Оценка надежности колодцев по откачке воды на примере буроугольного карьера Щерцув Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© Я. Маиула, А. Гонэт, 2003

"АК 622.524

Я. Маиула, А. Гонэт

ОЦЕНКА НААЕЖНОСТИ КОЛОАЦЕВ ПО ОТКАЧКЕ ВОАЫ НА ПРИМЕРЕ Б"РО"ГОЛЬНОГО КАРЬЕРА ШЕРЦ"В*

Введение

Работы, связанные с бурением колодцев большого диаметра для откачки воды на месторождении Щер-цув, были начаты в 1998 г. Однако в связи с уменьшением потребления электрической энергии в Польше и сменой энергетической политики государства в 1991 г. бурения и проводимые работы по водооткачке были прерваны. За это время уже было сооружено 103 колодца в районе планированной вскрышной горной выработки. И все они были закрыты до 2000 г., когда вновь было принято решение о продолжении приостановленных инвестиций. Поэтому появилась необходимость проверки их технического состояния и гидравлической эффективности.

Действующие колодцы подземных вод, так же как и закрытые, подвержены влиянию ряда процессов, вызывающих изменение проницаемости самого фильтра и прифильтровой зоны, что получило название «старения колодца». К наиболее важным факторам, влияющим на скорость протекания этого процесса, следует отнести:

• нарушение проницаемости прифильтровой зоны в процессе бурения колодца,

• вид и тип установленного в скважине фильтра,

• качество выполненной обсыпки,

• физико-химические свойства эксплуатированной воду,

• условия эксплуатации колодца,

• периодическую консервацию колодца.

Особую роль в быстром «старении колодца» играют химические процессы, связанные с коррозией конструкции колодца и выделением химических соединений из проплывающей воды [I].

2. Геологические и гидрогеологические условия, выступающие в районе месторождения Щерцув

Залежи бурого угля Щерцув расположены в тектонической впадине сечения Ш-Е, простирающейся на расстоянии около 8 км и шириной 1-2,5 км. Северная и южная границы впадины обозначают края сброса мезозойского основания. Указанная тектоническая впадина возникла в третичном периоде и заполнена отложениями неогена мощностью до 350 м. Эти отложения содержат пласты бурого угля. В пределах месторождения Щерцув выступают 3 водоносных комплекса: четвертичный,

третичный и мелово-юрский. Эти комплексы между собой находятся во взаимной гидравлической связи. Однако отличаются между собой литологичным

образованием, гидрогеологическими параметрами, мощностью и протяженностью. Четвертичный комплекс представлен песками, гравием, каменной россыпью и галькой, а мощность его колеблется от нескольких десятков до 150 м. Третичный комплекс в пределах тектонической впадины составляют пески, гравий, каменная россыпь, а также бурый уголь, непроницаемые глины и суглинки. Выделяется здесь серия надугольная, угольная и по-дугольная. Меловоюрский комплекс представляют известняки, мергели, песчаники, а также выступающие рядами каменная россыпь и песок [З].

Качество подземных вод задокументировано на основе результатов физико-химического анализа проб воды, отобранных во время пробных откачек и в процессе мониторинга изменения уровня подземных вод в районе планируемых вскрышных работ. Воды четвертичного уровня отличаются незначительно от вод третичного уровня. Третичные и четвертичные воды, в общем, были охарактеризованы как двухионные НСОз-Са, слабо минеральные, мягкие и средне твердые, основные. Воды мелово-юрского комплекса также охарактеризованы как двухионные НСОз-Са, и только в нескольких точках как четырехион-ные НСОз-С1-№-Са, средне твердые, пресные, основные. Качественные параметры вод выше указанных водоносных уровней представлены в табл. 1 [4].

Химическая кольматация фильтра и прифильтровой зоны вызвана главным образом химическими субстанциями, выпадающими из эксплуатируемой воды, такими как карбонаты, соединения железа и марганца, а также двуокиси кремния.

3. Конструкции колодцев по откачке воды В пределах месторождения «Щерцув» имеются различия в глубине залегания, мощности отдельных образований, а также их протяженности. Сооруженные водо-откачные колодцы по конструкции можно разделить на две основные группы: одно- и двухуровневые колодцы. Одноуровневые колодцы характеризуются тем, что имеют одиночные фильтрационные колонны, выведенные на поверхность местности, двухуровневые же имеют две или

Таблица 1

КАЧЕСТВЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОА В РАЙОНЕ МЕСТОРОЖАЕНИЯ ШЕРЦ"В.

Параметр Четвертичные воды Третичные воды Мезозойские воды

PH 7-8 7-8 7-8

Сухой остаток мг/дм3 200-300 200-300 200-300, макс.759

Кальций мг/дм3 30-80 40-80 60-75

Магний мг/дм3 6-9 6-15 до 10

Железо мг/дм3 до 60 до 54 до 2

Натрий мг/дм3 4-8, макс.20 до 10 2-10, макс. 208

Калий мг/дм 0,5-6 0,2-6 до 6

Марганец мг/дм3 6-9 ДО 1 0,6

Хлориды мг/дм До 20 до 20, макс. 150 до 200, макс. 310

Сульфаты мг/дм3 1-40,макс.135 4-65 10-20

Бикарбонаты мг/дм3 80-300 80-300 130-320

*Работа выполнена в рамках финансирования научных исследований в ДСИ по теме 11.11.190.01

три фильтрационные колонны. Третья фильтрационная колонна «потайная» устанавливается чаще всего в случае возникновения трудностей в добуривании двухуровнего колодца до планируемой глубины [З].

К настоящему времени на месторождении «Щерцув» сооружено 29 одноуровневых колодцев. Глубина их достигает 110-160 м, а диаметр установленных фильтров от

0,356 до 0,508 м. В этих колодцах установлены фильтры мостиковые, сеточные и гравийные. Двухуровневых же колодцев сооружено 74 и в 15 из них установлено по 3 фильтрационные колонны. В большинстве из них установлены фильтры диаметром 0,711 и 0,508 либо 0,406 м, а в аварийных случаях дополнительно диаметром 0,356 м.

4. Определение коэффициента гидравлической эффективности водооткачных колодцев

Величину депрессии (б) в колодце можно определить из уравнения Якоба (ЛакоЬа)

5 = ВО +СО2 (1)

где ВО - слагаемое, описывающее реальную депрессию, которая возникает в результате линейного сопротивления течения воды в водоносном слое; СО2 - слагаемое, описывающее гидравлический скачок, который вызван повышенной скоростью потока в прифильтровой зоне, сопротивлением течения через обсыпку и фильтр, а также сопротивлением течения в самом колодце; В - коэффициент сопротивления ламинарного течения в водоносном пласте; С - коэффициент, который является показателем технического состояния колодца с гидравлической стороны, и его величина зависит от степени совершенства колодца.

При проведении откачки в условиях нестационарной фильтрации течение подземных вод можно описать формулой логарифмического приближения ТЬе1Ба- ЛакоЬа (2). Эта формула описывает связь между снижением пьезометрического уровня (депрессия б), величиной О и временем О отбора воды из колодца.

0,1830 2,25Т

8 =---------^ 1В- ’

Т ~ т£ц (2)

Полная депрессия в колодце описывается формулой:

0,1830, 2,257У 2

* = -—-1^-4— + СО2

Т

(3)

гидравлической проницаемости слоя. Если для соответственно длительного периода времени (он должен охватывать полный логарифмический цикл) график б = (д Ь) приобретает прямолинейный характер, тогда из наклона прямой линии остается определить водопроводимость (7) которая равна:

и

Т = 018301^

*2 *1

I

(4)

и

В полном логарифмическом цикле, когда ід — = 1

Т =

0,1830

*2 *1

(5)

где О - постоянный расход колодца вовремя откачки [т3/Л]; - разность депрессии в двух точках

измерения, лежащих на прямой б = (д Ь); время

соответствующее измеренным величинам депрессии [б].

Коэффициент упругой емкости слоя Ц с достаточной для практических целей точностью выбираем из таблиц.

Найденная из графика величина (Т) позволяет определить после преобразования формулы (2) величину коэффициента С:

^ 8 0,183, 2,25Т

С = —--------------^—

2

(6)

где Т- гидравлическая проводимость слоя [т /б]; Ь - время откачки [б]; г - радиус колодца [т]; Ц - коэффициент упругой емкости слоя.

Преобразованная к такому виду формула ЛакоЬа позволяет по результатам пробной откачки определить такие величины как: ВО, СОО, В, С.

В случае определения гидрогеологических параметров в условиях нестационарного течения вычисление величин отдельных элементов можно проводить непосредственно в откачивающей скважине без дополнительных пьезометров. Откачка воды тогда имеет характер одноступенчатый, и измерения проводятся непосредственно в колодце.

Основанием для интерпретации результатов откачки служит определение зависимости депрессии от логарифма времени б = (д Ь), из которой можно определить величину Таблица 2

ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА С АЛЯ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ КОЛОАЦА

Найденный таким способом коэффициент С определяет техническое состояние колодца в соответствии с табл/ 2, в которой приведены предельные значения этого коэффициента [2, 4].

5. Оценка актуального технического состояния водо-откачных колодцев

Специфика водооткачных колодцев выполненных к настоящему времени на месторождении Щерцув состоит в том, что они небыли эксплуатированы непосредственно после их сооружения. Поэтому их актуальный стан нельзя определить только на основе опыта, добытого во время водооткачки других месторождений. Процессы кольматации и коррозии фильтров в не эксплуатированных колодцах протекают иначе чем в тех, которые эксплуатируются.

Для оценки технического состояния колон фильтрационных труб проведены измерения толщины их стенок в нескольких колодцах ниже статического зеркала воды. На основе полученных результатов установлено, что скорость коррозии не превышала допустимых 50 микрометров в год [4]. Скорость коррозии колон фильтрационных труб должна протекать иначе в колодцах, в которых активная поверхность фильтров выполнена из оцинкованной жести со штампованными мостиками. На основе аварий этого типа фильтров на карьере Белхатув можно предположить, что произойдут они также и в колодцах на карьере Щерцув после введения в действие водооткачки месторождения. Фильтры с активной поверхностью выполненной из

Техническое состояние колодца

Чистый Слабо загрязненный Средне загрязненный Сильно загрязненный Очень загрязненный

Значение коэффициента С [б2/ т5]

<2000 2000-4000 4000-8000 8000-15500 >15500

Таблица 3

РЕЗУЛЬТАТЫ OUEHKM ТЕХНИЧЕСШГО СОСТОЯНИЯ И ГИЛРABЛИЧECKOИ ЭФФEKГИBHOCТИ KOЛOЛUEB, OXBAЧEHHЫX ИCCЛEЛOBAHИEM

Квалификация колодцев Количество колодцев

Колодцы, отнесенные к 1 классу эффективности 27

Колодцы, отнесенные ко 2 классу эффективности 25

Колодцы, отнесенные к 3 классу эффективности 2

Колодцы, подлежащие реконструкции 2

Колодцы, подлежащие ликвидации 3

Таблица 4

СРЕЛНИИ XИMИЧECKИИ COCJAB ОТЛОЖЕНИИ, KOЛЬMAТИРУЮШИX ФИЛЬТР BOЛOOТKAЧHЫX KOЛOЛUEB.

оцинкованной жести со штампованными мостиками представляют собой гальванический элемент, в котором вследствие разности потенциалов 2п и Ре возникает электролитическое разрушение цинковой пленки и ускоренная коррозия жести и каркаса фильтра.

Повреждение конструкции колодца, вызванное коррозией, нельзя выявить в период, когда колодец не эксплуатируется, а можно только с началом его эксплуатации, когда появится депрессия и возрастет давление горной породы на стенках колон фильтрационных труб.

Чтобы установить пригодность обследованных колодцев к дальнейшей эксплуатации, в первую очередь выполнена очистка стенок фильтрационных колон с использованием механической щетки от внутренних ложений. После их выемки из колодца выполнена мывочная и контрольная откачка. Результаты ния в процессе контрольной откачки явились ем для определения коэффициента гидравлической эф-эффективности согласно процедуре представленной в

Обозначение Содержание [%j

S О 4,22±0,14

Si02 15,26±0,36

Na 0,0500

Mg 0,5776±0,0013

Са 10,67±0,15

Al 1,65±0,36

Си 0,8929±0,0036

Fe 15,38±0,30

Mn 0,0689±0,0001

P 0,1706±0,0010

Pb 0,0286±0,0003

Sr 0,0078±0,00004

Zn 0,2707±0,0004

Cr 0,0186±0,0003

пункте 4. В табл. 3 приведены результаты оценки технического состояния и гидравлической эффективности дооткачных колодцев, охваченных следованием.

На основе полученных результатов установлено, что из 59 обследованных колодцев только 46% относится только к первому классу, т.е. не требующих реновации. Среди всех колодцев 42,4% отнесено ко 2 классу, а 3,3% к третьему классу, и они подлежат реновации с целью удаления отложений, кольматирую-щих фильтр и прифильтровую зону. 3,3% колодцев подлежат реконструкции, а 5% -ликвидации. Среди вышеуказанных колодцев в 23 также обнаружено содержание хлоридов.

В процессе реализации вышеуказанных работ были также проведены исследования 12 проб отложений, кольматирующих фильтр водооткачных колодцев. В табл. 4 представлено среднее содержание определенных элементов в исследованных отложениях.

В исследованных отложениях, кольматирующих фильтр водооткачных колодцев, в большом количестве содержится, в основном, двуокись кремния, а также соединения железа, кальция и магния. Состав отложений необходимо принять во внимание при выборе метода реновации колодца и пьезометров.

6. Заключение

1. На основании результатов исследования технического состояния и гидравлической эффективности водооткачных колодцев можно сделать вывод, что процессы кольматации и коррозии фильтров протекают значительно медленнее, чем в эксплуатируемых скважинах на соседнем месторождении Белхатов. Это подтверждается большим числом колодцев с высокой гидравлической эффективностью и относительно небольшим числом колодцев, подлежащих реконструкции либо ликвидации. Измеренная в нескольких колодцах скорость коррозии колон фильтрационных труб ниже статического уровня воды не превышала допустимой величины (50 мкм/год).

2. Часть колодцев до ввода в эксплуатацию должна быть поддана процедуре реновации с целью поправки их гидравлических параметров. При выборе вида процедуры и технологии ее выполнения необходимо учесть конструкцию скважины, актуальное техническое состояние, тип фильтра и химический состав кольматирующих отложений.

СПИСО K ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гонэт А., Мацуда Я.: Гидрогеологическое бурение, Изд. AGH, Краков 1995 (на польском языке).

2. Kruseman G.P., Ridder N.A.: Analysis and Evaluation of Pumping Test Data. International Institute for Land Reclamation and Improvement.

Netherlands. 1991.

3. Мацуда Я.: Влияние некото-

рых технико-технологических факторов на показатели бурения скважин для откачки воды на месторождении Щерцув. Канд. дис. AGH. Краков 1990 (на польском языке).

4. Рокедог-Рго]екЬ Эр. г о.о.

Глубинная откачка воды. «Анализ и оценка колодцев по откачке воды в буроугольной шахте Бэлхатув». Вроцлав 2001 (на польском языке).

KOРOГKO ОБ ABГOРAX

Мацуда Ян - кандидат технических наук, Факультет бурения, нефти и газа Горно-металлургической академии в Кракове. Гонэт Анджей - профессор, доктор технических наук, Факультет бурения, нефти и газа Горно-металлургической академии в Кракове

«НЕДЕЛЯ Г0РНЯКЛ-2003» СЕМИНАР № 12

Файл: ГОНЕТ

Каталог: G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB8_03

Шаблон:

C:Шsers\Таня\AppData\RoammgYMlcmsoftYШаблоны\

Normal.dotm

Заголовок: Оценка надежности колодцев по откачке воды на

примере буроугольного карьера Щерцув

Содержание:

Автор: Гость

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания: 08.07.2003 13:54:00

Число сохранений: 4

Дата сохранения: 08.07.2003 14:01:00 Сохранил: Гитис Л.Х.

Полное время правки: 14 мин.

Дата печати: 09.11.2008 0:37:00

При последней печати страниц: 4

слов: 2 194 (прибл.)

знаков: 12 510 (прибл.)