока по замкнутому контуру, что может являться причиной общего загрязнения атмосферы в этой зоне.

Принудительное проветривание п рименяется при загрязнении небольших объемов внутрикарьерного пространства (экскаваторные забои, перегрузочные пункты, места взрывных работ и т.п.) или карьера в целом. Для принудительного проветривания используют вентиляторы с трубопроводами и специальные карьерные вентиляторные передвижные установки.

Общеобменная принудительная вентиляция применяется при больших зонах загрязнения в карьерах или при загрязнении карьера в целом. Для её осуществления используют мощные вентиляционные установки на базе винтовых и турбовинтовых и турбореактивных авиационных двигателей (АИ-20КВ, НК-12КВ, УВУ-1) на ж.д., автомобильном или гусеничном шасси, а также конвекционные тепловые установки (УТ-ЛФИ-2, УКПК-1). (А – агрегат; И – изотермический, У – увлажнительная, Н – низкотермическая). /В конвекционных установках используют жидкое или газообразное топливо. Работают с горелками в цилиндрическом корпусе или пустотелой ферме./

Характеристики В.у. имеют широкий диапазон значений: - начальный расход воздуха от 125 до 3770 м/с; - мощность от 220 до 80000 кВт; -дальнобойность струи до 1300м; - расход воздуха в конце активного участка струи до 80000 м³/с; - часовой расход топлива до 7900 кг; - электрическая мощность до 1000 – 1200 кВт.

Эффективное проветривание рабочих зон крупных карьеров возможно при использовании систем вентиляции, состоящих из нескольких мощных вентиляторов, расположенных в карьерном пространстве с учетом конфигурации карьера и рельефа окружающей местности

10.4. БОРЬБА С ПЫЛЬЮ

( Локальные методы профилактики загрязнений воздушной среды на рабочих местах. Пылеподавление на автодорогах, погрузке горной массы, буровых работах, взрывных работах, на отвалах и прилегающей к карьеру поверхности )

Локальное подавление и улавливание вредных примесей в местах их выделения является наиболее кардинальным решением проблемы нормализации атмосферы в карьерах.

Пылеподавление на автодорогах. Для борьбы с выделением пыли на полотно карьерных автодорог рекомендуется использовать: усовершенствование их покрытий (железобетонные плиты, асфальт, щебеночное покрытие); периодическое увлажнение их поверхности; обработку полотна дорог различными вяжущими материалами и др.

Увлажнение автодорог осуществляется поливочными машинами. ПМ-130 (на базе автомобиля ЗИЛ-130), а также поливочные машины на базе автомашин КрАЗ-256 и БелАЗ-540.

Число машин N _п.м для поливки автодорог рассчитывается по формуле:

где k - коэффициент резерва поливочных машин, равный 1,15-1,25; L _к.д - протяженность карьерных автодорог, находящихся в эксплуатации, км; b - средняя поливочная ширина дороги, м; - n _об - частота поливок дороги в час; g - удельный расход воды на поливку, м³/(м²/ч); Q _п - производительность поливочной машины, м³/ч.

Повышение эффективности пылеподавления на карьерных автодорогах обеспечивается применением и различных вяжущих материалов. При положительных температурах используются универсин, лигносульфонаты, полиакриламид и их комбинации. При отрицательных температурах для сохранения пылеподавляющего эффекта в составы растворов вводятся хлориды (СаС1₂, NaCl, MgCl).

Применение хлористого кальция при удельном расходе 0,6 кг/ м² позволяет в течение 15÷25 дней существенно снизить пылеобразование на карьерных дорогах. Разработаны составы для закрепления пылящих поверхностей на основе лигносульфонатов (ЛСТ), полиакриламида (ПАА) и хлоридов. Эти составы позволяют получить покрытия, стойкие к выщелачиванию водой и трещинообразованию от перемены температуры, ветровых нагрузок и солнечной радиации. Хлористые соли обеспечивают высокую морозостойкость растворов.

На карьерных автодорогах рекомендуется водный раствор состава: ЛСТ - до 10%; ПАА - до 0,5%,

При закреплении бортов карьеров и около карьерной территории рекомендуется водный раствор состава: ЛСТ - 5,0 %; ПАА - 0,2 %.

Применение рекомендуемых составов позволяет снизить запыленность воздуха до санитарных норм на автодорогах от 12 до 18 суток, на бортах и около карьерной территории от 75 до 90 суток.I Пылеподавление на погрузке горной массы. Основным способом

борьбы с пылью на выемочно-погрузочных работах является предварительное увлажнение взорванной горной массы

Для увлажнения используются гидро-мониторно-насосные установки в комплексе гидропоезда или специальной поливочной машины.

Расход воды на орошение одного забоя (т) можно определить по формуле

, т

где q _в- удельный расход воды, т/т (определяется экспериментально для каждых условий); q _n - производительность поливочной машины, т/ч; Т - время между орошениями, ч.

Пылеподавление на буровых работах. Достигается применением при бурении скважин систем воздушно-водяной продувки. Смесь воды с воздухом готовится в специальных смесителях или вертлюгах станков, подается в буровой став и выбрасывается из продувочных отверстий долота на забой скважины. Смоченная буровая мелочь и захваченная водяными каплями пыль в виде шлама отбрасывается от устья скважины вентилятором.

Способ пылеподавления воздушно-водяной смесью используется на станках СБШ-200,2СБШ-200,2СБШ-200Н, СБШ-250МН, СБШ-320и др.

Для повышения смачивающих свойств воды используется добавка поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые снижают поверхностное натяжение воды, улучшают ее смачивающую способность и диспергирование.

Пылеподавление на взрывных работах. Снижение запыленности воздуха в карьерах при массовых взрывах прежде всего достигается гидрообеспыливанием.

При гидрообеспыливащщ используют водяную забойку. Водяная забойка может быть внешней, внутренней и комбинированной. Внешняя забойка располагается непосредственно около устьев скважин. Она может иметь несколько емкостей над одной скважиной или одну емкость, располагаемую над рядом скважин. Наиболее приемлемым гидроизолирующим материалом для емкостей является полиэтилен. Внешняя водяная забойка представляет собой полиэтиленовый рукав диаметром 0,93 м и более, который укладывается вдоль рядов скважин на длину, определяемую состоянием поверхности уступа и контуром взрывных скважин, и заполняется водой из поливочной машины. При заполнении рукавов высота слоя воды составляет около 0,2 м.

Внутренняя водяная забойка осуществляется с применением полиэтиленового рукава, который опускается в скважину и заполняется водой из поливочной машины. Полиэтиленовый рукав помещают в скважине непосредственно над зарядом ВВ.

Пылеподавление на отвалах. Рекомендуется связывать пыль на поверхностях отвалов химическими закрепителями. Медленнораспадающаяся 60%-ная битумная эмульсия на сульфитно-спиртовом эмульгаторе, разбавляется до 20%-ной на месте производства работ и наносится на поверхность уступов гидромонитором оросительной машины на базе автосамосвала КРАЗ-222, используемой в карьерах для орошения экскаваторных забоев. Расход битумной эмульсии составляет 30_л/м².

После нанесения эмульсии на поверхность уступа образуется тонкая планка, препятствующая взметыванию пыли.

Для пылеподавления на прилегающей к карьеру территории применяют увлажнение, химическое закрепление, биологический способ и их комбинации.

Целесообразно использование таких закрепителей как водные растворы пол иакрил амида и его комбинации с лигносульфанатами. Максимальная прочность корки на продавливание была получена при закреплении 0,2%-ным раствором полиакриламида при расходе 6-8 л/м².

Наиболее перспективным способом предотвращения эрозии прилегающих к карьерам площадей является применение биологического способа, т.е. создание насаждений.

Дата добавления: 2014-01-07