Politechnika Śląska Gliwice, 2001

Wydział G&G

Specjalność: KST

Sem. VII.

PROJEKT Z HYDROGEOLOGII

„Prognoza dopływu wody do szybu i wyrobisk górniczych”

Wykonał:

Krystian LOSKOT

Zakres i cel projektu

Celem projektu jest:

• scharakteryzowanie warunków hydrogeologicznych w rejonie, w którym będzie prowadzona podziemna eksploatacja węgla kamiennego,

• określenie prognozy dopływu wody do szybu i wyrobisk górniczych,

• określenie stopni i źródeł zagrożeń wodnych oraz ich zwalczanie

Budowa geologiczna obszaru

Obszar ten występuje na terenie północno-wschodnim skrzydła niecki węglowej Zagłębia Górnośląskiego. Obszar ten w rejonie szybu przedstawia układ hydrogeologiczny gdzie poziom wodonośny utworów czwartorzędowych zalega bezpośrednio na stropie warstw karbońskich. Piaski czwartorzędowe są przecięte warstwą iłów trzeciorzędowych o miąższości 60 m, co daje nam dwa poziomy wodonośne. W tym układzie warstwy karbońskie są zbudowane z piaskowców. Warstwy karbońskie występują na głębokości 452 m, są poprzecinane uskokami o kącie około 70 °. Pokład jest usytuowane poziomo. Na obszarze tym należy liczyć się z zagrożeniami wodnymi, a także z odkształceniami powierzchni wynikającymi z odwaniania warstw nadkładu. Główny dopływ wód do kopalń pochodzi z infiltracji opadów atmosferycznych.

Warunki hydrogeologiczne

W omawianym obszarze występują dwa piętra (poziomy) wodonośne. Pierwsze piętro tworzą piaski czwartorzędowe o współczynniku filtracji k=10^-4 m/s. Warstwa piasku zalega poziomo pod powierzchnią i ma miąższość 160 m. Zwierciadło w tej warstwie ma charakter swobodny i ustaliło się na głębokości 40 m. Poziom ten zasilany jest bezpośrednio z opadów atmosferycznych. Piętro pierwsze oddzielone jest od piętra drugiego warstwą iłów trzeciorzędowych o grubości 60 m. Drugie piętro wodonośne stanowią wspólnie piaski czwartorzędowe oraz piaskowiec karboński. Współczynnik filtracji piasków jest taki sam jak w pierwszym piętrze wodonośnym czyli wynosi k=10^-4 m/s, natomiast współczynnik ten dla piaskowca karbońskiego wynosi k=10^-6 m/s. Zwierciadło tej warstwy ustaliło się również na głębokości 120 m od powierzchni terenu. Warstwy te zasilane są poprzez infiltrację z poziomu czwartorzędowego oraz przez szczelinę uskokową w dużej odległości od szybu. Chemizm wód wyrażony suchą pozostałością waha się od 200÷600 mg/dm³. Są to wody o niskiej mineralizacji. Złoża zalicza się do grupy II klasy 5 i 6.

Prognoza dopływu wody do szybu i do wyrobiska górniczego

Dopływ wody do szybu

Dopływ z warstwy piasku czwartorzędowego (zwierciadło swododne).

Dane:

k₁= 10^-4 [m/s],

H₁= S₁= 80 [m],

r = 5 [m],

h₁= 0,

Dopływ z warstwy piasku i piaskowca (zwierciadło napięte).

Dane:

H₂ = S₂ = 416 [m],

k^' = 10^-4 [m/s],

k” = 10^-6 [m/s],

m₁=46 [m],

m₂ = 98 [m],

(zał. k`=k``)

,

r = 5 [m],

Całkowity dopływ wody do szybu wyniesie:

Q_c = Q₁+ Q₂

Q_c = 0,046[m³/s] = 2,76 [m³/min]

Dopływ wody do wyrobiska górniczego

Dopływ do zaprojektowanego wyrobiska górniczego pochodzić będzie ze stropowej warstwy piaskowca o miąższości 176 m oraz z leżącego nad nim piasku czwartorzędowego o miąższości 96 m. Współczynnik filtracji wynosi 7⋅10^-5 m/s.

Dopływ wody do wyrobiska poziomego liczony jest metodą wielkiej studni.

Gdy kształt wyrobiska górniczego zbliżony jest do koła lub do kwadratu, wtedy stosujemy wzór:

r_o - promień zastępczy, [m]

F - powierzchnia wyrobisk górniczych, [m²]

F = 6 km² = 6000000 m²

[m]

k = 7⋅10^-5 [m/s]

m =172 [m]

S = 312 [m]

R = 3000⋅312⋅
=10341,1 [m]

R₀ = r₀ + R

R₀ = 1382+2861,4 = 4273,4 [m]

Stopnie i źródła zagrożeń wodnych

Zagrożeniem wodnym nazywamy nagły, a tym samym niespodziewany wypływ wody do wyrobisk górniczych, przy czym ilość dopływającej wody jest większa od wydajności urządzeń głównego odwodnienia lub urządzeń zainstalowanych w wyrobiskach udostępniających lub przygotowawczych.

Zagrożeniem są nie tylko wielkie zbiorniki wodne, lecz także małe, w przypadku gdy spływ wody z nich do wyrobisk górniczych nastąpi w przeciągu kilku sekund.

Źródła zagrożenia wodnego dla szybu

Źródła zagrożenia wodnego dla szybu stanowią dwa poziomy wodonośne: czwartorzędowy i karboński.

Poziom czwartorzędowy zbudowany jest generalnie z warstwy piasków stale zasilanych przez wodę pochodzenia atmosferycznego. Warstwa ta stanowi zagrożenie, gdyż w przypadku uszkodzenia obudowy powstanie zagrożenie dla wyrobisk, wieży szybowej oraz obiektów na powierzchni.

Zagrożeniem wodnym dla szybu w warstwie karbonu jest warstwa piaskowca, z której woda może infiltrować poprzez spękania obudowy do wnętrza szybu.

Źródła zagrożenia wodnego dla wyrobiska górniczego

Źródłem zagrożenia wodnego dla wyrobiska jest warstwa piaskowca karbońskiego będącego pod ciśnieniem hydrostatycznym znajdująca się w spągu pokładu przewidzianego do eksploatacji. Warstwy wodonośne zalegają bezpośrednio stropy pokładu węgla, a co za tym idzie w stropach wyrobisk górniczych. Układ hydrogeologiczny omawianego rejonu ma charakter otwarty. W tym przypadku może dojść do wdarcia się wody lub kurzawki do wyrobisk poprzez nieszczelności w obudowie.

Może również dojść do wdarcia się wody lub kurzawki poprzez szczelinę uskokową występującą w pobliżu wyrobiska górniczego.

Ustalenie stopnia zagrożenia wodnego dla szybu i wyrobiska górniczego

Na podstawie Zarządzenia Prezesa WUG z dnia 3 sierpnia 1994 roku w sprawie określenia kryteriów oceny zagrożeń naturalnych oraz trybu zaliczania złóż kopalin, ich części lub wyrobisk górniczych do poszczególnych stopni zagrożeń, zalicza się:

Szyb:

• I stopień zagrożenia wodnego do głębokości 44 m ze względu na obecność piasków czwartorzędowych, a co za tym idzie możliwość dopływu wody infiltracyjnej z warstw piasku,

• II stopień zagrożenia wodnego od 44 m do poziomu węgla ze względu na obecność piaskowca w warstwie karbonu.

Wyrobisko górnicze:

• II stopień zagrożenia wodnego ponieważ dopływ będzie dochodził ze stropowej warstwy piaskowca karbońskiego oraz zalegającego na nim piasku,

• I stopień zagrożenia wodnego ze względu na istnienie w okolicy złoża przewidzianego do eksploatacji szczeliny uskokowej.

Sposoby likwidacji zagrożeń wodnych

Likwidacja zagrożeń wodnych dla szybu.

W warstwie piasków czwartorzędowych czyli poziomu wodonośnego proponuję zastosować wyprzedzające osuszanie za pomocą specjalnych otworów hydrogeologicznych wierconych z powierzchni. Głębienie szybu w górnym odcinku należy wykonać metodą zamrażania do stropu warstwy iłów trzeciorzędowych w której należy wykonać obudowę szybu betonową. W warstwie piaskowca należy wykonać obudowę wodoszczelną.

Przy głębieniu szybu zastosować można odwodnienie wyprzedzające. Wykonuje się je za pomocą studni depresyjnych odwierconych z wnętrza szybu. Metoda ta jest najlepsza, gdyż jest tania oraz daje możliwość uzyskiwania pozytywnych efektów w krótkim czasie. Studnie depresyjne są wykonywane na kilkanaście metrów poniżej rząpia szybu. Przy tej metodzie pompy przetłaczają wodę bezpośrednio na powierzchnię wytwarzając depresję o kilka metrów poniżej dna rząpia. W ten sposób stwarza się odpowiednie warunki do pogłębiania szybu oraz uzyskuje się możliwość wykonania podszybia i komory pomp.

Likwidacja zagrożeń wodnych dla wyrobiska górniczego

Wyrobisko górnicze powinno być drążone z prowadzeniem wyprzedzających otworów wiertniczych, wykonywanych w czole wyrobiska o długości około 5 m w spągu i w ociosach wyrobiska. W pobliżu uskoku można zastosować także tamę wodoszczelną o promieniu około 50 m.

Warstwa piaskowca znajdująca się w spągu pokładu powinna być osuszona metodą drenażu.

Sposób odwodnienia kopalni

W celu odwodnienia pól eksploatacyjnych należy wykonać ścieki wodne o nachyleniu 5 ‰. Wykonane je należy w chodnikach i przekopach przewozowych po stronie przejścia dla załogi. Ścieki wykonane są z prefabrykatów betonowych i przykryte prefabrykowanymi płytami betonowymi. Należy przyjąć wymiary ścieków 0,5m×0,5m, gdyż są to standardowe i najpowszechniej stosowane wymiary ścieków w kopalniach. W celu zachowania czystości w ściekach, należy wykonywać co kilkadziesiąt metrów odmulniki.

Następnym elementem jaki należy zaprojektować to chodniki pojemnościowe. Służą one do gromadzenia wód dołowych z dopływu naturalnego. Każda kopalnia musi mieć przy komorze pomp głównego odwadniania co najmniej dwa niezależne od siebie zbiorniki wodne w postaci chodników (najlepiej o takiej samej pojemności).

iGliwice, 23styczeń 2001

---