методичка гидрогеология

2. Определение водопритока в шахтный ствол

А. Грунтовые воды.

Согласно заданию необходимо определить водоприток в шахтный ствол по мере его проходки на глубину h, соответствующую 0,1Н; 0,3Н; 0,5Н; 0,7Н и Н. Для выполнения расчета строим геологическую колонку шахтного ствола, который предполагается пройти в районе скважины №16. По мере проходки шахтного ствола фильтруют как стенки так и дно ствола, за исключением этапа проходки ствола на полную глубину, когда фильтрация через дно прекращается, т.к. у глин kф = 0. Величину водопритока через стенки ствола определяем по формуле:

Qсті – величина водопритока через стенки ствола при соответствующем водопонижении, м3/сут;

kфср – средний коэффициент фильтрации, м/сут; Н – мощность водоносного горизонта, м;

Sі – величина водопонижения на глубину проходки ствола h, м;

Rі – неустановившийся радиус депрессионной воронки при водопонижении на глубину проходки h, м;

ro – радиус ствола, принимаемый равным 3,0 м.

Неустановившийся радиус депрессии определяем по формуле И.П. Кусакина:

при малом r0 может быть использована формула Е.Е. Керкиса:

Rt – неустановившийся радиус депрессионной воронки при водопонижении на глубину проходки h, м;

h – глубина проходки, м;

μ – коэффициент водоотдачи песков равный 0,25;

t – время откачки с учетом скорости проходки ствола.

S – величина водопонижения cсоответствующая глубине проходки h, м; V - скорость проходки ствола, принимаемая 2 м/сут.

Величина водопритока через дно определяется в соответствии с глубиной проходки по формуле Форхгеймера:

Суммарный приток в шахтный ствол на каждой глубине составляет:

21

Данные расчета заносятся в таблицу. Строится график зависимости дебита от понижения

Q=f(S).

Q∑, м3/сут

Q=f(S)

S, м

Определяем положение уровня депрессионной кривой при полном пересечении шахтным стволом безнапорного водоносного горизонта. Высоту столба воды на расстоянии от оси ствола равной 0,1Rt5; 0,3Rt5; 0,5Rt5; 0,7Rt5 и Rt5 определяем по формуле:

х – расстояние от оси ствола.

Строим график зависимости y=f(x), соответствующий положению депрессионной кривой в пределах радиуса водопонижения шахтного ствола.

х, м

Графики строятся в масштабе.

Б. Напорные воды.

Водоприток в шахтный ствол за счет напорного водоносного горизонта по мере проходки осуществляется за счет стенок и дна ствола за исключением конечной глубины проходки, где дно уже не фильтрует, т.к. шахтный ствол достиг водоупора.

Водоприток из стенок ствола составляет:

22

Qст – величина водопритока через стенки ствола, м3/сут; kф – коэффициент фильтрации, м/сут;

т – мощность водоносного горизонта на глубину проходки, м;

S – величина понижения пьезометрического уровня при углублении ствола на глубину m, м;

Rt - радиус депрессионной воронки при углублении в напорный горизонт на глубину m, м;

ro – радиус шахтного ствола, принимаемый равным 3,0 м.

Нn – величина пьезометрического напора, м;

М – мощность напорного водоносного горизонта, м.

Величину m принимаем равной 0,1М; 0,3М; 0,5М; 0,7М, и М. Величина неустановившегося радиуса влияния при заглублении на величину m определяется по формуле И.П.Кусакина (18):

при малом r0 по формуле Е.Е. Керкиса (19):

μ – водоотдача, принимаемая для трещиноватых известняков равной 0,05; t – время заглубления ствола на величину m, сут.

V - скорость проходки ствола в известняках, принимается равной 1,5 м/сут.

Величина водопритока через дно определяется по формуле Форхгеймера (21):

Qдн 4kф S r0 , м3/сут

Суммарный приток в шахтный ствол на каждой глубине составляет:

Q Qст Qдн , м3/сут

Данные расчета заносятся в таблицу. Строится график зависимости дебита от понижения на время проходки напорного водоносного горизонта Q=f(S).

23

F– площадь карьера, м2;

a)Водоприток из безнапорного водоносного горизонта определяется как к совершенному грунтовому колодцу:

Qгр – водоприток за счет грунтовых вод, м3/сут;

kф – средний коэффициент фильтрации безнапорного водоносного горизонта, м/сут; Н – мощность безнапорного водоносного горизонта, м;

R - радиус депрессионной воронки безнапорного горизонта, определяемый от контура карьера по формуле Зихардта (14), м;

ro – приведенный радиус карьера, м.

б) Водоприток из напорного водоносного горизонта определяется по формуле совершенного грунтово-артезианского колодца:

Qн – водоприток за счет напорных вод, м3/сут;

kф –коэффициент фильтрации напорного водоносного горизонта, м/сут; Нn – величина пьезометрического напора, м;

М – мощность напорного водоносного горизонта, м;

R - радиус депрессионной воронки напорного горизонта, определяемый от контура карьера по формуле Зихардта (14), м;

ro – приведенный радиус карьера, м.

в) Водоприток в карьер за счет атмосферных осадков определяется по формуле:

Qoc – водоприток за счет атмосферных осадков, м3/сут;

hoc – годовое количество осадков, принимаемое для условий Донбасса 0,56 м/год; F – площадь карьера, м2.

г) Суммарный водоприток в карьер составляет:

4. Определение водопритока в горизонтальные подземные выработки

Согласно заданию для осушения карьера предполагается пройти две совершенные горизонтальные подземные выработки, расположенные нормально потоку со стороны поступления воды в карьер из грунтового и напорного водоносных горизонтов. Для выполнения расчета необходимо построить геологические колонки трех скважин, вдоль которых будут заложены выработки.

25

Определяем средний коэффициент фильтрации и мощности безнапорного, а также пьезометрический напор и мощность напорного водоносного горизонта. По формуле Зихардта (14) определяем величину радиуса полосы осушения при полном водопонижении.

a)Величина водопритока в горизонтальные подземные выработки определяется по формулам Дюпюи.

Для безнапорного водоносного горизонта:

Q – величина водопритока, м3/сут;

kф – средний коэффициент фильтрации, м/сут; Н – мощность водоносного горизонта;

h – мощность воды в дрене, м;

L – длина выработки, принимаемая 800м; R – радиус полосы осушения, м.

Для напорного водоносного горизонта:

Q – величина водопритока, м3/сут;

kф –коэффициент фильтрации напорного водоносного горизонта, м/сут; Нn –величина пьезометрического уровня, м;

М – мощность напорного водоносного горизонта, м; h – мощность воды в дрене, м;

L – длина выработки, принимаемая 800м;

R – радиус полосы понижения пьезометрического уровня, м.

б) Положение депрессионной кривой определяется по формулам: для безнапорного водоносного горизонта:

для напорного водоносного горизонта:

у – высота положения уровня воды в пределах депрессионной кривой на расстоянии х от дрены, м.

Остальные обозначения прежние.

При полном водопонижении условно принимаем уровень воды в дрене h = 0. Положение уровня депрессионной кривой определяем на расстоянии от дрены x1 = 0,1R; x2 = 0,3R; x3 = 0,5R; x4 = 0,7R; x5 = R. Данные заносим в таблицы. Строим графики y = f(x) для безнапорного и напорного водоносных горизонтов. Графики выполняются в масштабе.

26

5. Определение водопритока в горизонтальные дренажи и дренажные системы с учетом инфильтрации

Расчет горизонтальных дренажей и дренажных систем как открытого, так и закрытого типа выполняется только в условиях грунтовых вод со свободной поверхностью питания и используется для осушения месторождений полезных ископаемых, разрабатываемых открытым способом, котлованов промышленных и гражданских сооружений, а также в условиях подтопления территорий грунтовыми водами за счет промышленного, гражданского, гидротехнического и сельскохозяйственного строительства.

Настоящим заданием предусмотрен расчет систематического дренажа для осушения территории оползнеопасной зоны.

Проектом водопонижения предполагается строительство системы параллельных дрен, заложенных вдоль водного потока. Длина водного потока в пределах оползнеопасной зоны 600м, ширина 1800м.

Коэффициент фильтрации и мощность грунтового водоносного горизонта принимаются согласно средним параметрам водного потока в пределах гидрогеологического разреза.

Расчет сводится к определению величины эффективного водопонижения в контуре дренажной системы, определению расстояния между дренами и необходимого количества дрен, а также общего водопритока в дренажную систему.

Определяем эффективное водопонижение между двумя дренами при расстоянии между ними равном 300м, 600м, и 900м:

Sэф - эффективное водопонижение, м;

Н - мощность водоносного горизонта, м;

h – высота столба воды в дрене, принятая 1м; В – расстояние между дренами, м;

kэф – средний коэффциент фильтрации, м/сут;

W – величина инфильтрации атмосферных осадков, м/сут.

hoc – количество осадков, принятое 0,56 м/год.

Строим график зависимости эффективного водопонижения от расстояния между дренами

Sэф = f(B)

Sэф , м

Sэф = f(B)

В, м

27

б) Принимая эффективное водопонижение Sэф = 0,9Н, м, определяем необходимое расстояние между дренами:

в) Определяем положение депрессионной кривой между двумя дренажами внутри дренажной системы:

у – высота столба воды на расстоянии х от дрены, м; х – расстояние от дрены, м;

h – высота столба воды в дрене, принятая 1м; kэф – средний коэффициент фильтрации, м/сут; В – расстояние между дренами, м;

W – величина инфильтрации атмосферных осадков, м/сут.

Строим схематический разрез между двумя дренами, на котором показывем положение уровня грунтовых вод, глубину заложения дрены, а также положение депрессионной кривой в контуре водопонижения (приложение 3, рис. 1)

г) Определяем количество дрен в дренажной системе (округляем до целых чисел):

n – количество дрен в дренажной системе;

Х – ширина водного потока в пределах оползнеопасной зоны, принятая 1800м; В – расстояние между дренами, м.

д) Определяем водоприток в дренажную систему.

Водоприток во внешнюю дрену за счет грунтовых вод определяется по формуле Дюпюи

(33):

Радиус полосы осушения принимаем согласно формуле Зихардта (14):

Водоприток за счет инфильтрации атмосферных осадков в контуре дренажной системы при установившемся движении подземных вод, для каждой дрены определяем по формуле Ротэ:

Общий водоприток в дренажную систему с учетом инфильтрации атмосферных осадков и грунтовых вод определяем по формуле:

28

Q – величина водопритока, м3/сут; kэф –коэффициент фильтрации, м/сут;

Н – мощность водоносного горизонта, м;

h – высота столба воды в дрене, принятая 1м; R – радиус полосы осушения, м;

В – расстояние между дренами, м; L – длина дрены, принятая 600м;

n – количество дрен в дренажной системе;

W – величина инфильтрации атмосферных осадков, м/сут.

6. Расчет водопонизительной установки

Предполагается строительство вертикальной дренажной установки для понижения пьезометрического уровня воды при проходке шахтного ствола, пройденного в районе скважины №16. Согласно заданию необходимо построить схематический разрез водопонижения, определить количество скважин в водопонизительной установке для эффективного понижения пьезометрического уровня воды в шахтном стволе, а также время, необходимое для проектируемого водопонижения.

Скважины располагаются по контуру с приведенным радиусом ro = 50 м. Для расчета принимаем величину напора, мощность водоносного горизонта и коэффициент фильтрации, используемые при расчете водопритока в шахтный ствол. Эффективное понижение в шахтном стволе принимаем равное 0,9Нn, радиус водопонизительной скважины r = 0,25 м.

Схематический разрез водопонижения приведен в приложении3, рис.2

Порядок выполнения работы:

а) Определяем радиус влияния водопонизительной скважины (R) и радиус водопонизительной установки (Ro). Согласно формуле Зихардта (14) радиус скважины при полном водопонижении S = Hn составляет

б) Находим дебит одной водопонизительной скважины при различном их числе в установке (n = 2, 5, 8, 10, 15)

Qn – дебит одной скважины при их количестве n, м3/сут; S – понижение уровня воды в скважине, м;

М – мощность напорного водоносного горизонта, м;

n – количество водопонизительных скважин в дренажной установке; r – радиус водопонизительных скважин, м,

29

rо – приведенный радиус установки, м. Строим график зависимости Q=f(n).

в) Определяем положение уровня напорного водоносного горизонта в центре дренажной установки при различном числе водопонизительных скважин (n = 2, 5, 8, 10, 15).

Hn – величина пьезометрического напора, м.

уо – положение пьезометрического уровня в центре дренажной установки, м.

Строим график зависимости yo=f(n)

nтреб n nтреб n

г) Зная требуемое понижение уровня в центре установки Sэф = 0,9Нn м,

определяем утреб = Нn - Sэф = 0,1Нn . Определяем количество скважин по графику yo = f(n),

д) Время, необходимое для достижения требуемого водопонижения, находим по графику St = f(t). График строим на основании расчета St при заданном времени t, сут.

ro=50 м;

t – время откачки в сутках, принимаемое равным 20, 50, 80, 100 и 120 суткам;

ау – коэффициент пьезометрической уровнепроводности грунтово-артезианского горизонта;

Нn – величина пьезометрического напора, м.

30