Добыча руд в сложных гидрогеологических условиях

За последние 20 лет в Криворожском железорудном бассейне закрыто порядка 80% действующих шахт. На сухую консервацию поставлены шахты «Первомайская» и др. Консервация запасов с полным затоплением запасов осуществлена на шахте «Центральная». Только в залежи Восточного крыла охранного целика реки Ингулец на шахте «Центральная» ОАО «Ингулецкий горно-обогатительный комбинат» сконцентрировано свыше 25% вскрытых запасов бассейна, что составляет более 164,34 млн. тонн богатых железных руд. Запасы шахты «Центральная», отрабатываемые подземным способом, вынимались системами подэтажного обрушения руды и налегающих пород. Применялись в равном процентном соотношении безцеликовая схема отработки с самообрушением и принудительное обрушение с отбойкой руды вертикальными веерами глубоких скважин.

Повторная разработка запасов руд после «мокрой» консервации сопряжена с рядом технологических рисков. Это затопление выработок, выработанного пространства, влияющие на степень разупрочнения массива пород, что способствует сдвижению прилегающей толщи до уровня земной поверхности и изменению рельефа поверхности шахтного поля. Процессы трещинообразования и деформирования, обрушения и сдвижения, увлажнения и размокания, протекающие в массиве, способствуют изменению физико-механических и гидрогеологических свойств руд и вмещающих пород. Это говорит о необходимости обоснования геотехнологических условий повторной отработки месторождений.

Месторождения ОАО «ИнГОК» отрабатывались комбинированным способом с помощью шахт и карьеров, в результате чего устья выработанных пространств приобрели вид конических воронок, увеличивающих улавливание атмосферных осадков. Оценка гидрогеологических условий отработки запасов до начала консервации, связанных с атмосферными осадками, показала, что особенно резко изменялись притоки воды в горные выработки после многоснежной зимы, которые возрастали в несколько раз. Также натурные наблюдения за шахтными водопритоками свидетельствовали об их прямопропорциональной зависимости от количества выпадающих атмосферных осадков.

До затопления шахты «Центральная» выработанное пространство являлось одним из основных источников водопритока в шахтное поле. Оно представлялось системой пустот, полностью заполненных обрушенными породами. Образованное выработанное пространство за счет отработки залежей «Замыкания» и Западного крыла, и распространяется на глубину 850 м. Пересечение выработанным пространством основных водоносных горизонтов и примыкание его к неотработанной части залежей обусловливает необходимость оценки влияния условий повторной отработки запасов на новых гидрогеологической обстановке. Водоносные горизонты, которые приурочены к железистым горизонтам, разделяются водоупорными сланцевыми напластованиями. Наиболее водообильными оказывались участки залежи, которые располагались в долине реки Ингулец. При этом радиус зоны питания шахты располагался от реки на расстоянии 300 м. На этой площади шахтного поля необходима более детальная оценка результатов затопления выработок.

Залежь Восточного крыла состоит из 4-5 рудных тел, приуроченных к Саксаганской свите (К₂) и располагающихся на контакте верхней (PR₁sx₃) и средней (PR₁sx₂) подсвит. Рудные тела залежи представлены рыхлой гематитово-магнетитовой рудой с низкой устойчивостью. Содержание железа в руде составляет 51…64%. С распространением залежи на север содержание железа в руде уменьшается до 60%. Висячий бок залежи представлен гематитово-мартитовыми джеспилитами. Лежачий бок представлен слабыми глинисто-охристыми сланцами, а ниже глубины 600 м – в основном карбонато-кварцевыми с коэффициентом фильтрации 0,05…0,5 м/сут. Залегание руды и вмещающих пород согласное, под углом 60…90⁰. Горизонтальная мощность рудных тел колеблется в пределах 4…20 м.

Залежь «Замыкания» находится в южной части шахтного поля и сложена мартитовой рудой. Залежь Западного крыла не выдержана по простиранию и падению и представлена в виде отдельных линз. Сложена рудой мартитовой с коэффициентом фильтрации до 2 м/сут. Висячий бок представлен глинисто-охристыми сланцами с коэффициентом фильтрации 0,01…0,2 м/сут., а лежачий бок – джеспилитами с коэффициентом фильтрации 0,1…0,15 м/сут. Вмещающими породами залежи являются мартитовые, гематит-мартитовые джеспилиты, залегающие в висячем и лежачем боках залежи. Непосредственно у контакта с рудой в пределах маркшейдерских осей 4…18 джеспилиты выщелочены, и их прочность – 40…50 МПа с коэффициентом фильтрации 0,1…2,0 м/сут. К северу от 25-й маркшейдерской оси залежь «Замыкания» переходит в залежи Восточного и Западного крыльев.

Основным источником обводнения горных выработок являются подземные воды кристаллических пород и осадочных отложений. Их водообильность зависит от степени трещиноватости, выщелоченности и пористости, которые развиты крайне неравномерно, как по площади, так и по глубине месторождения. Как следствие, нарушенность горных пород обуславливает неравномерную их водоносность. Толща законсервированной рудной залежи разбита системой кливажных трещин, при вскрытии которых в выработках наблюдается незначительный, но устойчивый водоприток. В случае, когда трещины были не заполнены глинистым материалом, они являлись аккумуляторами подземных вод. Железистые кварциты и роговики аккумулировали до 50% всего объема воды с резким повышением в зонах разломов. В некоторых случаях по ним осуществлялась связь с поверхностными водотоками. Количество воды в зонах тектонических нарушений резко увеличивается с последующим прекращением притока. Наличие открытых трещин резко увеличивало притоки подземных вод к выработкам.

Запасы воды в затапливаемых выработках, которые с течением времени полностью заполнялись водой, являются одной из частых причин прорывов воды в прилегающие выработки. При вскрытии водоносных горизонтов горными выработками в них наблюдается бурное поступление воды с гидростатическим напором до 10 атм. По результатам гидрогеологической съемки горных выработок в породах средней свиты выделяются семь водоносных горизонтов, приуроченных к железистым пластам. Суммарные притоки воды из этих горизонтов, при вскрытии их выработками, составляют 230…270 м³/ч. Максимальные притоки воды в горные выработки шахты составляли 246…307 м³/ч, а среднее 202…231 м³/ч.

Выводы

1. При расконсервации запасов в рассмотренных гидрогеологических условиях наилучший эффект осушения будет получен при использовании двух и более водопонизительных скважин, которые должны быть пройдены таким образом, чтобы они не попадали в область деформирования при сдвижении горных пород. При отработке запасов целесообразно первоочередное дренирование основного эксплуатационного горизонта, к которому в дальнейшем привязываются условия дренирования на вышележащих горизонтах. По мере развития горных работ, количество дренажных скважин должно увеличиваться.

2. Для предотвращения прорывов плывунов необходимо применять опережающее бурение горизонтальных или наклонных скважин. При угрозе прорывов воды следует подготовить фильтрующие перемычки. При этом необходимо стремиться к недопущению очага прорыва, отбирая из массива максимальное количество воды. Для быстрой ликвидации последствий плывунов должен быть подготовлен усиленный водоотлив и мощные водосборники.

3. Консервация вскрытых запасов ведет к интенсивному развитию в массиве процессов окисления. На степень кислотности шахтных вод влияет:
- концентрация свободной серной кислоты, образующейся в процессе окисления сульфидов;
- ионы водорода, которые получаются в результате гидролиза солей железа и алюминия.

4. Кислотность воды изменяется в зависимости от времени года в основном весной и осенью. Агрессивные воды воздействуют на бетонные крепи и металлические конструкции. Поэтому при осушении горных выработок необходима оценка степени снижения прочности и устойчивости металлических и бетонных конструкций.

5. При расконсервации залежей железных руд, необходимо учитывать следующие факторы:
- изменение рельефа местности;
- неравномерность выпадения атмосферных осадков;
- водоносность рудовмещающей толщи и условия питания водоносных горизонтов;
- соседство со старыми горными выработками;
- тектоническая нарушенность участка;
- гидрологические параметры, необходимые для расчета водопритоков в проектируемые выработки;
- условия предварительного осушения месторождения;
- кислотность и агрессивность шахтных вод.

КАК БОРЮТСЯ С ВОДОЙ ЗАПОРОЖСКИЕ ГОРНЯКИ?