CC BY
15
© А.Л. Фельдман, Л.С.Рыбникова, П.Д. Рыбников, 2012
УДК 622.012.2:556.3:51
А.П. Фельдман, П.С. Рыбникова, П.А. Рыбников
ГИДРОГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ РАБОТЫ ПРИ ОБОСНОВАНИИ ПРОХОДКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ВЫРАБОТОК В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ
Проведены работы по детальной оценке инженерно-геологических и гидрогеологических условий проходки «вспомогательного съезда» Молодежного подземного рудника. Основными условиями безопасной проходки и эксплуатации выработки являются снижение уровня подземных вод и реализация инженерных мероприятий, обеспечивающих устойчивость кровли горной выработки.
Ключевые слова: инженерно-геологические условия, дренажные мероприятия, подземные и поверхностные воды, экологическая безопасность, водообильная зона.
В последние годы снизился уровень гидрогеологической и инженерно-геологической обоснованности проектных решений в горном деле. В результате не обеспечивается ни должный уровень безопасности ведения горных работ, ни экологическая безопасность. Экономия на гидрогеологических и инженерно-геологических работах оборачивается серьезными экономическими издержками, срывом сроков горного строительства, угрожает безопасности горняков, вызывает серьезные экологические последствия.
Так, при строительстве подземного рудника на медно-колчеданном месторождении Молодежном, расположенном в Верхнеуральском районе Челябинской области (ОАО УГОК), при проходке восходящей части вспомогательного уклона в июле 2005 года на глубине 80 м подземной выработкой была вскрыта водообиль-ная зона. Расход воды, откачиваемой из зумпфа карьера Молодежный, увеличился более чем в два раза и составил 4 500—4 700 м3/сут. Проектом
доработки запасов месторождения подземным способом предусмотрено, что месторождение вскрывается из карьера автотранспортным уклоном, который является одновременно и вентиляционной выработкой, а также штольнями. Проектом не предусматривалось расширение дренажной сети и увеличение водопритока по сравнению с существовавшим в процессе отработки месторождения карьером.
Предполагалось, что инженерно-геологические условия проходки благоприятные. Однако проходка осложнялась низкой устойчивостью кровли выработки — наличие в коре выветривания крупных блоков известняков привело к вывалам и образованию купола в кровле выработки. Проходческие работы на вентиляционной выработке были остановлены. Тем не менее, шахта была введена в строй, а вентиляция осуществлялась по временной схеме.
Возникшие проблемы обусловили необходимость проведения в конце 2005-начале 2006 гг. комплекса буровых, геофизических и гидрогеоло-
гических работ, направленных на оценку инженерно-геологических и гидрогеологических условий проходки вспомогательного уклона в отметках 400—486 для решения следующих задач:
1) уточнение геологического разреза по трассе вспомогательного уклона;
2) оценка инженерно-геологических условий проходки выработки;
3) оценка гидрогеологических условий проходки, максимального во-допритока;
4) обоснование дебита водопо-нижения, мест заложения дренажнык скважин и режима их работы;
5) оценка влияния планируемы« дренажных мероприятий на подземные и поверхностные воды района.
Для уточнения геологического разреза было выполнено бурение четырех разведочных скважин с поинтерваль-ным отбором монолитов, две скважины в дальнейшем быгли переоборудованы как наблюдательные гидрогеологические (рис. 1). Для оценки инженерно-геологических условий были выполнены лабораторные испытания монолитов, что позволило определить основные инженерно-геологические характеристики горных пород, слагающих разрез по трассе выработки.
Кроме того, с привлечением сотрудников НИЦ «Стройгеосреда» и ИГД УрО РАН (проф. Дубей-ковский С.Г., с.н.с. Бодин В.В.), быт выполнен комплекс геофизических работ — сейсмотомография и сейсмопрофили-рование, направленных на определение ослабленных тектонических зон, расположенных по трассе выработки и интегральную инженерно-геологическую оценку условий проходки [3].
Обоснование дренажных мероприятий (мест заложения дренажных скважин, режима их работы) и прогноза возможного воздействия дре-
нажных мероприятий на подземные и поверхностные воды в районе Молодежного месторождения выполнено методами математического моделирования на локальной модели района месторождения. Региональная оценка воздействия дренажных мероприятий на подземную и поверхностную гидросферу выполнена на региональной математической модели водохозяйственного района рек Узельга, Ялшанка и Урляда (бассейн р. Урал).
Проведенные работы позволили достаточно детально оценить инженерно-геологические и гидрогеологические условия проходки «вспомогательного съезда» Молодежного подземного рудника.
Результаты буровых работ, а также имеющиеся данные о геологическом строении района позволили построить детальные гидрогеологические разрезы по трассе «вспомогательного уклона» и оценить существующие в настоящее время гидрогеологические условия. Установлено, что уровень подземных вод трещинно-карстового водоносного комплекса в районе подземной горной выработки залегает на глубинах 48—60 м. Избыггочныш напор при проходке восходящей части выработки будет составлять 15—30 м. Уровень воды в толще рыхлых отложений залегает выше, чем в тре-щинно-карстовом водоносном комплексе. В такой ситуации проходка как восходящей, так и нисходящей частей выработки будет осложнена наличием обводненных глинистых пород, характеризующихся медленным снижением уровня воды и пониженной устойчивостью.
Выполненный комплекс инженерно-геологических и геофизических работ, включающий в себя лабораторное испытание монолитов, сейсмопрофили-рование и сейсмотомографию, позволили сделать следующие выводы:
УСЛОВНЫЕ ОЬиЭМЧЕННК
Гцдрспмымгм'мнжма сннжины • &ут»ст1иаи*цц и* м©**иит аодоэмдон в 1ФТ?
щ гущвствуммщмв нвАгнадатвльньм . псроАуродошм ■ ф*врвла-алрш№ ЗНС г. для пип-пки имтмврод'гаагиугмчккмх И ГМДрОГвЧЬП-агтМЕМК условии проходим "мв клан на го съезда"
Рис. 1. Схематическая гидрогеологическая карта района Молодежного медноколчеданного месторождения и проекция «наклонного съезда» на дневную поверхность
Рис. 2. Схематические гидрогеологические разрезы
1. Изученный по трассе горной выработки массив горных пород характеризуется сложными инженерно-геологическими условиями, которые определяются:
• наличием в нижней части разреза сильно закарстованных, тектонически нарушенных, сильно обводненных известняков с суглинистым заполнителем;
• наличием в верхней части разреза специфических элювиальных обводненных грунтов, характеризующихся средней водоустойчивостью, со значениями угла внутреннего трения от 15 до 27°, участками обводненных.
2. На участках пересечения горными выработками установленных тектонических зон необходимо предусмотреть технологические решения, обеспечивающие опережающее крепление кровли горных выработок.
3. На период строительства и эксплуатации транспортных тоннелей необходимо выполнить работы по снижению уровня грунтовых вод.
Методами вариантного математического моделирования на локальной модели установлено, что оптимальным вариантом осушения трассы «вспомогательного уклона» является восстановление скважины 7В и оборудование дренажной скважины в районе разворота наклонного съезда. Суммарный дебит этих скважин 3000 м /сут обеспечит оперативное решение задачи осушения выработки. При этом уровень подземных вод водоносного комплекса за 6 месяцев снизится на 35 м до абсолютной отметки 405 м в районе разворота выработки, уровень подземных вод в покровных отложениях снизится на 40 м и будет залегать в отметках 423—420 м.
Также установлено, что при увеличении дебита работы дренажной системы скорость осушения коры выветривания останется такой же, как и при дебите 3000 м3/сут. Такая ситуация обусловлена тем, что в результате водоотбора уровень подземных вод в коре выветривания будет оторван от уровня в основном водоносном комплексе и покровные отложения будут дренироваться в режиме «дождевания», когда значение перетекания из коры выветривания определяется емкостными и фильтрационными
свойствами, а не дебитом водопо-нижения.
По химическому составу воды обеих дренажных скважин в этом случае будут удовлетворять питьевым нормативам, так как увеличения ресурсов, привлекаемых из шламо-отстойного и усреднительных прудов (являющихся основными загрязнителями воды), не произойдет. Содержания компонентов, в настоящее время превышающих питьевые нормативы (жесткость, минерализация и сульфаты), при реализации предлагаемых дренажных мероприятий снизятся примерно в два раза за счет перехвата стока, ранее поступавшего в зумпф карьера «Молодежный».
По результатам работ был сделан вывод о том, что основными условиями безопасной проходки и эксплуатации выработки являются снижение уровня подземных вод и реализация инженерных мероприятий, обеспечивающих устойчивость
кровли горной выработки.
Реализация этих рекомендаций не была выполнена, поскольку для этого привлекались организации, не имеющие опыта подобных работ. Попытка продолжить проходку без дренажа и опережающего крепления кровли горных выработок осенью 2006 года привела к аварии: прорыву водонасыщенной горной массы в выработку, оседанию земной поверхности, разрушению автомобильной дороги.
В дальнейшем была предпринята попытка осушить водонасыщенные глинистые породы с помощью установки вакуумного водопонижения, без запуска в эксплуатацию вертикального дренажа. Вакуумное вод-понижение не оказало существенного эффекта на осушение глинистых пород, так как их обводненность
связана с локальным напором в известняках. На попытки осушения вакуумным водопонижением было потрачено семь месяцев. За это время усугубилась проблема с устойчивостью кровли выработки, произошло несколько вывалов, приведших к травмам горняков, возникла вероятность разрушения железной дороги, прорыва кислых вод из усреднительных прудков. В резуль-
1. Мироненко В. А. Румынии В.Г. Проблемы гидрогеоэколгии. Монография в 3-х томах. - М.: Изд-во МГГУ, 1999.
2. Рыбникова Л.С., Фельдман А.Л., Рыбников П.А. Геоэкологические и экономические аспекты защиты гидросферы в районах ликвидируемы« рудников Урала//Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельным выпуск «Дальний Восток-2». 2009. — № ОВ5. -С. 316—329.
3. Фельдман А.Л., Рыбникова Л. С., Рыбников П.А., Дубейковский С.Г. Обоснование безопасного ведения горных работ и минимизации экологического ущерба при проходке и эксплуатации линейных вырабо-
тате выработка была введена в эксплуатацию только к концу 2008 года (что потребовало значительного объема работ по опережающему креплению кровли выработки и цементации), при проектном сроке 2006. До этого времени вентиляция Молодежного подземного рудника осуществлялась по временной схеме, автотранспорт двигался по уступам карьера.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ток в сложных гидрогеологических условиях: Материалы 1-го Уральского международного экологического конгресса «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов». - Екатеринбург: МАНЭБ, 2007. - С. 250—254.
4. Фельдман А.Л. Рыбникова Л.С., Рыбников П.А. Мониторинг подземных и поверхностных вод в горно-добывающих районах (на примере Урала)//Будущее гидрогеологии: современные тенденции и перспективы. - СПб.: СПбГУ, ВВМ, 2008. -С.295—304.
5. Шестаков В.М. Принципы геофи-зико-экологического мониторинга // Геоэкология, 1999. - №4. - С. 362—365. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Фельдман А.Л. — кандидат геолого-минералогических наук доцент, директор НПиПП «ПАНЭКС», г. Екатеринбург, [email protected]
Рыбникова Л. С. — кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург, [email protected]
Рыбников П.А. — кандидат геолого-минералогических наук, главный инженер НПиПП «ПАНЭКС», г Екатеринбург [email protected]
д
