Temat: 10. Odwadnianie kopalń i zagrożenia wodne.

Prawie do każdej kopalni następuje przypływ wody, którą trzeba ujmować i usuwać, w przeciwnym razie kopalnia zostałaby zatopiona. Problematyką przypływu wód do kopalni oraz jej odwadnianiem zajmują się różne służby, które w tym zakresie powinny ze sobą ściśle współpracować. Rozpoznanie źródeł dopływu wody, jej jakości orazpomiary dotyczące wielkości przypływu należą do zadań służby mierniczo-geologicznej kopalni. Ujęcie wody w miejscu jej wystąpienia i odprowadzenie do systemu odwadniającego kopalni należy do służb górniczych i energomechanicznych. Służby te są odpowiedzialne również za utrzymanie i funkcjonowanie systemu odwadniającego kopalnię. Obecnie do głównych pompowni kopalń węgla kamiennego doptywa około 700 m³/min wody, co stanowi około 3,6 m³ na 1 tonę wydobycia.

Temat: 10.1. Źródła przyplywu wody do kopalni.

Wody dopływające do kopalni mogą pochodzić z następujących źródeł:

- z górotworu otaczającego wyrobiska górnicze,

- z otwartych zbiorników powierzchniowych,

- z procesów technologicznych.

Doplyw wody z górotworu. Ilość wody dopływającej z górotworu otaczającego wyrobiska zależy od warunków naturalnych i górni­czo-technicznych.

Do warunków naturalnych zalicza się:

- rodzaj i hydrogeologiczne własności oraz ciągłość skał od­dzielających wyrobiska kopalni od powierzchni, ich ułożenie i wzajemne stosunki przestrzenne,

- wielkość i rozkład opadów w ciągu roku,

- rzeźbę i sposób użytkowania terenu na obszarze górniczym kopalni oraz obszarach przyległych.

Spękania skał oraz uskoki i wymycia są naturalnymi drogami, przez które woda dostaje się w głąb do wyrobisk podziemnych.

Do warunków górniczo-technicznych zalicza się:

- sposób eksploatacji,

- sposób rozcięcia złoża i model przestrzenny kopalni,

- kierunek eksploatacji, szybkość i głębokość eksploatacji,

- wielkość obszaru górniczego kopalni itp.

Ze wzrostem terenu objętego eksploatacją zwiększa się obszar, z którego wody przesiąkają do wyrobisk górniczych. W kopalniach płytkich dopływ wody jest zazwyczaj większy i bardziej zależny od opadów atmosferycznych niż w kopalniach głębokich. Przy intensyw­nej eksploatacji wzrasta dopływ wody, gdyż górotwór szybciej oddaje do wyrobisk zawarte w nim zasoby wód.

Sposób wybierania ma znaczny wpływ na wielkość dopływu wody z otaczającego górotworu. Wybieranie z zawałem powoduje najwięk­sze naruszenie, a więc zawalenie i spękanie nadległych warstw, niekiedy aż do powierzchni, może więc stać się powodem bardzo znacznego zwiększenia ilości dopływającej wody. Prowadząc wybiera­nie z ochroną stropu, np. z podsadzką hydrauliczną, można w znacz­nym stopniu ograniczyć przypływ wód do kopalni.

Doplyw wody ze zbiorników powierzchniowych. Zbiorniki wody na powierzchni mogą być naturalne, jak rzeki, stawy, jeziora i morza, lub sztuczne, jak kanały, zbiorniki dla celów energetycznych, prze­mysłowych itp. Ze zbiorników takich woda może przedostawać się do wyrobisk górniczych drogami naturalnymi, a więc przez skały przepu­szczalne, przez spękania, szczeliny uskokowe i wymycia lub drogami wytworzonymi sztucznie wskutek zawału i spękania skał w wyniku eksploatacji.

Doplyw wody z procesów technologicznych. Woda używana jest w ko­palni do różnych celów. Duże ilości wody doprowadza się do kopalni z podsadzką hydrauliczną. Woda podsadzkowa. zawiera zawiesinę gliny z pylastym piaskiem i może niszczyć pompy, dlatego przed wypompowaniem musi być oczyszczona w osadnikach. Poza tym woda używana jest również do innych celów, np. do hydromechaniza­cji, gaszenia pożarów, zwalczania zapylenia, wiercenia otworów strza­łowych z przepłuczką itp. Część tej wody pobierana jest wprost na dole z naturalnego przypływu, a więc nie wpływa na wzrost ilości wody kopalnianej, część jednak pobierana jest dodatkowo z powierz­chni i zwiększa przypływ.

Ogólna ilość wody, jaka dopływa do kopalni i musi być wypom­powana na powierzchnię, jest różna i waha się w bardzo szerokich granicach. Niektóre kopalnie, np. złóż soli i glin, są zupełnie suche. W kopalniach węgla kamiennego w Zagłębiu Górnośląskim notuje się przypływ od 0,3 do 28 m³/min, w Zagłębiu Dolnośląskim od 0,6 do 12 m³/min, w kopalniach rud miedzi od 3 do 15 m³/min, w kopalniach rud cynkowo-ołowianych od 10 do 65 m³/min, w kopal­niach rud żelaza od 0,7 do 20 m³/min, w odkrywkowych kopalniach węgla brunatnego od 21 do 110 m³/min, a w kopalniach siarki od 15 do 40 m³/min.

W myśl przepisów w każdej kopalni powinny być wykonywane regularne, jednak nie rzadziej niż dwa razy w roku, pomiary dopływu oraz analiza chemiczna wody kopalnianej. Przeprowadzone analizy wykazują, że wody kopalniane na ogół nie nadają się do picia. Wody większości kopalń są twarde, tzn. zawierają rozpuszczane sole wapnia i magnezu. Wody kopalń rybnickiego rejonu zawierają duże ilości soli kuchennej powodującej korozję metali. Obliczono, że z wodami kopalnianymi ROW wpływa do rzek około 1000 000 t soli rocznie. Odsolenie tych wód stanowi ważne zagadnienie dla ochrony środo­wiska naturalnego.

Wody niektórych kopalń są kwaśne. Powodują one korozję obudowy murowej, betonowej i żelbetonowej. Woda kopalniana oczyszczona z zawiesiny (sklarowana) i nie zasolona służy jako woda przemysłowa do wzbogacania węgla w zakładach przeróbki mecha­nicznej, do podsadzki hydraulicznej itd.

Temat: 10.2. System odwadniania kopalni

System odwadniania kopalni ma za zadanie ujęcie wody w miejscu jej wypływu i odprowadzanie na powierzchnię kopalni do cieków powierzchniowych, które odprowadzają ją poza obszar górniczy kopalni. Jeżeli woda odprowadzana z kopalni nadaje się do celów przemysłowych, to przynajmniej jej część jest w tym celu za­gospodarowana.

System odwadniania kopalni składa się z następujących elemen­tów:

- odwadniania przodków,

- odwadniania oddziałowego,

- systemu ścieków,

- zbiorników wodnych i komory pomp wraz z odpowiednią siecią rurociągów.

System odwadniania kopalni powinien być tak zaprojektowany, aby nie dopuścić do utrudniania prowadzenia robót oraz chronić wyrobiska, obudowę i wyposażenie wyrobisk przed agresywnym działaniem wody kopalnianej.

Odwadnianie przodków. Polega ono na usuwaniu wody z przodków lub pojedynczych wyrobisk do ścieków bądź też do innych dróg wodnych, którymi woda spływa do zbiorników wodnych oddziało­wych lub przyszybowych.

Rys. 10.1. Pompy przod­kowe

a - pneumatyczna PP-100,

b - przeponowa OP-80,

c - elektryczna Ew-50

W odwadnianiu przodkowym stosuje się lekkie pompy przenośne lub stałe o wydajności do 0,35 m³/min i wysokości tłoczenia do 25 m, o napędzie elektrycznym lub pneumatycznym (rys. 10.1).

Odwadnianie oddziałowe. Ma ono na celu usuwanie wody z pewnych pól oddziałowych, z których woda nie może samoczynnie spływać do zbiorników głównego odwadniania pod szybem. W odwadnianiu oddziałowym stosuje się stałe pompy wirnikowe elektryczne o wydaj­ności kilku m³/min i wysokości tłoczenia około 100 m.

System ścieków. Ścieki przeważnie zakłada się w głównych wyro­biskach korytarzowych poziomu wydobywczego kopalni (przekopy i przecznice, chodniki główne, pochylnie). Wyrobiska te, a także założone w nich ścieki mają pochylenie w kierunku podszybia wy­noszące przeważnie 3 do 5^o/₀₀, dzięki temu woda spływa samoczyn­nie. Ściek wykonuje się zwykle od strony dolnego ociosu, rzadziej w środku chodnika. W chodnikach drugorzędnych wykonuje się ścieki otwarte i nie obudowane, w chodnikach głównych natomiast obudo­wuje się je w postaci zamkniętego kanału.

Aby woda z podtorza (spodku chodnika) mogła spływać do ścieku, powinno ono być nieco pochylone w kierunku ścieku, w ściance ścieku natomiast muszą być wykonane otwory dla umożliwienia spływu wody do ścieku. Pojemność ścieku powinna być tak dobrana, aby zapewniła swobodny spływ dopływającej do niego wody. Należy przy tym uwzględnić pewną rezerwę na zamulenie ścieku. Dno ścieku powinno być usytuowane na odpowiedniej głębokości, aby poziom płynącej w nim wody znajdował się poniżej spodka chodnika. Dla ochrony przed zanieczyszczeniem oraz dla umożliwienia ludziom przejścia nakrywa się ściek płytami betonowymi prefabrykowanymi lub deskami.

Gdy dopływ wody jest duży i spąg pęcznieje, wówczas lepiej jest zamiast ścieków, które wskutek wyciskania spągu., mogą ulegać zatkaniu, prowadzić osobne chodniki wodne poniżej chodnika trans­portowego. Chodnikami tymi odprowadza się wodę aż do zbiorników przy komorze pomp.

Zbiorniki wodne i komora pomp. W celu pomieszczenia wody do­prowadzonej ściekami w rejon szybu oraz oczyszczania jej w pewnym stopniu z mechanicznych zanieczyszczeń przed wypompowaniem na powierzchnię, wykonuje się w pobliżu szybu zbiorniki w postaci chodników wodnych, spełniających również zadanie osadników. Pojemność tych zbiorników musi być tak dobrana, aby pomieściły ilość wody, łącznie z wodą podsadzkową w ciągu 12 godzin. Ma to na celu uzyskanie niezbędnej rezerwy na wypadek zwiększonego prze­pływu lub awarii pomp. Poziom stropu chodników wodnych powinien znajdować się poniżej poziomu podszybia, aby w razie całkowitego ich zapełnienia woda nie zalewała podszybia.

Należy umożliwić oczyszczanie chodników wodnych z mułu nano­szonego przez wodę. W tym celu powinny być one wykonane w postaci dwóch niezależnych części, z których każdą można przez zamknięcie śluz wyłączyć na czas czyszczenia, podczas gdy druga w tym czasie jest czynna. Czyszczenie chodników wodnych powinno odbywać się mechanicznie.

10.2. Wyrobiska głównego odwadniania przy dwustronnym dopływie wody

1 - podszybie, 5 - upadowe wodne, 9 - kanały wodne,

2 - komora pomp, 6 - chodnik doptywowy, 10 - szybiki wentylacyjne,

3 - komora rozdzielni, 7 - chodnik dojazdowy, 11 - chodnik wentylacyjny,

4 - zbiorniki wodne, 8 - kanał rurowy, 12 - wnęki na kołowroty

Z chodników wodnych woda dopływa pod pompy ustawione w komorze pomp. Komora pomp musi mieć dostęp z szybu i pod­szybia oraz niezależną wentylację, aby w razie zatopienia kopalni lub pożaru był możliwy dostęp do pomp. Poziom komory pomp powinien znajdować się powyżej poziomu podszybia.

Przykład usytuowania zbiorników wodnych i komory pomp przy szybie przedstawiono na rys. 10.2 oraz rys. 10.3.

Komory pomp głównego odwadniania na poziomach oraz w głów­nych upadowych o dopływie wody ponad 1 m³/min powinny być wyposażone w następującą liczbę pomp:

- na poziomach z naturalnym dopływem wody - w trzy pompy tego samego typu,

- na poziomach z naturalnym dopływem wody oraz dopływem wody z podsadzki lub hydrotransportu - w cztery pompy tego samego typu.

Każda pompa lub zespół pomp powinien wystarczać do odpompowania całkowitego dobowego dopływu wody w czasie nie dłuższym niż 20 h. Urządzenia głównego odwadniania powinny mieć rurociąg lub rurociągi tłoczne o łącznej przepustowości nie mniejszej niż łączna wydajność wszystkich zainstalowanych pomp, przy prędkości prze­pływu nie większej niż 3 m/s.

W przypadku utrzymywania jednego rurociągu tłocznego należy przewidzieć miejsce dla zabudowania drugiego rurociągu, niezbędnego np. dla wymiany rurociągu czynnego. Gdy urządzenie odwadniania głównego ma dwa lub więcej rurociągów tłocznych, wówczas powinna być możliwość niezależnego tłoczenia każdą pompą co najmniej do dwóch rurociągów.

Komory pomp głównego odwadniania powinny mieć co najmniej dwa wyjścia, w tym jedno od strony chodnika przewozowego, za­bezpieczone tamą wodną, a drugie do szybu na wysokości co naj­mniej 7 m nad poziomem główki szyny chodnika przewozowego przy komorze; wyjście z komory powinno mieć zabezpieczony i swo­bodny dostęp do przedziału drabinowego albo do przedziału wy­ciągowego.

Komory pomp głównego odwadniania powinny być wyposażone w oświetlenie elektryczne oraz wskaźniki stanu wody w zbiornikach. Ponadto powinny one być wyposażone w sygnalizację alarmową zagrożenia wodnego i komory rozdzielni głównego odwadniania, działającą w przypadku przekroczenia najwyższego dopuszczalnego poziomu wody w rząpiu komory pomp lub w zbiorniku wodnym, oraz łączność telefoniczną z dyspozytorem kopalni.

Silniki pomp głównego odwadniania muszą mieć zapewniony dopływ prądu elektrycznego co najmniej z dwóch niezależnych głów­nych kabli zasilających. Do odwadniania kopalń stosuje się obecnie wyłącznie wielowir­nikowe pompy odśrodkowe o dużej wydajności i wysokości tłoczenia, napędzane silnikami elektrycznymi.

Schemat odwadniania głó­wnego przedstawiono na rys. 10.4.

a) b)

Rys. 10.4. Schematy odwadniania bez­pośredniego

a - jednopoziomowego, b - dwupoziomowego

Zasadą stosowaną dość powszechnie w odwadnianiu jest pompo­wanie wody z tego poziomu, na którym się ona zbiera. Opuszczanie wody na dolny poziom powoduje niepotrzebne dodatkowe zużycie energii elektrycznej i podnosi koszty odwadniania. Opuszczanie wody na niższy poziom jest praktykowane tylko wtedy, gdy z różnych przyczyn może dojść do przekroczenia poziomu wody ponad poziom dopuszczony.

Temat: 10.3. Zagrożenia wodne kopalń.

Niezależnie od dopływów normalnych w kopalniach mogą się zda­rzyć niespodziewane, zwykle krótkotrwałe, wdarcia wody w dużych ilościach.

Z doświadczeń polskiego górnictwa można podać, że chwilowe maksymalne dopływy dochodzą:

- przy odsłonięciu wodonośnych usko­ków - do 10 m³/min,

- przy odsłonięciu komór krasowych - do 100 m³/min,

- przy odsłonięciu starych zawodnionych zrobów - do kilkuset m³/min.

Możliwość wdarcia się wody lub kurzawki do wyrobisk górniczych w ilości, która może zagrozić bezpieczeństwu załogi lub zakładu górniczego, określa się mianem zagrożenia wodnego. Źródłem za­grożenia wodnego mogą być zarówno wody powierzchniowe, jak i podziemne mieszczące się w skałach, wyrobiskach, otworach oraz luźne skały zawodnione.

W celu rozeznania zagrożenia wodnego przy prowadzeniu wyro­bisk górniczych i odprowadzenia wody ze stwierdzonego zbiornika wodnego wykonuje się w wyrobiskach otwory wiertnicze.

Rozróżnia się trzy rodzaje tych otworów:

- wyprzedzające (przedwierty),

- badawcze,

- drenujące.

Otwory wyprzedzające należy wiercić długości nie mniejszej jak 4 m w czole wyrobiska w kierunku postępu przodku oraz w stropie, spągu i ociosach - po każdym odstrzale przodka.

Otwory badawcze należy wiercić do głębokości co najmniej 25 m, skierowane według zasad jak dla otworów wyprzedzających, przy czym otwór powinien sięgać poza ociosy na odległość co najmniej 8 m. Otwory badawcze nalezy wiercić przez rurę obsadową z zasuwą lub zaworem, przy czym jej długość nie może być mniejsza niż 6 m. Osadza się ją w górotworze przez zacementowanie, a szczelność i wytrzymałość osadzenia rury bada się przez wtłaczanie do niej wody pod ustalonym ciśnieniem większym o 50% od maksymalnego spo­dziewanego w danym otworze.

Otwory drenujące - ich głównym celem jest osuszenie zbiornika wody i przez to likwidacja zagrożenia wodnego; wierci się je podobnie jak otwory badawcze.

Wyniki wierceń otworów wyprzedzających, badawczych i drenują­cych rejestruje się w odpowiednich dziennikach wiertniczych.

W skład dokumentacji zwalczania zagrożeń wodnych kopalni wchodzą:

- dokumentacja hydrogeologiczna kopalni,

- książka zagrożeń wodnych,

- książka kontroli tam wodnych,

- książka kontroli sygnalizacji alarmowej,

- raporty wiertnicze otworów badawczych i drenażowych,

- dzienniki wiertnicze otworów badawczych i drenażowych,

- dzienniki wiertnicze dla przedwiertów.

Temat: 10.4. Tamy wodne, ich rodzaje i zastosowanie.

Najprostszą tamą wodną jest tama filtrująca zbudowana z desek lub okrąglaków.

Na rys. 10.5 pokazano tamę z okrąglaków. Najpierw ustawia się podwójne odrzwia drewniane wzmocnione rozporami i pomiędzy nimi zakłada się poziomo okrąglaki. Następnie uszczelnia się tamę słomą i sianem. Tamy filtrujące buduje się wtedy, gdy woda wypływająca, np. ze szczeliny uskokowej, niesie ze sobą ił i piasek. Zadaniem ich jest przepuszczenie wody, a zatrzymanie części stałych.

Rys. 10.5. Tama filtrująca z okrąglaków

Do całkowitego odizolowania zawodnionej części kopalni lub stopniowego osuszania służą tamy wodne szczelne, które mogą być pełne - głuche lub z drzwiami, czyli tzw. tamy bezpieczeństwa. Tamy te muszą być bardzo szczelne i wytrzymałe, gdyż ciśnienie wody, któremu muszą się przeciwstawić, dochodzi niejednokrotnie do kilku MPa. Przede wszystkim górotwór, w którym będzie się stawiało tamę, musi być wytrzymały i nieprzepuszczalny dla wody. Gdy skała jest w pewnym stopniu przepuszczalna dla wody, wtedy należy chodnik omurować, obetonować albo otorkretować.

W celu uzyskania silnego oparcia dla tamy wykonuje się pojedyn­czą lub kilkustopniową wnękę bez użycia MW, lecz wyłącznie ręcznie lub młotkami pneumatycznymi, aby w ociosach nie powstały spękania.

Tamy wodoszczelne pełne. Wykonuje się je, zależnie od wielkości ciśnienia wody i od przeznaczenia, z cegły na zaprawie cementowej, z betonu lub żelazobetonu.

1

Rys. 10.6. Odprowadzenie wody w czasie budowy tamy wodnej

1 - wnęka dla tamy,

2 - próg tamy,

3 - rura odpływowa

Miejsce budowy tamy musi być odwodnione, aby woda nie przeszkadzała w prowadzemu robót. W tym celu z obu stron miejsca budowy wykonuje się progi z gliny ubitej pomiędzy deskami i spię­trzającą się wodę odprowadza pochyłą rurą odpływową (rys. 10.6). Rura ta po zbudowaniu tamy służy do odprowadzania wody z otamo­wanej przestrzeni.

W górnej części tamy zakłada się cienką rurkę, której koniec za tamą doprowadza się pod strop. Służy ona do odprowadzenia spoza tamy powietrza sprężanego wskutek podnoszenia się poziomu wody, gdyż mogłoby ono rozerwać świeżo zbudowaną tamę zanim jeszcze zaprawa lub beton całkowicie stwardnieje. Do rurki tej, po całkowitym zalaniu przestrzeni za tamą, zakłada się manometr dla obserwacji ciśnienia wody.

Tamy drewniane. Tamy te mogą być belkowe i klocowe. Tamy belkowe mogą być budowane przy niewielkich ciśnieniach jako stojące lub leżące.

Budowę tamy stojącej (rys. 10.7) rozpoczyna się - po wykonaniu odwodnienia i gniazd oporowych w stropie oraz spągu chodnika - od ułożenia na spągu i przy stropie warstw mchu, na którym kładzie się deski z miękkiego drewna. Pomiędzy tymi deskami wbija się belki dębowe lub sosnowe o przekroju kwadratowym i ściętych skośnie

końcach - poczynając od ociosów i posuwając się ku środkowi chod­nika. Ostatnią belkę ustawia się luź­no i dociąga śrubą umocowaną do mocnego stojaka ustawionego od strony zewnętrznej (powietrznej) ta­my.

Rys. 10.7. Tama belkowa stojąca

Tamy klocowe (rys. 10.8) buduje się dla większych ciśnień (około 2 MPa). Wykonuje się je z belek sosnowych o przekroju kwadra­towym o kształcie klinowym, tak że tama ma kształt wycinka kuli. Tamę uszczelnia się od strony wodnej, dlatego musi być w niej wykonany właz.

Rys. 10.8. Tama klocowa

Tamy murowane. Mogą one mieć kształt odcinków ostrosłupa, walca lub kuli (rys. 10.9). Pod względem wytrzymałości na ciśnienie wody najlepsze są tamy kuliste, są one jednak najtrudniejsze do wykonania.

Tamy wykonuje się z cegły najwyższej jakości lub z klinkieru na zaprawie cementowej o stosunku cementu do piasku 1:2, a przy dużym ciśnieniu 1: 1.

Tamy betonowe i żelazobetonowe. Wykonuje się je przeważnie o kształ­cie ostrosłupowym lub blokowym ze względu na trudności, jakie sprawiałoby wykonanie tam o innym kształcie. Przy dużych ciśnieniach wykonuje się tamy blokowe, pełne wielostopniowe (rys. 10.10).

Rys. 10.10. Tama wodna betonowa wielostopniowa

Rys. 10.11. Tama bezpieczeństwa betonowa z drzwiami stalowymi

Tamy bezpieczeństwa (rys. 10.11). Zaopatruje się je w mocno osadzone w obramowaniu betonowym odrzwia stalowe, w których osadzone są w zawiasach jedno- lub dwuskrzydłowe drzwi ze staliwa. Drzwi mają kształt wypukły i są zwrócone wypukłością w kierunku spodziewanego naporu wody.

W dolnej części tamy dla odpływu wody, gdy drzwi są otwarte, umieszczona jest rura, którą po zamknięciu tamy zamyka się stalową pokrywą lub zaworem albo zasuwą. Od góry umieszczona jest rurka dla odpływu powietrza po zamknięciu tamy. W razie niebezpieczeń­stwa zalania kopalni drzwi zamyka się i zakręca śrubami.

Pytania kontrolne

1. Z jakich źródeł mogą pochodzić wody dopływające do kopalni?

2. Jakie elementy tworzą system odwadniania kopalni?

3. Co wiesz o komorze pomp głównego odwadniania?

4. Po co buduje się tamy wodne - jakie znasz ich rodzaje?

---