9 Богомолов г. В. 257

ние разрабатывается с постоянным мощным водоотливом, в ре­зультате которого уровень подземных вод сильно снижается, так же как и водоприток за счет сработки статических запасов подзем­ных вод. В качестве примера можно привести одно из месторожде­ний на Северном Урале (рис. 125), на котором в результате дли­тельной откачки воды из глубоких горных выработок (свыше 300 м) образовалась депрессионная воронка глубиною более 50 м, над ко­торой река находится как бы в подвешенном состоянии.

Значительные водопритоки имеются на сланцевых рудниках в Эстонской ССР, где горные выработки в значительной мере обвод­няются за счет поступления вод из открытых водотоков через кар­стовые воронки. На Кричевском (БССР) меловом карьере 50% откачиваемой воды поступает из р. Сож.

Рис. 125. Депрессионные воронки под рекой при откачке из шахт:

/ — пески с галькой, 2 — пески, 3 — известняки, 4 — полезное ископаемое, 5 — разрушенные известняки

В целях предотвращения неожиданных прорывов воды в горные выработки в настоящее время рекомендуется проходку шахт на бо­лее глубокие горизонты производить только после тщательного изу­чения нижележащих водоносных горизонтов и бурения опережаю­щих скважин; проходку штреков в действующих рудниках осущест­влять при наличии опережающих из забоя трех-четырех скважин глубиной не менее 12—15 м каждая; не допускать сброса откачи­ваемых бод в зоне шахтного поля; искусственно уменьшать, инфиль­трацию из открытых водотоков и водоемов.

Месторождения, приуроченные к песчано-глинистым толщам. Для них характерна частая невыдержанность состава и мощности пород в вертикальном и горизонтальном направлениях и наличие глинистых пород и мелкозернистых песков, насыщенных водой. По­следние создают большие затруднения не только при проходке шахт,

258

но и при разработке полезного ископаемого и поэтому требуют спе­циальных мер борьбы с ними. К этому типу относятся месторож­дения бурых углей в Подмосковном и Днепровском бассейнах, Кур­ская Магнитная Аномалия, россыпные месторождения олова, золо­та, вольфрама, а также месторождения марганца, огнеупорных глин и др.

Притоки воды для этого типа месторождений в ряде районов колеблются от нескольких сот (Московский бассейн) до нескольких тысяч кубических метров в час (Яковлевское железорудное место­рождение в пределах КМА). В Подмосковном бассейне и некоторых районах КМА обводненность значительно увеличивается за счет по­ступления напорных подземных вод из нижележащих закарстован-ных толщ. По химическому составу подземные воды в большинстве случаев пресные, с сухим остатком 400—500 мг/л. В пределах неко­торых рудных районов КМА песчано-глинистые отложения палеозоя (девона) и мезозоя залегают на рудно-кристаллической толще до­кембрия, водоносность пород которой незначительна, и все водо-притоки в выработки определяются только подземными водами вы­шележащих отложений.

Месторождения в районах многолетней мерзлоты. В районах многолетней мерзлоты подземные воды на месторождениях полез­ных ископаемых могут быть вскрыты при проходке шахт- и горных выработок в межмерзлотных и подмерзлотных водоносных гори­зонтах.

По данным Д. И. Щеголева, в Восточном Забайкалье притоки воды на отдельных рудниках не превышают в среднем 4 м³/ч. При­токи воды заметно повышаются при расположении горных вырабо­ток недалеко от открытых водотоков и морей.

Скважиной на угольном месторождении о-ва Шпицберген под-мерзлотные воды с общей минерализацией 35 г/л были встречены на глубине около 200 м. Режимные наблюдения в скважине под­твердили связь этого горизонта с морем.

При разработке россыпных месторождений вблизи рек необхо­димо обращать внимание на наличие среди многолетней мерзлоты таликов, отепляющее действие которых охватывает иногда значи­тельные площади. В этом случае следует учитывать необходимость борьбы с притоками в горные выработки поверхностных вод.

В отношении затопления горных выработок могут быть опасны все участки, расположенные недалеко от морских побережий или берегов рек и озер. При воздействии на мерзлые грунты соленых вод породы 'не в состоянии предохранить горные выработки от про­рыва в них воды. Даже устройство различных бетонных и железо­бетонных перемычек не всегда дает положительные результаты ввиду слабого контакта конструкции с мерзлым грунтом. Самым на­дежным способом борьбы с водами в зонах распространения много­летней мерзлоты являются целики длиною 10—15 м у границы с напорными пресными или солеными водами. По данным С. В. Тро­янского, хорошие результаты дают перемычки из льда, устройство которых подробно описано в соответствующих руководствах.

9* 259

Нефтяные и газовые месторождения. По отношению к нефтега­зоносному пласту подземные воды, по И. О. Броду, подразделяются на подошвенные, законтурные и пластовые (рис. 126).

Знание контурных и подошвенных вод необходимо для установ­ления мощности нефтегазоносного пласта, оконтуривания и.под­счета его площади, запасов нефти или газа, а также для правиль­ной эксплуатации месторождения. А. И. Силин-Бекчурин указывает, что равномерное продвижение и давление контурных вод по всей площади нефтяного месторождения является фактором положитель­ным не только для его режима, но и для более полного изъятия неф­ти из пласта.

При форсированном отборе из скважин большого количества нефти контурная и подошвенная вода могут прорываться к эксплуа­тационной скважине и оттеснять нефть. В этом случае вместе с нефтью будет откачиваться из скважины часть воды, от которой в

Рис. 126. Типы подземных вод нефтя­ного месторождения:

/ — грунтовые воды в четвертичных отло­жениях, 2 — артезианские водоносные го­ризонты, 3 — водоупорные породы, 4 — за­лежи нефти, 5 — артезианский источник (разгрузки по сбросу напорной воды неф­тяного месторождения)

дальнейшем необходимо будет отделить нефть в специальных отстойниках. Неблагоприятные условия для получения нефти создаются при наличии языков контурной и подошвенной во­ды, вклинивающихся в нефтя­ную залежь. В этом случае нефтяное месторождение мо­жет быть обводнено или рас­членено на отдельные части и его эксплуатация окажется за­трудненной. Борьба с обводне­нием нефтяного пласта более сложная, чем при разработке твердых полезных ископае­мых.

Обводнение нефтяного мес­торождения может быть за счет нижних и верхних вод при плохой изоляции водоносных горизонтов обсадными трубами

и за счет подземных вод тектонических зон, пересекаемых нефтяны­ми скважинами.

Для борьбы с языками вод, вклинивающимися в нефтяное место­рождение, целесообразно применять откачки из специальных сква­жин, закладываемых в зоне водяного языка на некотором расстоя­нии от эксплуатационной скважины. В случае обводнения подошвен­ной водой рекомендуется недобуривать скважину до водно-нефтя­ного контакта, цементировать забой и избегать форсированного отбора большого количества нефти. Во избежание обводнения за счет контурной воды эксплуатационные скважины необходимо рас­полагать на расстоянии не менее радиуса влияния от контура нефть — вода.

260

ГЛАВНЕЙШИЕ СПОСОБЫ БОРЬБЫ С ОБВОДНЕНИЕМ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

В настоящее время добыча полезных ископаемых широко осу­ществляется как подземным, так и открытым способом. В зависи­мости от способов разработки месторождений применяются раз­личные способы их осушения.

Осушение карьеров. В СССР и зарубежных странах открытый способ разработки применяется при глубине карьеров до 450 м и более и площади в несколько квадратных километров. На Гости-щевском и Яковлевском железорудных месторождениях КМА на­мечено строительство открытых карьеров на глубину более 500 м.

Эксплуатационные карьеры, расположенные выше уровня под­земных вод, как правило, являются сухими и требуют в основном только защиты от поверхностного стока. Для этой цели вокруг карь­ера с его верховой стороны и на некотором удалении от него (25— 30 м) сооружается нагорная канава глубиною 1—1,5 м, по которой вода отводится за пределы карьера. Если в пределах карьера на­блюдается заболоченность, устраиваются дренажные канавы. В слу­чае наличия по соседству с карьером ручья или реки может возник­нуть вопрос об их отводе. Так, например, при проектировании карь­ера для добычи руд на Лебединском месторождении КМА выясни­лось, что в обводнении карьера значительную роль будет играть р. Осколец. Эту реку в дальнейшем намечено отвести за пределы карьера.

При углублении карьера ниже уровня подземных вод в него по­ступает вода. В зависимости от ее количества применяют различ­ные методы сбора воды на дне карьера (водосборники и дренаж­ные канавы) с последующей откачкой насосами. Если приток воды в карьер более 200—300 м³/ч, прибегают к искусственному пониже­нию уровня подземных вод с помощью специально устраиваемых скважин за контурами карьера. Иногда даже при меньших водопри-токах приходится прибегать к водопонижению для повышения ус­тойчивости бортов карьеров и отвалов и борьбы с плывунами. Сква­жины оборудуются вертикальными или погруженными центробеж­ными насосами производительностью 50—170 м³/ч.

При разработке открытым способом россыпных месторождений или строительных материалов, приуроченных к древним сильно об­водненным погребенным долинам, может применяться искусствен­ное понижение уровня подземных вод с помощью иглофильтров (рис. 127). Суть этого метода заключается в том, что по сторонам будущей траншеи или карьера прокладывается сборная труба (кол­лектор) диаметром 6—-8 дюймов, к которой герметически присоеди­няется система пробуренных или забитых в грунт скважин, обору­дованных в нижней части фильтром и расположенных друг от друга на расстоянии 15—25 м. Наиболее распространенный диаметр иг­лофильтров, применяемый в настоящее время в практике водопи-нижения, колеблется от 1,5 до 4 дюймов при величине их заглубле­ния от 10 до 12 м.

261

После монтажа иглофильтров открытый конец трубы коллектора наглухо присоединяется к насосу. В результате работы насоса и разрежения в трубе вода из иглофильтров поступает в коллектор и перекачивается за границы разработки Расстояние между кол­лекторами зависит от водопроводящих свойств грунтов и заданной величины понижения в траншее или карьере: для среднезернистых песков — около 100—150 м, для крупнозернистых — 200—250 м Та­кая установка может успешно работать при величине понижения уровня в скважинах (иглофильтрах) до 6—7 м ниже оси коллек­тора Для поддержания определенной величины понижения уровня подземных вод в иглофильтрах на выбрасывающей трубе от насоса

ставят вентиль, при помощи которого регулируется общий расход водопонижающей уста­новки.

Рис 127 Установка водопонижени i с применением иглофильтров

В благоприятных гидрогео­логических условиях (напоры нижних водоносных пластов меньше вышележащих) приме­няется спуск воды в послед­ние, если это не будет ухуд­шать условий разработки по­лезного ископаемого в нижних этажах Этот способ осушения нередко дешевле и эффектив­нее, чем другие.

На ряде объектов в СССР

и за рубежом при открытой и подземной разработке устраивают подземный водоотлив, суть которого заключается в следующем. Во­да из водопонижающих скважин спускается самотеком в водосбор­ную штольню, которая проходит ниже полезного ископаемого в водонепроницаемых породах. Вода из этой штольни направляется к водоотливной шахте, откуда она откачивается насосами на по­верхность Земли и отводится за пределы шахтного поля (рис. 128). Понижение уровня воды осуществляется не только при проход­ке шахт и подземных горных выработок, но и в процессе эксплуа­тации месторождения. При небольших притоках воды в шахту (1— 2 м³/ч) ее удаляют насосом небольшой производительности. Иногда при проходке применяется замораживание пород с устройством во­круг выработки специальных скважин, по которым нагнетается ра­створ хлористого кальция с температурой порядка —35°С (темпе­ратура замерзания этого раствора —38°С). В результате промора­живания пород вокруг шахты образуется водонепроницаемый цилиндр Для уменьшения проницаемости грунтов при проходке горных выработок применяются и другие разработанные в СССР методы: химическое закрепление, цементация, глинизация, битуми­низация и др.

Шахты в водонасыщенных породах часто проходят, применяя искусственное понижение уровня подземных вод в водоносном го-

2Ь2

ризонте путем заложения вокруг шахты буровых скважин на всю мощность водоносного пласта (рис. 129). В результате одновремен ной откачки воды мощными погруженными или вертикальными

Рис 128 Схема подземного водоотлива / — водоотводные каналы, 2 - водоспускные скважины

центробежными насосами из скважин уровень воды в шахте пони­жается и ее проходят без затруднений.

На сильно обводненных месторождениях устраивается специаль­ная водоотливная шахта, от которой проводятся дренажные штреки. Если в кровле или в подошве полезного иско­паемого залегает водоносный пласт или он отделяется от полезного иско­паемого недостаточно надежным водо-

Рис 129 Понижение уровня под­земных вод при проходке шахты

1 — водопонижающие скважины, 2 —

статический уровень воды, 3 — динами

ческии уровень

Рис 130. Забивные фильг-ры

упором, для предотвращения прорыва воды в горные выработки ее выпускают с помощью забивных фильтров, отводят в водосбор­ник и удаляют насосами на поверхность.

Забивные фильтры представляют собой железные перфорирован­ные труб^диаметром 1,5—2 дюйма (рис. 130), с величиной перфо­рации 2—5 мм и суммарной площадью отверстий до 10% от площа­ди поверхности трубы. При расстоянии между забивными фильтра-

263

ми 10—25 м, а в крупных песках — 50—75 м дебит из них в первые дни работы достигает 11—18 м³/ч, к концу первого месяца работы он сокращается до 0,4—0,90 м³/ч. В Подмосковном бассейне забив­ные фильтры, по данным С. В. Троянского, эффективно действуют в течение одного-полутора месяцев. Для ускорения осушения водо­носного пласта между забивными фильтрами сооружают аэрирую­щие скважины, которые давлением воздуха ускоряют поступление воды из пласта к забивному фильтру.

Если мощность водоносного пласта под полезным ископаемым более 15 м и пройти ее забивным фильтром из горной выработки затруднительно, с поверхности Земли устраивают сквозные фильтры со спуском воды из них в штрек. Диаметр таких скважин колеблется от 6 до 4,5 дюймов.

Напор подземных вод, залегающих в подошве полезного иско­паемого, снижают также специально пробуренными скважинами, вода из которых самоизливом поступает в штрек и отводится на­верх насосами. Для предохранения горизонтальных подземных вы­работок от внезапного затопления из забоя пробуриваются опере­жающие скважины длиной 10—15 м. Особенно хорошие результа­ты такие скважины дают при встрече трещин или карстовых пустот.

Для определения допустимого напора, при котором вода не про­рывается в горные выработки, можно пользоваться формулой В. Д.'Слесарева. Для подошвы выработки

Для кровли выработки

где Pup — критическое давление, при котором происходит разрыв защитного слоя, в т/м²; h — расчетная мощность водоупора в м; hi — мощность водонасыщенной несвязанной породы в кровле вы­работки выше защитного слоя в м; Кр — временное сопротивление горной породы на растяжение в т/м²; у — объемная масса водоупор­ной породы в т/м³; yi — объемная масса водоносной породы в т/м³.

ГлаваХ {

КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ ДЛЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ЦЕЛЕЙ

При осуществлении наземного и подземного строительства боль­шое значение имеют горные породы, на которых возводятся те или иные сооружения. Не зная физико-технических свойств пород, труд­но правильно обосновать конструктивную часть сооружения и его экономически выгодные строительные и эксплуатационные показа­тели. Так, занижение угла естественного откоса и допустимой на­грузки на грунт ведет к излишним затратам на устройство фунда­ментов и земляные работы по устройству котлованов, каналов и т. д. В настоящее время для различных практических целей исполь­зуется целый ряд классификаций горных пород, построенных на ос­новании одного или нескольких признаков. Например, для строи­тельных надобностей горные породы классифицируются по допусти­мым нагрузкам на грунт в килограммах на квадратный сантиметр и величине угла естественного откоса в градусах. Приближенные значения этих показателей (по Ф. П. Саваренскому) для некоторых типов пород даны в табл. 22.

В горном и геологоразведочном деле используется классифика­ция пород по степени их разрабатываемое™. Особый интерес пред­ставляет классификация пород, предложенная М. М. Протодьяко-новым, в основу которой положен коэффициент крепости породы при их разработке. Существуют и другие классификации пород, ос­нованные на принципе звукопроводности, газопроводимости, раз­личных фильтрационных свойств и т. д.

Ряд исследователей при разработке общих классификационных схем отражали в них в первую очередь генезис, отношение породы к воде, состав и поведение породы в сфере действия сооружения. Примером таких классификаций могут служить классификации Ф. П. Саваренского, И. В. Попова и В. А. Приклонского.

Согласно классификации Саваренского, все горные породы и грунты пoдpaздeляютcяJкulJштjJJГjgyпrп_cкaльныe (компактные), по­лускальные, мягкие или связные, рыхлые несвязные, мягкие и рыхлые породы особого класса.

В основу классификации И. В. Попова положен широкий геоло­гический принцип, учитывающий генезис и состав пород. В. А. При-

265

ТАБЛИЦА 22

клонский при разработке классифи.лцпп учитывал генезис горных пород.

Существуют и другие инженерно-геологические классификации грунтов, предложенные рядом ученых СССР и зарубежных стран. Интересующихся этим вопросом отсылаем к специальной литера­туре.