SPIS TREŚCI

WSTĘP 2

1. PODSTAWY METODYCZNE OBLICZANIA DOPŁYWU DO WYROBISKA ODKRYWKOWEGO 3

1. Metoda wielkiej studni 4

2. Metoda analogii hydrogeologicznej 4

3. Metoda uwzględniająca dopływ z dna wyrobiska 5

2. WYNIKI OBLICZEŃ 6

1. Metoda wielkiej studni 6

2. Metoda analogii hydrogeologicznej 6

3. Metoda uwzględniająca dopływ z dna wyrobiska 7

3. PODSUMOWANIE 8

LITERATURA 9

WSTĘP

Obliczenie dopływu do wyrobiska odkrywkowego oraz jego zmian w czasie jest ważne z wielu względów praktycznych. Znajomość wielkości dopływu jest istotna przy zaplanowaniu sposobu i tempa odwadniania wyrobiska. Pozwala również ocenić zasięg leja depresji, a zatem wpływ działalności górniczej na lokalne wody podziemne. Należy jednak mieć świadomość, że wykorzystywane modele obliczeniowe w dużej mierze są uproszczone co może wynikać z niewystarczającej ilości informacji na temat budowy geologicznej czy zmienności warunków hydrogeologicznych (Kulma R., 1995). Otrzymywane wyniki są tym dokładniejsze im lepszy, jak najbardziej odpowiadający rzeczywistości model analityczny został przyjęty do obliczeń.

Naturalne zasoby wód podziemnych dzieli się na: statyczne, dynamiczne, dyspozycyjne i eksploatacyjne. Zasoby statyczne jest to objętość wody wolnej zawartej w porach i szczelinach poziomu wodonośnego. Odmianą zasobów statycznych istotną z punktu widzenia odwadniania są zasoby sprężyste wód podziemnych. Wielkość tych zasobów zależy od powierzchni leja depresji, współczynnika zasobności sprężystej warstwy wodonośnej oraz średniej depresji. Zasoby dynamiczne (odnawialne) to ilość wody przepływająca w jednostce czasu przez przekrój poprzeczny poziomu wodonośnego (Rogoż M., 2000).

Zmiany dopływu do wyrobiska kopalni nowo budowanej można wyrazić za pomocą krzywej rozwoju dopływów (fig.1). Z reguły wyróżnia się trzy fazy.

Źródło: Opracowanie własne na podstawie Rogoż M., 2000.

Fig. 1. Typowa krzywa rozwoju dopływów wody do kopalni.

Dla pierwszej fazy charakterystyczny jest intensywny wzrost dopływu związany ze sczerpywaniem zasobów statycznych będących w bezpośrednim sąsiedztwie wyrobiska. Tworzący się lej depresji jest wąski i głęboki. W tej fazie dopływ z zasobów dynamicznych jest nieznaczny. W kolejnej fazie następuje stopniowy spadek dopływu. Lej depresji ulega wypłaszczaniu i zwiększa się jego zasięg co wpływa na wzrost udziału dopływów z zasobów dynamicznych. W ostatniej fazie dopływy stabilizują się ale generalnie dopływ z zasobów dynamicznych jest zależny od zasilnia z infiltracji stąd wykazuje pewne fluktuacje (Rogoż M., 2000).

Kluczowe znaczenie w analizie wielkości dopływu do wyrobiska ma również jego ocena w kontekście zasobów eksploatacyjnych czyli dopuszczalnego poboru wód podziemnych przy określonym sposobie eksploatacji, przy określonej rzędnej odwadniania (i wynikającej z tego tytułu depresji) (Rogoż M., 2000).

Celem projektu jest obliczenie dopływu do wyrobiska przy wykorzystaniu trzech metod: wielkiej studni, analogii hydrogeologicznej oraz metody uwzględniającej dopływ przez dno wyrobiska. Porównano również wyniki uzyskane przy zastosowaniu wyżej wymienionych metod. Do obliczeń przyjęto trzy warianty zmiennej współczynnika filtracji - k. We wszystkich modelach analitycznych założono izotropię współczynnika - k.

1. PODSTAWY METODYCZNE OBLICZANIA DOPŁYWU DO WYROBISKA ODKRYWKOWEGO

Do obliczeń przyjęto parametry oraz wymiary dla hipotetycznego wyrobiska o geometrii zbliżonej do prostokąta (fig.2). Założono, że poziom głębszy ma nieznacznie mniejsze rozmiary od poziomu wyższego.

Dane do obliczeń:

B=125m

L=150m

H=40m

s₁=15m; h₁=25m

s₂=35m; h₂=5m

z₁= 305 m n.p.m.

z₂= 285 m n.p.m.

z₃= 270 m n.p.m.

z₄= 250 m n.p.m.

z₅= 240 m n.p.m.

Źródło: Opracowanie własne.

Fig. 2. Schemat wyrobiska przyjętego do obliczeń.

1. Metoda wielkiej studni

Wykorzystując tę metodę stosuje się wzory hydrauliki podziemnej. Najlepsze wyniki otrzymuje się zwłaszcza przy prostych warunkach hydrogeologicznych przy dopływie dynamicznym. Obliczając dopływ wyrobisko traktuje się jako wielką studnię, o powierzchni zbliżonej kształtem do koła, kwadratu lub krótkiego prostokąta (Turek, 1971). Należy obliczyć promień zastępczy wyrobiska r₀ oraz zasięg leja depresji R.

W obliczeniach zastosowano następujące wzory:

-
(1.1)

-
(1.2)

- R₀=R+r₀ (1.3)

-
(1.4)

2. Metoda analogii hydrogeologicznej

W danej metodzie porównuje się wyniki odwadniania istniejących wyrobisk, najbardziej podobnych do badanego. W danym przypadku dopływ do pogłębionego poziomu eksploatacyjnego został obliczony na podstawie analogii do poziomu wyższego. Zastosowano metodę analogii jednoparametrowej z uwzględnieniem różnic depresji.

Zastosowane wzory:

-
(1.5)

-
(1.6)

Dopływy obliczone dwoma powyższymi wzorami są granicami przedziału, w którym może zawierać się Q.

3. Metoda uwzględniająca z uwzględnieniem dopływu z dna wyrobiska

W przeciwieństwie do wielu opublikowanych dotychczas metod obliczania dopływu wód podziemnych do kopalni odkrywkowych w danej metodzie uwzględniony jest dodatkowo dopływ wód przez dno wyrobiska (Marinelli F., Niccoli W.L., 2000). Faza obliczeniowa podzielona jest na dwa etapy: obliczenie dopływu ze ścian wyrobiska oraz obliczenie dopływu przez jego dno. Dodatkowo uwzględnia się zasilanie jednostkowe warstwy wodonośnej. W strefie 1 czyli dopływu ze ścian zakłada się m.in. przepływ wody horyzontalny, w przybliżeniu poziomo ułożone pierwotne statyczne zwierciadło wód podziemnych, a także równomiernie rozłożone zasilanie zachodzące w wyniku infiltracji- całość infiltrującej wody w obrębie zasięgu leja depresji jest przechwytywana przez wyrobisko. Jeżeli chodzi o strefę 2- dopływu przez dno zakłada się przepływ trójwymiarowy i osiowo-symetryczny, poziom zwierciadła wód podziemnych ma taką rzędną jak dno wyrobiska w przypadku całkowitego jego odwodnienia. W obliczeniach przyjęto następujące wartości parametrów:

- opady 700mm

- współczynnik infiltracji 15%

Zastosowano następujące wzory:

-
(1.7)

-
(1.8), gdzie
(1.9)

W danym przypadku wartość m₂ wynosi 1 ponieważ założono izotropię współczynnika filtracji tj. równe wartości w kierunku pionowym (k_v2) i poziomym (k_h2). Z racji, że w wyrobisku zakłada się brak zbiornika, w związku z powyzszym d we wzorze wynosi 0. We wzorach 1.7 i 1.8 zastosowano takie same oznaczenia jak dla wzorów zastosowanych do obliczenia promienia zastępczego oraz zasięgu leja depresji.

2. WYNIKI OBLICZEŃ

1. Metoda wielkiej studni.

Wyniki obliczeń dla poszczególnych wariantów współczynnika filtracji k dla poziomu pierwszego oraz drugiego zestawiono w tab.1. Z racji innej geometrii niższego poziomu jego powierzchnia jest mniejsza przez co w wariancie drugim i trzecim dopływ jest minimalnie mniejszy niż dla poziomu wyższego. Im wyższy współczynnik w filtracji tym większy dopływ.

Tab.1. Obliczenia wartości poszczególnych parametrów dla metody wielkiej studni.

	k1	k2	k3
Poziom I
k[m/s]	5*10^-5	10^-5	5*10^-6
r0	77,3	77,3	77,3
R	318,2	142,3	100,6
R0	395,5	219,6	177,9
Q[m^3/s]	0,036	0,011	0,007
Q[m^3/min]	2,16	0,67	0,42
Poziom II
r0	77,3	77,3	77,3
R	742,5	332,0	234,8
R0	819,8	409,3	312,1
Q[m^3/s]	0,104	0,029	0,018
Q[m^3/min]	6,27	1,78	1,060

Źródło: Opracowanie własne.

2. Metoda analogii hydrogeologicznej

Dopływ dla poziomu pierwszego do obliczeń prognostycznych dopływu do poziomu drugiego, dla poszczególnych wariantów współczynnika filtracji k został przyjęty z obliczeń dla metody wielkiej studni.

Dopływ obliczony za pomocą tej metody zawiera się w przedziale ograniczonym przez wartości obliczone za pomocą wzorów 1.5 (pierwsza kolumna) oraz 1.6 (druga kolumna).

Tab.2 Wyniki obliczeń.

	QI [m^3/min]	QII [m^3/min] wzór 1.5	QII [m^3/min] Wzór 1.6
k1	2,16	5,04	3,30
k2	0,67	1,56	1,02
k3	0,42	0,98	0,64

Źródło: Opracowanie własne

3. Metoda z uwzględnieniem dopływu z dna wyrobiska

Tab. 3 Wyniki obliczeń

	Poziom I			Poziom II
	k1	k2	k3	k1	k2	k3
k [m/s]	0,00005	0,00001	0,000005	0,00005	0,00001	0,000005
strefa 1 Q[m^3/s]	0,0010	0,0004	0,0003	0,0057	0,0011	0,0005
strefa 2 Q [m^3/s]	0,2319	0,04638	0,02319	0,5411	0,1082	0,0541
Suma [m^3/s]	0,233	0,047	0,023	0,547	0,109	0,055
strefa 1 Q[m^3/min]	0,060	0,026	0,016	0,342	0,065	0,031
strefa 2 Q [m^3/min]	13,914	2,783	1,391	32,499	6,493	3,247
Suma [m^3/min]	13,97	2,81	1,41	32,84	6,56	3,28

Źródło: Opracowanie własne.

Zależność pomiędzy dopływem a współczynnikiem filtracji dla poszczególnych wariantów zagłębienia wyrobiska odkrywkowego zostały przedstawione za pomocą wykresów (Fig. 3).

Kolorem zielonym oznaczono dopływ dla poziomu pierwszego natomiast niebieskim dla poziomu drugiego. Wyraźnie widać, że wzrost współczynnika filtracji k powoduje zwiększenie się dopływu. Na wykresie wydzielono dopływ ze ścian (Q₁), z dna (Q₂) oraz dopływ całkowity (Q_c) dla obydwu poziomów.

W danym przypadku dominuje dopływ przez dno wyrobiska, natomiast dopływ ze ścian jest o kilka rzędów wielkości mniejszy. Można również zaobserwować znaczący wpływ pogłębienia poziomu eksploatacji na wielkość dopływu.

Źródło: Opracowanie własne.

Fig.3 Wykres zależności Q(k).

3. PODSUMOWANIE

Analizując wyniki poszczególnych obliczeń zwraca uwagę stosunkowo bardzo duża rozbieżność uzyskanych wartości dopływów do wyrobiska odkrywkowego. Dla wariantu pierwszego dopływy wahają się w granicach 0,42 - 13,97 m³/min., podczas gdy dla drugiego 0,64 - 32,84 m³/min.

Ze wszystkich zastosowanych metod największe wartości dopływu uzyskano dla metody uwzględniającej dodatkowo dopływ przez dno wyrobiska. Z kolei wyniki uzyskane metoda wielkiej studni i analogii hydrogeologicznej są bardzo zbliżone do siebie i o rząd wielkości niższe od metody uwzględniającej dopływ przez dno.

Istnieje ogólna zależność odnosząca się do wszystkich zastosowanych metod. Wraz ze wzrostem współczynnika filtracji zwiększa się dopływ, a także w miarę pogłębiania wyrobiska dopływ również rośnie.

LITERATURA

1. Kulma R., 1995, Podstawy obliczeń filtracji wód podziemnych, Wydawnistwa AGH, Kraków.

2. Marinelli F., Niccoli W.L., 2000, Simple analitical equations for estimatin ground water inflow to a mine pit, GROUND WATER, Vol. 38, No.2, str. 311-314.

3. Pazdro Z., Kozerski B., Hydrogeologia ogólna, 1990, Wydawnictwa geologiczne, Warszawa.

4. Rogoż M., 2004, Hydrogeologia kopalniana z podstawami hydrogeologii ogólnej,

Główny Instytut Górnictwa, Katowice.

5. Turek S.(red.), 1971, Poradnik hydrogeologa, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.

10

---