Приложение 4. Постановление Госгортехнадзора России от 16.03.1998 N 13 "Об утверждении Правил охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях" (вместе с "ПБ 07-269-98. Правила...")

1. Прогноз водопритоков в подземные горные выработки может быть выполнен на основе гидродинамического метода - с использованием аналитических расчетов или с применением численного моделирования процессов фильтрации на базе компьютерных программ. Рассмотренная далее методика прогноза водопритоков в горные выработки ориентирована на использование аналитических расчетов.

1.1. Для применения гидродинамических методов необходима схематизация реальных гидрогеологических условий. Расчетная гидродинамическая схема должна отражать гидрогеологическое строение подрабатываемой толщи с выделением в ней относительных водоупоров и водоносных пластов, охарактеризованных фильтрационными параметрами, а также затопленных выработок и поверхностных водных объектов.

1.2. Расчетные гидродинамические схемы подразделяют на типовые и сложные. Анализ типовых расчетных схем возможен с использованием аналитических решений, позволяющих определять расходы или уровни подземных потоков в зависимости от условий на их границах и фильтрационных параметров породных массивов.

Признакам типовых расчетных схем отвечают, в частности, схемы формирования водопритоков в выработанное пространство одиночного выемочного столба за счет дренажа фильтрационно-однородных напорных водоносных пластов.

1.3. Сложные гидродинамические схемы отличаются от типовых фильтрационной неоднородностью дренируемых водоносных пластов, изменчивостью во времени условий на их границах, взаимосвязью дренируемых пластов, напорно-безнапорным режимом фильтрации, изменением во времени конфигурации области фильтрации. Признакам сложных схем отвечают, например, условия формирования водопритоков во взаимодействующие горные выработки, пройденные разновременно на различных участках шахтного поля, в разных пластах. Для анализа подобных сложных расчетных схем целесообразно применение численного моделирования процессов фильтрации.

2. Гидрогеологическая схематизация при обосновании типовой схемы для расчета водопритоков в выработанное пространство шахт имеет определенные особенности.

2.1. Основной областью дренажа подработанной толщи является очистная горная выработка в совокупности с зоной водопроводящих трещин, образованных над выработанным пространством (рис. 1).

Рис. 1. Схема формирования
водопритоков в выработанное пространство:
1 - угольный пласт; 2 - выработанное пространство;
3 - водопроводящие трещины; 4 - относительные водоупоры;
5 - водоносные слои песчаников; 6 - боковые границы
зоны водопроводящих трещин; 7 - верхняя граница
зоны водопроводящих трещин; 8 - аллювиальные
отложения (водный объект)

Водопроводящими следует считать трещины, которые пересекают относительные водоупоры и активно связывают подработанные водоносные пласты с выработанным пространством. В пределах зоны водопроводящих трещин подработанный массив характеризуется практически полной осушенностью.

При схематизации за верхнюю границу зоны водопроводящих трещин принимают плоскость, параллельную напластованию и расположенную над выработанным пространством на расстоянии, равном высоте распространения водопроводящих трещин.

Высота зоны водопроводящих трещин зависит от мощности вынимаемого пласта, литологического состава и структуры подрабатываемой толщи, физико-механических свойств слагающих ее горных пород. Высоту зоны определяют специальными методами в конкретных условиях, а при отсутствии фактических данных принимают равной безопасной глубине разработки угольного пласта под водным объектом (разд. 6).

Боковые границы зоны водопроводящих трещин при схематизации определяют положением плоскостей, проведенных под углами разрывов через границы выработанного пространства в плане (см. рис. 1).

На боковых и верхней границах зоны водопроводящих трещин граничные условия соответствуют стабильным гидростатическим напорам.

Под напором H в каждой точке водонасыщенного массива понимается величина, определяемая зависимостью (м), где p - гидростатическое давление в рассматриваемой точке; - объемный вес воды; z - превышение точки над горизонтальной плоскостью сравнения напоров с условной высотной отметкой .

Гидростатическое давление определяется весом столба воды над расчетной точкой до пьезометрического уровня (уровня подземных вод).

Для рассматриваемых условий горизонтальную плоскость сравнения напоров целесообразно проводить по минимальной отметке горных выработок (см. рис. 1).

На внешних границах зоны водопроводящих трещин гидростатическое давление равно атмосферному (p = 0), поэтому величины напоров в различных точках этого контура дренажа отвечают превышению точек над плоскостью сравнения напоров .

2.2. Водопритоки в выработанное пространство могут формироваться за счет следующих составляющих:

- притоков из водоносных пластов, пересекаемых водопроводящими трещинами;

- притоков из водных объектов, расположенных над верхней границей зоны водопроводящих трещин;

- инфильтрации атмосферных осадков по площади горных работ.

Общий водоприток в выработанное пространство определяется суммой этих составляющих (с учетом конкретных условий). При этом целесообразно раздельное определение элементов общего водопритока, что позволяет оценить дифференцировано ущерб поверхностному и подземному стоку и обосновать при необходимости соответствующие природоохранные мероприятия.

3. Прогноз водопритоков из водоносных пластов, пересекаемых водопроводящими трещинами, выполняют по аналитическим зависимостям на основе гидрогеологической схематизации.

3.1. Водоносные пласты следует рассматривать изолированными друг от друга. При выделении водоносных пластов в подрабатываемом массиве возможно объединение групп слоев, разделенных водоупорами малой мощности.

Каждый выделенный водоносный пласт должен быть охарактеризован фильтрационными параметрами: проводимостью (T, кв. м/сут.), коэффициентом пьезопроводности (a, кв. м/сут.).

Проводимость пласта T = km, где k - коэффициент фильтрации пласта (м/сут.), m - мощность пласта (м). Проводимость пласта, представленного несколькими водоносными слоями, равна сумме проводимостей этих слоев. Коэффициент пьезопроводности пласта , где T - проводимость пласта, - его водоотдача (для напорных пластов - упругая водоотдача пласта).

3.2. Притоки из каждого дренируемого пласта оценивают раздельно с учетом условий на его границах.

Границами дренажа каждого из водоносных пластов следует считать линии их пересечения с боковыми границами зоны водопроводящих трещин. Граничные условия на контурах дренажа отвечают стабильным напорам, равным превышению подошвы водоносного пласта по контуру дренажа над условной плоскостью сравнения напоров .

3.3. На начальных этапах развития очистных работ водопритоки в выработанное пространство первоочередного выемочного столба из каждого дренируемого пласта можно определить по зависимости:

, (1)

где:

, - проводимость (кв. м/сут.) и коэффициент пьезопроводности (кв. м/сут.) дренируемого пласта номер i;

, , - напоры (м) пласта номер i соответственно в естественных условиях и на контурах дренажа - над вентиляционным и над конвейерным штреками (см. рис. 1);

D - длина лавы (м);

v - средняя скорость движения забоя лавы (м/сут.);

z - отход забоя лавы от разрезной печи на момент первой посадки основной кровли (м);

t - расчетный период времени (сутки), продолжительность которого определяется от момента первой посадки основной кровли.

Если заранее не известен отход забоя лавы от разрезной печи, при котором происходит первая посадка основной кровли, то этот расчетный параметр можно принять равным высоте зоны водопроводящих трещин или безопасной глубине горных работ под водными объектами.

При расчете водопритоков по зависимости (1) рекомендуется рассмотреть несколько периодов, начиная с t = 1 сут. до , соответствующего началу влияния на водоприток внешних границ дренируемого пласта.

Внешними границами водоносных пластов следует считать либо их выходы под водоемами, водотоками, водообильными отложениями, либо их выклинивания или пересечения с тектоническими нарушениями.

Влияние внешних границ пласта на водопритоки проявляется начиная с момента времени:

, (2)

где:

- расстояние по пласту номер i от контура дренажа до внешней границы (м);

- коэффициент пьезопроводности пласта.

При пологом залегании пластов можно оценить водопритоки из каждого дренируемого пласта в выработанное пространство нескольких близко расположенных выемочных столбов с учетом скорости увеличения площади очистных горных работ.

Несколько очистных горных выработок, вскрывающих определенный угольный пласт, можно представить в виде обобщенной круговой выработки при выполнении условия: , где b - максимальное расстояние между соседними выработками, - радиус обобщенной выработки.

Водоприток в выработанное пространство из дренируемого пласта номер i на расчетный момент времени t можно оценить по зависимости:

, (3)

где и - напоры (м) в естественных условиях и средние на контуре дренажа пласта номер i (контур дренажа соответствует положению круговой границы обобщенной горной выработки с площадью );

t - расчетный период времени, отсчитываемый от момента первой посадки основной кровли первоочередной очистной выработки (сут.).

Формула (3) справедлива при выполнении условия (2).

3.4. При наличии на внешней границе дренируемого пласта водного объекта водопритоки в выработанное пространство за счет этого пласта на момент времени можно определять расчетом по предварительно построенным одной или нескольким лентам тока. Ленты тока отстраивают от контура дренажа пласта в направлении к контуру питания, которым является участок выхода пласта под водоем, водоток, водообильные отложения. Каждая лента тока должна быть ограничена линиями тока, которые проводят ортогонально к контурам питания и дренажа, зафиксированным на расчетное положение горной выработки (рис. 2).

Рис. 2. Схема к расчету
водопритоков в выработанное пространство:
1 - контур горной выработки на расчетный момент;
2 - границы распространения аллювиальных отложений;
3 - русло реки; 4 - выход водоносных пластов
под покровные отложения; 5 - линии тока

Расчет водопритока в выработанное пространство по любой ленте тока выполняют по зависимости:

, (4)

где:

- проводимость пласта номер i (кв. м/сут.);

и - напоры на контурах обеспеченного питания и дренажа пласта номер i в пределах ленты тока номер n (м);

и - длина ленты номер n по средней линии и средняя ширина ленты (м).

Водоприток в выработанное пространство за счет пласта номер i определяют суммированием водопритоков по всем расчетным лентам тока.

В частном случае, если граница питания дренируемого пласта представлена прямолинейным контуром относительно большой протяженности (длина его в два - три раза превосходит максимальный размер горной выработки), то водоприток в выработанное пространство за счет этого пласта можно оценить на момент по формуле:

, (5)

где:

и - средняя величина напоров на контурах питания и дренажа пласта номер i (м);

- расстояние по пласту от контура дренажа до контура питания (м);

- площадь горной выработки на расчетный момент времени (кв. м).

3.5. Если все внешние границы дренируемого пласта представлены его выходами под слабопроницаемые отложения или пересечениями со слабопроницаемыми тектоническими нарушениями, то расчет водопритоков за счет этого пласта при в общем случае может быть выполнен с привлечением численного моделирования фильтрационных процессов.

Ориентировочные оценки водопритоков из пластов, все внешние границы которых представлены непроницаемыми контурами, могут быть выполнены по формулам (1) и (2).

Однако при таких оценках необходимо учитывать, что минимальная величина водопритоков из дренируемых пластов может быть обеспечена за счет инфильтрации атмосферных осадков по площади развития пласта или по части этой площади.

Если водоносный пласт, пересекаемый водопроводящими трещинами, является ближайшим к земной поверхности и внешние границы этого пласта представлены непроницаемыми контурами, то минимальная величина водопритока в выработанное пространство из этого пласта может быть определена по формуле:

, (6)

где:

- интенсивность инфильтрации атмосферных осадков за пределами площади очистных горных работ (м/сут.);

- площадь развития дренируемого пласта (кв. м);

- площадь очистных горных работ на расчетный момент времени (кв. м).

В качестве расчетной интенсивности инфильтрационного питания дренируемого пласта следует принимать ее среднегодовую величину.

Если дренируемый пласт лишь на части площади его развития является ближайшим к земной поверхности, а на другой части этот пласт перекрыт вышележащим пластом (см. рис. 1), то минимальная величина водопритока в выработанное пространство определяется по формуле:

, (7)

где - часть площади развития дренируемого пласта, не перекрытая вышележащим водоносным пластом, по которой возможна инфильтрация атмосферных осадков интенсивностью .

3.6. Если внешние границы дренируемого пласта лишь частично являются непроницаемыми контурами, а на других участках эти границы представлены контурами питания (водными объектами), то минимальная величина водопритока в выработанное пространство из такого пласта определяется суммированием водопритоков, формирующихся за счет водных объектов и оцениваемых по формулам (4) и (5), с водопритоками, формирующимися за счет инфильтрации атмосферных осадков по площади развития дренируемого пласта или части этой площади, которые оцениваются соответственно по формулам (6) или (7).

4. При анализе условий ведения очистных работ на безопасной глубине непосредственно под водными объектами целесообразно оценить величину водопритока в выработанное пространство из этого объекта. Такая возможность появляется при определении высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством и коэффициентов фильтрации вкрест напластования пачки слабопроницаемых пород, отделяющей водный объект от этой зоны.

4.1. Водопритоки из подработанного водного объекта (водоема, водотока, водообильного горизонта) определяются по формуле:

, (8)

где:

- напор на нижнем контуре водного объекта (м);

- средний напор (м), соответствующий превышению верхней границы зоны водопроводящих трещин над условной плоскостью сравнения напоров;

- площадь водного объекта в пределах плановых границ зоны водопроводящих трещин (кв. м);

- коэффициент фильтрации в вертикальном направлении пачки слабопроницаемых пород между водным объектом и верхней границей зоны водопроводящих трещин (м/сут.);

- мощность пачки слабопроницаемых пород по вертикали (м).

4.2. Если над верхней границей зоны водопроводящих трещин залегает водоносный пласт, то водопритоки в выработанное пространство могут формироваться за счет дренажа этого пласта. Величина водопритока зависит от заранее неизвестного напора дренируемого пласта в пределах площади его подработки, который зависит от условий на внешних границах пласта и характеристик подстилающей этот пласт пачки слабопроницаемых пород. Если внешняя граница дренируемого пласта частично представлена прямолинейным контуром питания, то величина сниженного напора пласта по подработанной площади может быть определена по зависимости:

, (9)

где:

T - проводимость (кв. м/сут.) водоносного пласта, из которого возможно перетекание в выработанное пространство;

L - расстояние (м) от прямолинейного контура обеспеченного питания пласта до контура дренажа (контура горных работ);

- площадь очистных горных работ (кв. м);

, - коэффициент фильтрации (м/сут.) и мощность (м) пачки слабопроницаемых пород между водоносным пластом и верхней границей зоны водопроводящих трещин;

- напор в пласте в естественных условиях (м).

Водоприток в выработанное пространство из подработанного водоносного пласта определяется по формуле:

. (10)

Если величина напора , рассчитанная по формуле (9), окажется меньше превышения подошвы водоносного пласта по площади подработки над условной плоскостью сравнения напоров , то расчет водопритока в выработанное пространство следует выполнять по формуле (5), в которой нужно принять .

5. Водопритоки в выработанное пространство могут формироваться за счет интенсивной инфильтрации атмосферных осадков непосредственно по подработанной площади.

Величину водопритока можно оценить по формуле:

, (11)

где - интенсивность инфильтрации атмосферных осадков (м/сут.) по площади очистных горных работ.

В качестве расчетной интенсивности инфильтрации следует принимать ее среднегодовую величину.

6. Если в пределах подработанной площади шахтного поля имеется локальный водный объект или ряд таких объектов (например, затопленные мульды сдвижения), то водоприток в выработанное пространство, формирующийся по подработанной площади, может быть определен либо суммированием его составляющих, рассчитанных параллельно по формулам (8) и (11), либо по формуле (11), в которой расчетная интенсивность инфильтрации должна учитывать комплексно просачивание атмосферных осадков и потери из водных объектов.

7. При отсутствии информации о некоторых гидрогеологических параметрах и характеристиках для ориентировочных оценок водопритоков в выработанное пространство можно воспользоваться следующими рекомендациями.

7.1. Расчетную величину коэффициента пьезопроводности водоносных пластов а можно определить по зависимости:

, (12)

где:

k - коэффициент фильтрации пласта (м/сут.);

- упругая водоотдача пород;

- упругая водоотдача пласта .

Величина упругой водоотдачи пород может быть принята для угленосных толщ в пределах . Максимальная величина упругой водоотдачи характерна для пород преимущественно глинистого состава.

7.2. Коэффициенты фильтрации вкрест напластования угленосных отложений над верхней границей зоны водопроводящих трещин могут быть приняты равными .

7.3. Среднегодовая интенсивность инфильтрации атмосферных осадков по площади очистных горных работ может составлять величину .

7.4. Среднегодовая интенсивность инфильтрации атмосферных осадков за пределами площади очистных горных работ в районах с умеренным климатом составляет величину , где A - годовая норма осадков (мм/год).

7.5. Расчетные гидродинамические схемы, фильтрационные параметры водоносных пластов и относительных водоупоров, а также характеристики питания подземных вод могут быть определены по результатам наблюдений за водопритоками в горные выработки и напорами дренируемых пластов с учетом деформаций горных массивов.