способ защиты горных выработок от прорыва воды со стороны водотока в условиях вечной мерзлоты

Формула изобретения

1. Способ защиты горных выработок от прорыва воды со стороны водотока в условиях вечной мерзлоты, характеризующийся тем, что у дна потенциально опасного участка водотока в пределах его руслового талика прокладывают трубу, обеспечивающую пропуск, по меньшей мере, воды водотока в объеме начала холодного периода года, при этом трубу снабжают на одном конце входным раструбом, а на другом - выходным раструбом, покрывают теплоизоляционным слоем и устойчивым против размыва грунтом, а перед потенциально опасным участком водотока труба пересекает водосливной порог, который водонепроницаемо сопрягают с вечномерзлыми грунтами основания и с грунтами бортов, и посредством которого обеспечивают подъем уровня воды перед входным раструбом трубы до заданного уровня, причем водосливной порог и его борта выполняют из габионов, корзины которых выполнены из проволочной сетки и заполнены каменным материалом, а габионы связывают между собой проволокой и образуют из них цельную гибкую габионную конструкцию, которую снизу и с боков заключают в водонепроницаемую мембрану и теплоизоляционную оболочку, и в которой из водонепроницаемой мембраны поперек водотока между габионами выполняют противофильтрационную диафрагму.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что участок трубы, расположенный между входным раструбом и водосливным порогом, и участок трубы, непосредственно примыкающий к выходному раструбу, снабжают перфорацией и обсыпают фильтрующим грунтом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что водонепроницаемую мембрану выполняют из полимерной пленки, заключенной в геотекстиль.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что водонепроницаемую мембрану выполняют из геомембраны.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что между водонепроницаемой мембраной и габионами располагают прокладку, выполненную из проволочной сетки, при этом выполняется условие:

_яп< _як,

где _яп - площадь ячейки проволочной сетки прокладки в свету;

_як - площадь ячейки проволочной сетки корзины габиона в свету.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что сопряжение водосливного порога с грунтами основания и бортов осуществляют посредством заполненного связным грунтом зуба.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что проволочная сетка прокладки выполнена или плетеной, или крученой, или тканой.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что в пределах зуба располагают изогнутые охлаждающие трубы сезоннодействующих охлаждающих устройств - СОУ, посредством которых образуют водонепроницаемую мерзлотную завесу в основании порога и в его бортах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при защите горных выработок от прорыва воды со стороны естественного водотока в условиях вечной мерзлоты.

Вне зоны вечной мерзлоты в зависимости от местных условий применяются разные способы защиты горных выработок от поверхностных вод. При этом перехват стока и перенос русла водотока в обход защищаемой горной выработки является наиболее простым и распространенным способом [1]. Однако осуществление этого способа часто связано с высокими затратами на выполнение руслоотводного сооружения, которое обычно состоит из водоподъемной плотины и водовода, выполненного в виде гидротехнического канала на относительно ровном месте [2, стр.210-230] или гидротехнического туннеля в горной местности [2, стр.248-265]. Такое руслоотводное сооружение является затратным и в условиях и вечной мерзлоты недостаточно надежно защищает горную выработку.

Это объясняется тем, что врезки в вечную мерзлоту, с неизбежностью осуществляемые при выполнении руслоотводного сооружения, могут привести к нарушению верхней водонепроницаемой ледогрунтового мерзлой корки (плаща), что может привести к образованию в вечной мерзлоте сквозного талика. Такая корка образовалась в начальный период последнего (позднеголоценового) похолодания при одностороннем промерзании грунтов сверху вниз в условиях постоянного проникновения в их морозобойные трещины и поры воды атмосферных осадков сверху. Образование такой корки происходило практически повсеместно ниже границы сезонного оттаивания грунтов в пределах коры выветривания, а проникновение воды в грунты происходило в дозированном естественным путем количестве. Одновременно с этим по наиболее крупным «русловым» трещинам напряжений, образовавшихся в предыдущие периоды оледенения-потепления, под действием гидравлического уклона вода из-под мерзлой корки вытекала в ближайшие места разгрузки. В результате этого по мере дальнейшего опускания нижней границы многолетнемерзлых грунтов под мерзлой коркой часть глубинных трещин оказалась свободной ото льда - пустотелые трещины [3]. При движении по такой длительное время существовавшей трещине вода может превратиться в рассол с отрицательной температурой замерзания, что увеличит ее способность проходить по трещине через слой вечной мерзлоты.

Известен способ, согласно которому перенос русла водотока осуществляют с экранированием его на новом месте (а.с. СССР № 1659652 и а.с. СССР № 1719635).

Осуществление этого способа связано с высокими затратами.

Известен способ, согласно которому экранирование русла водотока осуществляют без переноса за пределы его естественного русла (а.с. СССР № 1425330 и дополнительное к нему а.с. СССР № 1571250).

Недостатком этого способа является его недостаточная эффективность из-за сложности работ при его осуществлении и его недостаточная надежность.

Известен способ, согласно которому горные породы вокруг русла водотока на всем потенциально опасном участке искусственно замораживают до образования водонепроницаемого ледогрунтового массива и поддерживают в мерзлом состоянии в течение всего периода разработки месторождения. При этом используют сезоннодействующую замораживающую систему, которая включает выработки и скважины, с трубами для прохода хладагента [Патент Российской Федерации № 2059814, кл. E21C 41/16, опубл. 10.05.1996].

Недостатком этого способа является высокая стоимость его осуществления из-за высоких затрат при создании замораживающей системы и ее эксплуатации в условиях теплового воздействия водотока на замороженные горные породы.

Известен способ, согласно которому пропуск воды осуществляют над горной выработкой (зоной подработки) по телескопическому водоводу, установленному на регулируемых по высоте опорах и забираемому воду из водоема-накопителя, вне зоны горного объекта (А.с. СССР № 1444522).

Недостатками этого способа являются, во-первых, высокие затраты при возведении водовода на большие расходы воды, во-вторых, недостаточная в условиях вечной мерзлоты надежность головного сооружения, обеспечивающего создание водоема-накопителя и забор из него водоводом воды. Второй недостаток обусловлен тем, что забор воды на большие расходы связан с выполнением входного оголовка, который практически всегда выполняют жестким из бетона, который к тому же при затвердевании выделяет тепло. Такой оголовок из-за оттаивания вечной мерзлоты часто недопустимо для жесткой конструкции деформирует.

При анализе существующей патентной и научно-технической литературы у авторов возникло затруднение при выборе прототипа, поэтому формула ниже предлагаемого изобретения составлена без разделения на ограничительную и отличительную части.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в экономии средств и повышении надежности при осуществлении способа. Достигаемый при этом технический результат заключается в уменьшении теплового воздействия на вечномерзлые горные породы водотока и твердеющего тела входного оголовка и в уменьшении жесткости последнего.

Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе защиты горной выработки от прорыва воды со стороны водотока в условиях вечной мерзлоты у дна потенциально опасного участка водотока в пределах его руслового талика прокладывают трубу, обеспечивающую пропуск, по меньшей мере, воды водотока в объеме начала холодного периода года. Трубу снабжают на одном конце входным раструбом, а на другом - выходным, покрывают теплоизоляционным слоем и устойчивым против размыва грунтом. Перед потенциально опасным участком водотока труба пересекает водосливной порог, который водонепроницаемо сопрягают с вечномерзлыми грунтами основания и с грунтами бортов и посредством которого обеспечивают подъем уровня воды перед входным раструбом трубы до заданного уровня. Водосливной порог и его борта выполняют из габионов, корзины которых выполнены из проволочной сетки и заполнены каменным материалом. Габионы связывают между собой проволокой и образуют из них цельную гибкую габионную конструкцию, которую снизу и с боков заключают в водонепроницаемую мембрану и теплоизоляционную оболочку и в которой из водонепроницаемой мембраны поперек водотока между габионами выполняют противофильтрационную диафрагму.

Дополнительно:

- участок трубы, расположенный между входным раструбом и водосливным порогом, и участок трубы, непосредственно примыкающий к выходному раструбу, снабжают перфорацией и обсыпают фильтрующим грунтом;

- водонепроницаемую мембрану выполняют из полимерной пленки, заключенной в геотекстиль, или из геомембраны;

- между водонепроницаемой мембраной и габионами располагают прокладку, выполненную из проволочной сетки, при этом выполняется условие:

_яп< _як,

где _яп - площадь ячейки проволочной сетки прокладки в свету;

_як - площадь ячейки проволочной сетки корзины габиона в свету;

- проволочная сетка прокладки выполнена или плетеной, или крученой, или тканой;

- сопряжение водосливного порога с грунтами основания и бортов осуществляют посредством заполненного связным грунтом зуба;

- в пределах зуба располагают изогнутые охлаждающие трубы сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ), посредством которых образуют водонепроницаемую мерзлотную завесу в основании порога и в его бортах.

Именно, прием и пропуск воды, движущейся по водотоку и его русловому талику в холодный период года, посредством трубы, выполненной по вышеуказанным правилам, обеспечивает в пределах опасного участка водотока уменьшение теплового воздействия на вечномерзлые горные породы и предотвращает образование наледи, препятствующей промерзанию руслового талика в холодный период года. Одновременно с этим выполнение водосливного порога и его бортов в виде цельной гибкой конструкции, заключенной в водонепроницаемую мембрану и теплоизоляционную оболочку, и выполнение из водонепроницаемой мембраны противофильтрационной диафрагмы уменьшает жесткость водосливного порога и его тепловое воздействие на мерзлые грунты. Все это экономит средства и повышает надежность защиты горной выработки от прорыва воды со стороны водотока.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:

- на фиг.1 - разработка месторождения 1 полезного ископаемого, контуры которого показаны пунктиром, схематичный план;

- на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, продольный по оси водотока;

- на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг 2, поперечный по водотоку;

- на фиг.4 - разрез С-С на фиг.2, продольный по оси водосливного порога;

- на фиг.5 - узел I на фиг.2;

- на фиг.6 - типы проволочных сеток для прокладки по ГОСТ 2715-75: а - плетеная; б - крученая; в - тканая.

Пример. Разрабатываемое в условиях вечной мерзлоты месторождение 1 полезного ископаемого в плане пересекается водотоком 2. Гидрогеологической особенностью, установленной изысканиями, является то, что возле естественной поверхности 3 земли и ниже границы ее сезонного оттаивания 4 естественным путем образована водонепроницаемая мерзлая корки 5 с нечетко выраженной нижней границей 6. Эта мерзлая корка 5 в противофильтрационном отношении имеет особо высокое качество под русловым таликом 7 (фиг.3). Водоток 2 и его русловой талик 7 являются сезонно действующими - во второй половине холодного периода года поверхностный сток в водотоке 2 обычно прекращается, а русловой талик 7 перемерзает. Ниже мерзлой корки 5 мерзлые грунтовые породы изобилуют пустотелыми трещинами. По совокупности показателей (площадь, объем, концентрация рудного тела, затраты и др.) левобережная часть месторождения 1 определена к разработке первоочередной.

Защиту горных выработок: карьера 8 (первая очередь разработки) и штреков 9 (последующая очередь разработки) от прорыва воды со стороны водотока 2 осуществляют следующим образом.

Сначала устанавливают границу верхнюю 10 и нижнюю 11 опасного участка 12 водотока 2, со стороны которого возможен прорыв воды в карьер 8 и штреки 9, и положение нижней границы 13 руслового талика 7, образующегося в основании водотока 2 в теплый период года. Затем вдоль опасного участка 12 водотока 2, у его дна 14, внутри руслового талика 7 прокладывают трубу 15, обеспечивающую прием и пропуск грунтовой воды, движущейся по русловому талику 7, и воды поверхностного стока, движущейся по водотоку 2 в объеме, по меньшей мере, начала холодного периода года. Трубу 15 снабжают на одном конце входным раструбом 16, а на другом - выходным раструбом 17 и покрывают теплоизоляционным слоем 18 и устойчивым против размыва, например гравийным грунтом 19. Перед опасным участком 12 водотока 2 труба 15 пересекает водосливной порог (то же, входной оголовок) 20. Этот водосливной порог 20 водонепроницаемо сопрягают с вечномерзлыми грунтами мерзлой корки 5 и с грунтами бортов 21 (фиг.2 и 4), при этом посредством порога 20 обеспечивают подъем уровня воды перед входным раструбом 16 трубы 15 до заданного уровня 22.

Участок трубы 15, расположенный между входным раструбом 16 и водосливным порогом 20, и участок трубы 15, непосредственно примыкающий к выходному раструбу 17, снабжают перфорацией 23 и обсыпают фильтрующим грунтом 24 (фиг.2). Это позволяет сосредоточенно пропускать по теплоизолированной трубе 15 воду руслового талика 7.

Водосливной порог 20 и его борта 21 выполняют из коробчатых габионов (далее габионы) 25, корзины которых выполняют из проволочной сетки и заполняют каменным материалом. Габионы 25 имеют стандартные размеры (длина, ширина, высота), например, 2×1×1 м. Габионы 25 связывают между собой проволокой и образуют из них цельную гибкую габионную конструкцию, которую снизу и с боков заключают в водонепроницаемую мембрану (далее мембрана) 26 и теплоизоляционную оболочку 27 (фиг.5). Мембрану 26 выполняют из полимерной пленки, заключенной в геотекстиль, или из геомембраны, представляющей собой рулонный материал, изготовленный из полиэтилена и имеющий, в отличие от полимерной пленки, толщину до 3,0 мм. Геомембрана также может быть заключенной в геотекстиль. Теплоизоляционную оболочку 27 выполняют, например, из пенопористирола, пенополиуретана или пенофенолформальдегида [4]. Эти материалы, как и другой подобные теплоизоляционные материалы, представляют собой вспененную ячеистую пластмассу с герметически закрытыми порами. При этом из водонепроницаемой мембраны 26 между габионами 25 выполняют противофильтрационную диафрагму 28 (фиг.5).

Между водонепроницаемой мембраной 26 и габионами 25 располагают прокладку 29, выполненную из проволочной сетки. Проволочная сетка прокладки 29 может быть плетеной, или крученой, или тканой (фиг.6), при этом выполняется условие: _яп< _як, где _яп - площадь ячейки 30 (фиг.6) проволочной сетки прокладки 29 в свету (фиг.4 и 5); _як - площадь ячейки проволочной сетки корзины габиона 25 в свету (на чертежах ячейки габионов не показаны). Более целесообразно, если 9 _яп< _як.

В зависимости от местных условий теплоизоляционная оболочка 27 по отношению к мембране 26 может быть расположена с любой из ее двух сторон. Клинообразные полости, образующиеся между габионами 25 водосливного порога 20 и габионами 25 борта 21, заполняют по месту устойчивым против размыва материалом, который дополнительно защищают проволочной сеткой, аналогичной прокладке 29.

Сопряжение водосливного порога 20 с грунтами мерзлой корки 5 основания 31 и бортов 21 осуществляют посредством заполненного связным грунтом зуба 32, в пределах которого располагают изогнутые охлаждающие трубы 33 сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ) 34, посредством которых в холодный период года образуют водонепроницаемую мерзлотную завесу 35 в основании 31 водосливного порога 20 и в его бортах 21. Крепление водотока 2 за водосливным порогом 20 осуществляют габионами 36, имеющими размеры 2×1×0.5 м.

На чертежах дополнительными позициями обозначены: 37 - максимальный уровень воды в водотоке 2; 38 - дорога; 39 - решетка.

С наступлением холодного периода года (период отрицательных температур, который длится около восьми и более месяцев в году) вся грунтовая вода руслового талика 7 и вода поверхностного стока водотока 2, питаемого грунтовой водой бортов, в пределах опасного участка 12 сосредоточенно движется по теплоизолированной трубе 15. Это предотвращает тепловое воздействие водотока 2 на вечномерзлые горные породы, предотвращает образование наледи и не препятствует интенсивному и глубокому промерзанию горных пород под очищенным от снега руслом водотока 2 на его опасном участке 12.

В результате всего этого в холодный период года естественным путем в основании 31 русл а водотока 2 осуществляется увеличение толщины водонепроницаемой мерзлой корки 5 и понижение ее температуры. Это в целом повышает противофильтрационную надежность мерзлой корки 5 при прохождении в теплый период года по водотоку 2 поверхностного стока, превышающего пропускную способность трубы 15.

Выработки (карьер 8 и штреки 9) изменяют напряженное состояние горных пород, что особенно при природных и техногенных сотрясениях обуславливает раскрытие в породах существующих трещин и образование новых и опускание естественной поверхности земли в зоне разработки месторождения 1. Все это может привести к образованию трещин в мерзлой корке 5 под водотоком 2, которые характеризуются двумя особенностями. Во-первых, трещины в утолщенной и низкотемпературной мерзлой корке 5 обладают повышенным свойством самозалечивания за счет замерзания проникшей в них воды. Во-вторых, повышенное охлаждение горных пород обуславливает появление температурных растягивающих напряжений у поверхности земли. Это повышает вероятность образования трещин в горных породах в холодный период года и существенно уменьшает вероятность образование трещин в теплый период года, когда температурные растягивающие напряжения у поверхности земли изменяются на сжимающие напряжения [5].

Образование трещин в мерзлой корке 5 в холодный период не является опасным, поскольку проникновение воды в трещины происходит из промерзающего руслового талика 7 медленно и в дозированном естественным путем количестве. Это обеспечивает заполнение трещин так называемым повторно-жильным льдом, что увеличивает местами толщину мерзлой корки 5 до нескольких десятков метров и повышает ее прочность.

Вероятность образования опасных по величине раскрытия трещин в теплый период года может быть снижена до контролируемой величины за счет соответствующей технологии разработки месторождения.

В примере описан наиболее простой вариант осуществления способа. В настоящее изобретение могут быть внесены различные модификации и изменения без отхода от объема изобретения. Например, борта 21 водосливного порога 20 могут иметь вертикальный вид. В этом случае водосливной порог 20 сопрягают с водотоком 2 посредством выполненных из габионов открылков.

При осуществлении заявленного изобретения выполняются условия «промышленной применимости». Средства, воплощающие изобретение при его осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно при гидротехническом строительстве; подтверждена возможность осуществления изобретения с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств и методов; средства, воплощающие изобретение при его осуществлении, способны обеспечить получение указанного технического результата.

Обозначения

1 - месторождение полезного ископаемого

2 - водоток

3 - естественная поверхность земли

4 - граница сезонного оттаивания

5 - мерзлая корка

6 - нижняя граница мерзлой корки

7 - русловой талик

8 - карьер

9 - штреки

10 - верхняя граница опасного участка водотока

11 - нижняя граница

12 - опасный участок водотока

13 - нижняя граница руслового талика

14 - дно водотока

15 - труба водовод

16 - входной раструб

17 - выходной раструб

18 - теплоизоляционный слой трубы

19 - гравийный грунт

20 - водосливной порог то же: входной оголовок

21 - борт водосливного порога

22 - уровень воды

23 - перфорация трубы

24 - фильтрующий грунт фильтр

25 - габионы 2×1×1

26 - водонепроницаемая мембрана далее: мембрана

27 - теплоизоляционная оболочка

28 - противофильтрационная диафрагма

29 - прокладка

30 - ячейка прокладки

31 - основание водотока

32 - зуб

33 - охлаждающие трубы

34 - СОУ

35 - мерзлотная завеса

36 - габионы 2×1×0.5

37 - максимальный уровень воды в водотоке

38 - дорога

39 - решетка

Источники информации

1. Абрамов С.К., Газизов М.С., Костенко В.И. Защита карьеров от воды.- М.: Недра, 1976, с.9-26.

2. Гидротехнические сооружения: Учеб. для вузов: В 2 ч. Ч.2 / Л.Н.Рассказов, В.Г.Орехов, Ю.П.Правдивцев и др.; Под ред. Л.Н.Рассказова. - М.: Стройиздат, 1996.

3. Ягин В.П., Вайкум В.А. Опорная гидрогеологическая схема-гипотеза многолетней мерзлоты с учетом истории геокриологического развития территории и применительно гидротехнического строительства. Интеллектуальный продукт. 2007. Зарегистрирован ФГУП «ВНТИЦ» под номером 73200700080.

4. ГОСТ 16381-77. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. - М.: Издательство стандартов, 1992.

5. Цитович Н.А. Механика мерзлых грунтов. Учебн. пособие. - М.: Высш. школа, 1973. С.51-57.