Глубокий дренаж

Глубокий дренаж (глубокое водопонижение) применяют для снятия напора водоносного горизонта, залегающего в почве пласта полезного ископаемого, и для осушения как этого пласта, так и вышележащих водоносных горизонтов. Для проведения водопонижения необходимо пробурить на участке поля карьера группу водопонижающих скважин, оборудовать их в неустойчивых водоносных породах фильтрами, установить в каждой скважине насос с двигателем для откачки воды, подключив каждый к системе автоматического регулирования, и проложить водоотводные трубы.

Бурение скважин для водопонижения

Начальный диаметр водопонижающих скважин обычно принимают равным 250–500 мм, конечный — 200–400 мм. Чтобы не изменить водопроницаемость горных пород и получить максимально возможный дебит, не допуская его уменьшения, скважины проходят станками ударно-канатного бурения. Рекомендуется применять высокопроизводительные легкие станки роторного бурения, а также комбинированную установку ударно-вращательного бурения АБС-1.

Для проходки скважин большого диаметра в мягких породах широко применяется беструбное роторное бурение с обратной промывкой модернизированными станками УРБ-2А и УРБ-3АМ, 1БА-15В. Вода для промывки подается в скважины самотеком, и уровень ее поддерживается на 3 м выше статического уровня подземных вод. Разбуренную породу удаляют с забоя эрлифтом по бурильной колонне диаметром 100–200 мм. Диаметр бурения 500–1000 мм и более сохраняется постоянным по всей глубине скважины. Достигнутая глубина бурения составила 100 м, возможная — 500 м. Дебит такой скважины увеличивается в 2–3 раза, и удлиняется срок ее работы по сравнению со скважинами малого диаметра. Бурение этим способом ускоряет проходку скважины в 8–10 раз. Так, скважину диаметром 600–1000 мм и глубиной 28–32 м в песчано-суглинистых породах бурят 4–7 ч и оборудуют фильтровой колонной и насосом за 5–6 ч.

Для осушения месторождения закладывают скважины нескольких типов в зависимости от их назначения: 

• водопонижающие (водозаборные);
• водопоглощающие;
• наблюдательные;
• контрольно-разведочные.

Водопонижающие (водозаборные) скважины служат для откачки воды из водоносных горизонтов на поверхность при помощи установленных в них глубинных насосов. Конструкция водопонижающей скважины зависит от гидрогеологических условий месторождения, глубины скважины и диаметра наружной части глубинного насоса. Скважины бывают бесфильтровыми и оборудованными фильтрами. Первые применяют для осушения устойчивых трещиноватых водоносных пород (известняки, песчаники и др.), в которых исключают обвал и оплывание пород, слагающих стенки скважины.

В малоустойчивых породах, где возможны вывалы, и в крупнозернистых песках в скважинах устанавливают фильтры в виде перфорированной трубы с щелевыми или круглыми отверстиями диаметром 5–20 мм при общей скважности фильтра до 30%. При осушении водоносных песчаных пород скважины обязательно оборудуют фильтрами. Диаметр фильтровой колонны должен на 50 мм превышать диаметр погружного насоса. Учитывая, что при осушении приходится закладывать большое число скважин, срок работы которых невелик (по сравнению со скважинами, используемыми для водоснабжения), устанавливают только простые по конструкции фильтры.

Наибольшее применение получили каркасно-стержневые и гравийно-проволочные фильтры с однослойной гравийной или трехслойной песчано-гравийной обсыпкой (в зависимости от дисперсности осушаемых пород).

В напорных водоносных горизонтах фильтры устанавливают, как правило, в середине пласта, а в безнапорных — ближе к его почве. В неоднородных слоистых пластах фильтры размещают на участках с наибольшей проницаемостью пород. Малопроницаемые интервалы водоносных горизонтов перекрывают глухими трубами фильтровой колонны.

Длину фильтра принимают в зависимости от расчетной производительности скважины, при этом его водопропускная способность должна превышать расчетную производительность не менее чем в 1,2 раза. При размещении насоса ниже фильтра длина отстойника определяется с учетом размеров насоса и необходимой величины столба воды над ним. В других случаях длина отстойника принимается в пределах 2–3 м. При снятии напора в подугольных известняках большой мощности скважины в них углубляют на 15–20 м; длина отстойника при этом составляет 5 м.

При откачке минерализованных вод, богатых углекислотой и серной кислотой, разрушающих сталь, следует использовать антикоррозионные фильтры из пластмасс или дерева (преимущественно дубовые, сосновые) с гравийной обсыпкой.

Возможно применение водопонижающих скважин для осушения нескольких надугольных водоносных горизонтов и снятия напора в подугольных водоносных песках. Практика показала целесообразность дренирования одной скважиной не более двух водоносных горизонтов.

Места заложения водопонижающих скважин определяют по результатам бурения и опробования гидрогеологических контрольно-разведочных скважин.

Взаимное расположение водопонижающих скважин находят расчетами с использованием коэффициентов фильтрации осушаемых пород и радиусов влияния, полученных при опытных откачках.

Повышения водоотдачи осушаемых пород и увеличения дебита водопонижающих скважин в 1,5–3 раза можно достичь путем создания вакуума в скважине, применяя вакуумную установку или устанавливая уплотняющий сальник над рабочим узлом насоса ниже статического уровня воды.

Для повышения дебита водопонижающих скважин, откачивающих воду из известняков, можно обработать скважину соляной кислотой: залитую в скважину кислоту продавливают в известняки водой или сжатым воздухом. Кислоту заливают порциями в несколько приемов, после каждой операции скважину прокачивают. Концентрация соляной кислоты составляет 15–20%, а примерный расход в слабопроницаемых пластах — 0,4–0,6 м³, в сильнопроницаемых — 1–1,5 м³ на 1 м мощности осушаемого горизонта. Для повышения дебита можно применить гидравлический разрыв пласта, торпедирование и другие методы.

В ряде случаев наблюдается резкое снижение производительности водопонижающих скважин и сквозных фильтров, установленных в песках, в результате коррозии и зарастания фильтра коркой песка, сцементированного гидроксидами железа. Хорошие результаты по прочистке фильтра дает метод свабирования — прокачки скважин специальным поршнем — свабом с шаровым клапаном, создающим разрежение в скважине.

Водопоглощающие скважины предназначены для сброса дренажных вод верхних водоносных горизонтов в более глубокие, залегающие ниже пласта полезного ископаемого, чем достигается осушение вышележащей толщи.

Вода может спускаться как в сухие, так и обводненные пласты, но в последних уровень воды должен быть значительно ниже уровня верхнего горизонта, желательно ниже почвы осушаемого пласта или осушаемых горных выработок. Чем больше проницаемость поглощающего воду пласта и чем ниже его уровень по сравнению с осушаемым горизонтом, тем сильнее будет водопоглощение.

Учитывая, что нижние водоносные горизонты часто служат источником питьевого водоснабжения и поэтому подлежат санитарной охране, возможность сброса шахтных вод и вод вышележащих горизонтов, нередко загрязненных продуктами разложения органических веществ, должна определяться в каждом конкретном случае после детального изучения химического и бактериального состава сбрасываемых вод.

Места заложения водопоглощающих скважин выбирают по возможности на участках понижения дренируемых верхних водоносных горизонтов. Скважины оборудуют фильтрами как в осушаемых слоях, так и в поглощающем водоносном горизонте, если стенки скважины неустойчивы. При устойчивых стенках скважин в поглощающем слое фильтр не ставят (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция водопоглощающей скважины:
1 — дырчатый фильтр в осушаемых известняках; 2 — гравийнопроволочный фильтр в осушаемых песках; 3 — уровень напорного горизонта; 4 — незакрепленный участок скважины в поглощающих воду подугольных известняках

Конечный диаметр водопоглощающих скважин обычно составляет 75–100 мм, начальный — 250–300 мм. Оборудование скважин блоковыми фильтрами из пористого материала и увеличение диаметра до 500 мм повышает их эффективность.

Количество воды, поглощаемой скважиной, заложенной в напорном водоносном слое, определяют по формуле

а дебит поглощающей скважины в безнапорных водах — по формуле

где h-H — превышение уровня воды в скважине над естественным уровнем воды в поглощающем слое.

Использование водопоглощающих скважин целесообразно только в тех случаях, когда разность уровней воды в осушаемом H1 и поглощающем H2 слоях значительна и для поглощающего слоя произведение коэффициента фильтрации на мощность пласта k2m2 больше, чем для осушаемого пласта k1m1. Наблюдательные скважины служат для контроля изменений уровня, химического состава и температуры подземных вод при водопонижении. Они должны быть заложены до начала работ по осушению по определенной схеме.

В карьере наблюдательные скважины проходят по двум-трем створам вкрест заложения траншеи (по три-пять скважин в каждом створе) отдельно на каждый дренируемый водоносный горизонт. В скважинах, предназначенных для наблюдения за водами в песках, ставят дырчатые (в крупнозернистых песках) или сетчатые фильтры с отстойниками длиной 1,5–2 м.

В процессе бурения скважин ведут тщательные наблюдения за установившимся уровнем вод каждого горизонта, в осушаемых пластах проводят пробную откачку для уточнения их водообильности. Устье наблюдательных скважин должно быть оборудовано оголовками с запирающимися крышками и в процессе эксплуатации подвергаться периодической чистке. Во время осушительных работ в ближайших поверхностных водоемах и горных выработках также проводят наблюдения за уровнем воды и притоками.

Контрольно-разведочные скважины предназначены для уточнения принятых в проекте осушения геологического строения и водообильности водоносных горизонтов и обоснования схемы заложения водопонижающих скважин. Во время бурения контрольно-разведочных скважин уточняют уровни и водообильность каждого водоносного горизонта. Откачки проводят при максимально возможном понижении. Контрольно-разведочные скважины бурят с обсадкой несколькими колоннами труб с конечным диаметром 130–200 мм и глубиной, равной глубине водопонижающей скважины, переоборудуя их по окончании разведочных работ в наблюдательные.

Для откачки водопонижающие скважины оборудуют глубинными насосами: 

• с электродвигателями, погружаемыми в скважину ниже динамического уровня воды, т. е. погружными; 
• с электродвигателями, установленными над устьями скважин.

При строительстве и эксплуатации угольных и горнорудных предприятий для осушения горных пород наиболее часто используют погружные насосы типа ЭЦВ. Глубинные насосы с погружными электродвигателями типа ЭЦВ предназначены для откачки из скважин диаметром 100–400 мм главным образом чистой воды (с содержанием примесей не более 0,1 г/л). В этих насосах электродвигатель находится ниже уровня воды на одном вертикальном валу с центробежным насосом, расположенным несколько выше электродвигателя, и составляет с ним единый агрегат. Насосы ЭЦВ имеют подачу воды от 4 до 375 м³/ч и развивают напор от 70 до 540 м.

Насосы с электродвигателем на поверхности типа АТН и, А применяются для откачки от 30 до 200 м³/ч воды из скважин диаметром 200–400 мм при напорах от 30 до 100 м с температурой до 30°С и содержанием механических примесей до 5 г/л. При выбросе насоса следует помнить, что его подача должна соответствовать дебиту скважины.