Приток воды в карьер

 Введение

 

 

Карьеры любой глубины и площади, создаваемые для открытой разработки полезных ископаемых (угля, руды и.т.д.)  изменяют, природный потенциал не только верхней части литосферы, но и атмосферы и гидросферы.

 Геологический массив, окружающий  карьер состоит из нескольких  слоёв грунтов и горных пород,  весь массив или отдельные  его слои являются водопроницаемыми. Подземные воды, насыщающие массив  при создании карьера получают  область стока, т.е. карьер становится  дренажом и на значительном  расстоянии от карьерной выработки  происходит понижение уровня  подземных вод, также источником  питания подземного потока может  быть и внешний водоём, как  природный, так и техногенный.  Карьер становится основным гидромеханическим  фактором, определяющим всю картину  движения подземных вод в зоне  влияния карьера. За пределами  этой зоны сохраняется естественный  режим поверхностных и подземных  вод.

Подземные воды рассматриваются как  фактор, влияющий на свойства пород, определяющий водный и геохимический режим грунтов, развитие оползневых явлений и криогенных процессов. Во многих случаях вода снижает прочностные свойства грунтов, особенно глинистых, что при известных условиях приводит к развитию оползневых явлений, создающим угрозу населенным пунктам, дорогам и промышленным объектам.

Задача  курсовой работы – освоить  методические основы расчета геофильтрации подземных вод, получить прикладные знания в области экологического обоснования природоохранных сооружений.

 

 

 

 

В данной курсово1 работе рассматривается карьер, для которого рассчитывается фильтрация, предусматривающая определение кривой депрессии, т.е. свободная поверхность фильтрационного потока - напоры, линии тока. Определяется расход подземного потока. С помощью программы производится расчет устойчивости грунтовых откосов. После каждой главы необходимо делать выводы. Также необходимо предложить мероприятие для предотвращения высачивания кривой депрессии на откос карьера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Краткие сведения  о карьерах

 

Карьер - совокупность горных выработок, образованных при добыче полезного ископаемого открытым способом.  Принцип открытой разработки заключается в том, что более мощные слои пород, покрывающих пласт полезного ископаемого, в пределах горного отвода разделяется на горизонтальные слои - уступы, которые вынимают последовательно в направлении сверху вниз с опережением нижних слоев верхними. Высота уступа зависит от прочности пород и применяемой техники и колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров.

Рабочая зона карьера - это зона, в которой осуществляются вскрышные и добычные работы. Она характеризуется совокупностью вскрышных и добычных уступов, одновременно находящихся в работе. Положение рабочей зоны определяется высотными отметками рабочих уступов и длиной их фронта работ. Рабочая зона представляет собой перемещающуюся и изменяющуюся во времени поверхность, в пределах которой осуществляются работы по подготовке и выемке горной массы. Она может охватывать один, два или все борта карьера. При строительстве карьера рабочая зона, как правило, включает только вскрышные уступы, а к окончанию горно-капитальных работ - и добычные. Число вскрышных, добычных и горно-подготовительных забоев в рабочей зоне не может устанавливаться произвольно, так как от этого зависит выполнение планов по отдельным видам работ. В рабочей зоне карьера каждый экскаватор в процессе работы занимает определенную горизонтальную площадь, которая характеризуется шириной рабочей площадки и длиной экскаваторного блока. При разработке горизонтальных и пологих месторождений малой и средней мощности высотное положение рабочей зоны карьера остается неизменным; при разработке наклонных и крутых месторождений, а также мощных изометрических залежей рабочая зона постепенно понижается вместе с увеличением глубины карьера.

Элементы карьера - пространственные составляющие карьера, которые исчерпывающе характеризуют его геометрию. Основные элементы: рабочий и нерабочий борт карьера, подошва или дно верхний и нижний контуры карьера, уступы, площадки .

Дно карьера - площадка нижнего уступа карьера (что называется также подошвой карьера). В условиях разработки крутых и наклонных тел полезных ископаемых минимальные размеры дно карьера определяются с учетом условий безопасного вынимания и нагрузки горных пород из последнего уступа: по ширине - не меньше 20 м, по длине - не меньше 50-100 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           Исходные данные

 

Заложение откоса карьера     m=3;

Отметка водоупора     h₁=182,0 м;

Отметка дна карьера     h₂=186,5 м;

Отметка границы между  грунтами     h₃=191,0 м;

Отметка дна внешнего водоема     h₄=195,5 м;

Отметка поверхности земли     h₅=197,0 м;

Расстояние от левой границы расчетной схемы до водоема     l₁=60,0 м;

Ширина водоема     l₂=15.0 м;

Расстояние от водоема до правой границы расчетной схемы     l₃=20.0 м;

Коэффициент фильтрации первого  грунта     k₁=0,5 м/сут;

Коэффициент фильтрации второго  грунта     k₂=5 м/сут;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2  Этапы построения модели

 

 

1. Построение расчетной  схемы по исходным данным. Рассматривается  плоско-вертикальный фрагмент, ограниченный  снизу водоупором, сверху - естественной поверхностью и контуром выемки. В состав естественной поверхности входит очертание дна водоема. Дно водоема – контур питания, а сам водоем – источник питания. Граничное условие рассматриваем как проницаемую границу (БГУ) и уровень подземных вод на этой границе остаётся постоянным в течение всего периода эксплуатации карьера.

Питание потока происходит через проницаемое дно водоёма, и контур дна водоёма определяет собой верхнее граничное условие  – контур питания. Контуром стока, заданным в качестве начального условия является проницаемое дно карьера, покрытое слоем воды глубиной 1 м.

2. Уточнение геологического  строения выделенной области  и назначение коэффициентов фильтрации  для каждой зоны по справочным  данным.

3. Построение кривой  депрессии, т.е. очертания свободной  поверхности потока между контуром  питания и контуром стока.

4. Уточнение границ участка высачивания.

5. Строятся линии равных напоров (эквипотенциали).

6. При готовых линиях равных напоров строим систему линий тока (траектории движения подземной воды). Любая линия тока пересекает все линии равных напоров (эквипотенциали) под углом 90⁰. В итоге получается криволинейная, ортогональная в пересечениях с эквипотенциалями и с контуром питания, а также с затопленным участком контура стока, полная гидродинамическая сетка, определяющая собой все основные параметры потока.

 

 

 

В итоге получаем гидродинамическую сетку фильтрации, ограниченную сверху контурами дна верхнего и нижнего водоема, и депрессионной кривой. Снизу – поверхностью водоупора (в качестве водоупора рассматривается слабопроницаемый грунт, фильтрацией в котором можно пренебречь).

По сетке определяется удельный фильтрационный расход потока, поступающего в карьер.

Принимаем, что в плоско-вертикальной постановке задачи вертикальное сечение, характеризующее расчетную область фильтрации имеет ширину в направлении оси равную 1 метр.

Кривая депрессии является самой верхней линией тока, а нижней линией является поверхность водоупора.

Картина распределения  напоров характеризуется линиями  равных напоров или эквипотенциалями.

Кривая депрессии, водоупор, очертания контуров питания и стока, линии тока и эквипотенциали в совокупности образуют полную гидродинамическую сетку (рисунок 1), т.е. построение такой сетки позволяет прогнозировать положение кривой депрессии, определять скорость потока в любой его точке, анализировать участок высачивания и выходные характеристики потока на нем, определять устойчивость грунтов к фильтрационным воздействиям, определять объем фильтрующейся воды, количество обусловленных ею загрязнений, изменение содержания этих загрязнений по длине потока и назначать укрепительные мероприятия, а также природоохранные мероприятия.

Переход от плоско-вертикальной задачи к пространственной, в большинстве случаев, не сопровождается искажением сеток, построенных для плоско-вертикальных сечений. Каждое такое сечение характеризует фильтрацию на определенном участке пространственной области.

 

 

 

 

3 Аналитические способы решения задачи

 

3.1 Расчет притока воды в карьер

 

Фильтрационные свойства пласта учитываются водопроводимостью

T (м²/сут), определяемой по формуле

                                           (3.1.1)

 

где, коэффициенты фильтрации (м/сут) пластов соответственно  мощностью m.

 

 

Расстояние от контура питания до контура стока (м) определяется по формуле

 

                                                               (3.1.2)   

где, напоры на контурах реки и контура высачивания воды в карьер.

 

                                           

 

 

Распределение удельных (на 1 м) притоков q по периметру карьера остаётся более или менее равномерным. При близком расположении границы используется формула для оценки удельных притоков (в м³/сут на 1 м) на участке карьера, обращённом к области питания, удалённой на расстояние L от контура дренажа

                                                                                                     (3.1.3)

 

                                         

 

Напоры в водоносном пласте в непосредственной близости от карьера определяют по формуле

 

                                                                                       (3.1.4)

где, Н(х) - напор на расстоянии х от участка высачивания на откос, м.

          

4 Численное моделирование притока воды в карьер и расчет устойчивости борта

 

4.1 Фильтрационный расчет

 

Решение двумерной геофильтрационной задачи в плоско-вертикальной постановке включает:

- построение депрессионной поверхности и линий равных напоров;

- построение линий тока и полных гидродинамических сеток;

- определение параметров подземного потока;

-определение границы зоны загрязнения потока подземных вод фильтратом из накопителя;

- анализ результатов моделирования и сравнительную оценку вариантов противофильтрационных мероприятий, ограничивающих загрязняющее влияние накопителя на подземные воды.

Задача фильтрации решается методом  конечных разностей. Для этого нужно  построить расчетную схему и  дискретную модель области фильтрации, задать исходные расчетные параметры  и граничные условия.

4.2 Подготовка исходных данных и файл исходных данных с именем Fisx.dat

 

Программа для решения фильтрационной задачи написана на языке программирования FORTRAN. Ввод исходных данных осуществляется по формату – описание символьных форм представления значений величин  в логических записях наборов  данных. Эти описания помещаются в  операторы форматов и используются операторами форматного ввода-вывода. В данном случае используется два  кода формата: I – целый, F – вещественный.

 

В первую строку вводятся общее  количество пронумерованных столбцов (формат I3), общее количество пронумерованных строк (формат I3), количество слоёв грунта (формат I3), любой текст – например, название сооружения, шифр чертежа и. т.п. (формат 13А4). Количество символов текста должно быть не более 60.

Во второй строке указывается  отметка водоупора (формат F6.2)

В третью строку вводится коэффициент сжатия или растяжения (формат F6.2).

В четвертой строке и  ниже (столбиком) указываются размер строк и количество ячеек с данным размером по направлению оси У снизу вверх (формат F6.2, I3). В каждую строку вводят по одному размеру и количеству строк, а остальные вводят столбцом по тому же формату.

Пятым массивом чисел указываются размер столбцов и количество ячеек с данным размером по направлению оси Х слева на право (формат F6.2, I3). В каждую строку вводят по одному значению, а остальные вводят в следующую строку столбцом по тому же формату.

ext-align:justify">Шестым массивом являются коэффициенты фильтрации грунтов по горизонтали в порядке их нумерации (формат 4F8.3). В одну строку вводят 4 коэффициента фильтрации грунтов; если количество грунтов больше 4, то их вводят в следующую строку по тому же формату.

Седьмым массивом являются коэффициенты фильтрации грунтов по вертикали в порядке их нумерации (формат 4F8.3). В одну строку вводят 4 коэффициента фильтрации; если грунтов больше 4, то их вводят в следующую строку по тому же формату.

Восьмым массивом являются описания слоёв грунтов по строкам, начиная с первой строки, и количество ячеек с этим грунтом (формат 2I3); массив этих данных вводится столбцом.

 

 

 

Девятым массивом указывается область фильтрации по строкам (признак 2 – признак стационарной фильтрации, признак 3 – область в тех ячейках, где присутствует дренаж) и количество ячеек (формат 2I5); массив данных также вводится столбцом.

Десятым массивом вводят граничные условия (проницаемости или непроницаемости) слева, снизу и справа (формат F8.2, I3).

Одиннадцатый массив включает описание поверхности (контура) сооружения (слева направо). Указывается номер строки и количество узлов в ней (формат 2I3).Ввод данных осуществляется столбцом

Двенадцатый массив указывает  на наличие или отсутствие воды в  столбцах с указанием их количества (признак 1 – наличие воды в столбцах, признак 0 – отсутствие воды в столбцах, формат F6,2, I3).

В тринадцатом массиве указывается глубина воды в указанных выше столбцах и их количество с данной глубиной (формат F6.2, I3). Данные вводятся столбцом по этому же формату.

Четырнадцатый параметр указывает количество допустимых итераций; максимальное число итераций 9999 (формат I4). Первоначально ставится одна итерация для того, чтобы убедиться в правильности построения расчетной схемы.

Пятнадцатый параметр характеризует погрешность итеративного процесса, которая должна быть равна 0,01 (формат F6.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Файл  исходных данных с именем Fisx.dat:

37  15   3 Килин

182.00 - отметка водоупора

1.0– коэффициент  сжатия или растяжения

2.0   1

2.5   1

1.0   4

0.5   2

1.0   5

0.5   1

1.0   1

1.0 7

3.0 5

2.0 1

1.0 1

3.0 4

3.5 1

1.5 2

4.0 4

0.5 2

1.0 1

4.0 2

1.0 2

0.5 2

3.5 2

3.5 1

0.500   5.000   0.020

0.500   5.000   0.020

2 37

2 37

3  8

2 29

3  9

2 28

3 10

2 27

3 11

2 26

3 12

2 25

3 13

1 24

3 14

1 23

3 15

1 22

3 16

1 21

3 17

1 11

3  2

1  7

3 18

1  9

3  4

1  6

3 19

1  7

3  6

1  5

3 37

2  555

-1.00 15

0.00 15

-1.00 37

0.00 37

-1.00 15

0.00 15

3  9

4  1

5  1

6  1

7  1

8  1

9  1

10  1

11  1

12  1

13  1

14  1

15  6

14  1

13  1

12  3

13  1

14  1

15  5

 

 

1.00  9

0.00 17

1.00  6

0.00  5

1.00  9

0.00 17

0.50  1

1.50  1

2.00  2

1.50  1

0.50  1

0.00  5

1000

0.01

 

 

Результаты расчета фильтрационной задачи обрабатываются в графическом  пакете Surfer. Графическое представление расчёта притока воды в карьер представлено на рисунке 1.

 

 

 

 

  Рисунок 1 -  Математическая модель фильтрации

 

 

 

 

 

 

         

          4.3 Определение фильтрационного расхода

Анализ полученной в программе сетки позволяет определить фильтрационный расход потока поступающего в карьер, уточнение границ участка на борту и на дне карьера и укрепление этого участка при устройстве дренажной системы. Эта система позволяет собрать весь фильтрат, защитить участок высачивания от размыва и фильтрационных деформаций, в частности от суффозии.

Приток воды в карьер определяется для всего фронта фильтрации, а дренажные укрепительные мероприятия предусматриваются только на стабильных участках карьера, где на длительное время завершены горнотехнические работы.

Выбирается на сетке  наиболее удобный, близкий к прямоугольному фрагмент, заключённый между двумя  соседними потенциалями и определяется основной расход (см. рисунок 1).

Удельный фильтрационный расход, м³/сутки:

 

                                                           (3.3.1)

        (3.3.2)

                                   (3.3.3)

где, k - коэффициент фильтрации, м \сутки;

          N - высота грунта, м.

l - расстояние между соседними эквипотенциалями, м;

Dh - разность напоров, м.

 

Определим удельный фильтрационный расход q1, м³/сут:

         

 

Полный расход Q определяется для той части карьера, где происходит высачивание подземного потока. Величина Q позволяет назначить конструктивные параметры дренажа для определения расхода фильтрации.

Полный расход, м³ \сут:

 

                                                          (2.1.4) где, L = 46,5м,

     

                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Элементы сетки движения потока

 

 

 

Вывод: В программе surfer составив файл исходных данных и получив матмодель фильтрации, выявили участок высачивания воды. Определили параметры кривой депрессии и рассчитали расход воды, поступающей в карьер. Вода высачивается на откос, что может повлечь за собой затопление или подтопление.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4 Расчет устойчивости борта карьера

 

          Основные факторы, уменьшающие устойчивость - высокое положение кривой депрессии, высачивание потока на откос, промерзание откоса с поверхности и как следствие дальнейшее повышение кривой депрессии, недопустимо крутые откосы, при не достаточном поверхностном укреплении откоса или при отсутствии такого укрепления. Расчет устойчивости выполняется с использованием программы УСТО. Программа предназначена для расчета устойчивости откосов по кругло  цилиндрическим поверхностям скольжения. Для заданного отсека обрушения, ограниченного круговой кривой реализован параллельный расчет коэффициентов запаса устойчивости методом моментов и горизонтальных сил.

Нумерация слоев грунта производится от вышележащих к ниже лежащим. Границей слоя грунта считается ломаная линия, ограничивающая его снизу.

 

4.5 Подготовка исходных данных

 

В первую строку вводятся  общее количество пронумерованных точек чертежа (формат), количество слоев грунта (формат),коэффициент сейсмичности (формат), признак поиска минимума (формат), коэффициент запаса устойчивости (формат).

Во второй строке вводится количество точек ломаной линии поверхности откоса(формат).

В третьей строке указываются  номера точек поверхности откоса по направлению оси Х (формат).если точек больше 12, то остальные вводятся в следующую строку по тому же формату.

Четвертым параметром является количество точек кривой депрессии (формат).

 

 Пятым параметром являются номера точек кривой депрессии по направлению оси Х (формат).

Шестым параметром являются координаты точек (Х и Y) чертежа в порядке их нумерации (формат 12).В строку вводятся координаты 5 точек.

Седьмым параметром являются описание слоев грунта в порядке  нумерации слоев. В следующую строку записывается количество точек ломаной нижней линии границы слоя().В следующую строку вводятся номера этих точек по направлению оси Х (формат).

В следующую строку вводятся показатели физико – механических свойств грунта во влажном и водонасыщенном состонии.

В качестве восьмого параметра в новую строку вводится количество задаваемых исходных кривых (формат). В случае, если производится только автоматический поиск записывается 0.

В качестве девятого параметра в новую строку вводятся номера точек бровки гребня и подошвы откоса (формат) ля автоматического задания кривых.

В качестве десятого параметра с новой строки вводятся координаты

(Х и Y) трех точек (формат) описания всех задаваемых кривых – левой, средней и правой.

 

Файл исходных данных с именем DANNIE.DAT:

  28  2 0.0250  2 1.3                       

8

  1  2  3  4  5  6  7  8 

16

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

25 26 27 28

   0.00  15.00  10.50  15.00  12.50  12.50  20.50  12.50  23.00  15.00

  41.00  15.00  73.00   4.50  83.00   4.50  00.00   9.00  59.00   9.00

  00.00  00.00  83.00  00.00  22.50  14.40  24.00  14.20  27.50  13.90

  29.80  13.50  33.10  12.50  36.70  11.70  39.50  11.50  42.50  10.70

  46.00   9.70  49.00   9.20  53.50   8.50  58.00   7.50  60.50   7.00

 

 

67.00   6.50  70.00   5.50  83.00   5.50

2

  9 10 

1.30 1.23 0.27 0.23 0.35 0.30 0.50 0.50 1.00

2

11 12

0.80 1.17 0.40 0.36 0.40 0.35 0.45 0.45 1.00

2

  6  7

  42.50  14.50  49.00  10.50  59.00   8.50

  59.00   8.50  66.00   5.20  73.00   4.50

 

  

 

    Результаты расчета представлены на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3 –  Графическое представление результатов  расчета устойчивости.

 

Таблица с результатами расчета приведена в приложении А. 

 

 

Вывод: Анализируя результаты расчета (Приложение Б), видим, что коэффициент устойчивости варьируется от 0,071 до 1,755 , что является ниже нормативного значения. Таким образом, борт карьера является неустойчивым, что может повлечь его обрушение.

   5 Противофильтрационное мероприятие

 

           Дренажные устройства играют исключительно важную роль в обеспечении надежной работы сооружений карьера и поддержании надлежащих санитарных условий на окружающей территории. Дренажные устройства   позволяют:

1. обеспечить требуемое снижение кривой депрессии и повышения устойчивости низового откоса;
2. надежно защитить откос от возникновения опасных фильтрационных деформаций;
3. перехватить фильтрационный поток и организованно отвести профильтровавшиеся воды, для повторного их использования.
4. Обеспечить  надлежащие санитарные условия на  окружающей  местности;
5. снизить  фильтрационное  давление.

В сооружениях карьера в зависимости от их характера, геологических и гидрогеологических условий основания применяются в основном три типа дренажа: горизонтальный, вертикальный и комбинированный.

В данной курсовой работе в качестве укрепительного мероприятия предложен  трубчатый дренаж.

На сетке выделяем участок высачивания (рисунок 1): высачивание на откосе, разряжение потока через днище карьера. На этом участке далее проектируются укрепительные мероприятия: дренаж, пригрузка, коллекторная труба, теплозащитный слой.

Трубчатый дренаж  довольно часто  применяют в качестве укрепительных мероприятий на карьере, и состоит он из коллекторной трубы, обладающей необходимой прочностью и химической устойчивостью, и обратного фильтра, уложенного по ее периметру.

 

Рациональное расположение такого дренажа в теле откоса устанавливается расчетом исходя из требуемого понижения кривой депрессии и характера гидрогеологических условий. Во всех случаях удаление дрены от подошвы откоса не должно превышать 1/3  ее ширины по подошве.

На укрепляемую поверхность  с предварительным временным  водоотливом отсыпаем горизонтальный участок дренажа  толщиной 0,25-0,5 м, из песчано-гравийного грунта, гравия или щебня. Зерновой состав первого дренажного слоя и его материал подбирается таким образом, чтобы на контакте с укреплённым грунтом выполнялось условие устойчивого обратного фильтра, т.е. выносимые потоком частицы не должны проникать в поры между зёрнами фильтра. При необходимости может быть устроен двух-, трёхслойный фильтр.

Используемые  дренажные трубы  должны обладать не только прочностью, но и устойчивостью против воздействия агрессивных сточных вод, содержащихся в карьере. В этих условиях могут применяться керамические, а также железобетонные трубы, покрытые с обеих сторон слоем антикоррозионной защитной эмульсии из полимерных материалов. Применение керамических труб диаметром 200—600 мм допускается при глубине их заложения не более 6—7 м; глубина заложения железобетонных  труб  не  ограничена.

          Вода в дренажные трубы поступает через водоприемные отверстия, устраиваемые в стенках труб, либо через незаделанные стыковые соединения, количество и размер которых назначают по нормам проектирования дренажей.

Дренирующий материал выполняет функцию  обратного фильтра по отношению  к материалу откоса и к сборной  дренажной трубе, т.е. частицы грунта из откоса не должны проникать в  материал фильтра, а зерна фильтра  не должны проникать в отверстия  трубы.  Перед отсыпкой поверхность  откоса планируется и выравнивается.

Обратные фильтры в дренажах подбирают таким образом, чтобы  избежать выноса дренируемого грунта и кольматирования им материала обсыпки. Это достигается надлежащим подбором состава фракций и толщины отдельных слоев фильтра.

Для наблюдения за работой перехватывающего дренажа в нижнем бьефе и дренажа в дамбе устраивают смотровые колодцы, располагаемые через 40-50 м.