Дренаж

(a. drainage; н. Dranage, Dranung; ф. drainage, assechement; и. drenaje, avenamiento) — способ осушения территорий м-ний полезных ископаемых, массивов горн. пород путём сбора и отвода подземных гравитац. вод в естеств. понижения (реки, озёра и т.п.) или искусств. сооружения (каналы, горн. выработки и др.).

В горн. деле Д. применяется для защиты шахт и карьеров от подземных вод путём перехвата их при помощи дренажных устройств в период стр-ва и эксплуатации горн. предприятий. Дренажные устройства разделяются на поверхностные, подземные и комбинированные. К поверхностным относятся вертикальные водопонижающие и водопоглощающие скважины, горизонтальные дренажные скважины, иглофильтровые установки и опережающие поверхностные траншеи, к подземным — дренажные штреки, сквозные фильтры, восстающие скважины, водопонижающие колодцы, а также опережающие выработки (горизонтальные и наклонные скважины). Комбинир. дренажные устройства включают комплекс поверхностных и подземных выработок. Дренажные устройства по схеме расположения в плане разделяются на кустовые, линейные, контурные, сетчатые, а в разрезе — на одногоризонтные и многогоризонтные, коллекторные и бесколлекторные (рис.); по срокам сооружения — на опережающие, параллельные и совмещённые; по срокам службы — на стабильные и скользящие (вслед за подвиганием забоя).

Схема расположения дренажных устройств: 1 — пески; 2 — глины; 3 — закарстованные известняки; 4 — уголь; 5 — водопонижающие скважины; 6 — депрессионная кривая.

Водопонижающие скважины (диаметром 200-800 мм) проходят для снижения уровня (напора) в водоносных горизонтах, залегающих на глуб. 25- 500 м, мощностью св. 10 м, с коэфф. фильтрации более 1 м/сут и их бурят до подошвы горизонта, при пересечении горизонта устанавливают фильтры или перфорир. трубы (в трещиноватых породах). После прокачки и очистки (обычно эрлифтом) скважина оборудуется погружным насосом. Водопоглощающие скважины сооружают для перепуска воды из верх. горизонтов с низкими фильтрац. свойствами в нижние с более высокими фильтрац. свойствами, когда величина напора воды в ниж. горизонте ниже уровня залегания толщи разрабатываемого п. и. Разность уровней в дренируемом и поглощающем горизонтах поддерживается обычно водопонижающими скважинами. По конструкции водопоглощающие скважины аналогичны водопонижающим. Горизонтальные дренажные скважины (диам. 50-300 мм) сооружают для самотёчного осушения уступов карьеров в песчаных породах. Их длина достигает 50-100 м. Иглофильтровые установки применяют для временного и локального понижения уровня подземных вод в песчаных и песчано-глинистых породах с коэфф. фильтрации 0,2-0,3 м/сут. Передвижные и лёгкие иглофильтровые установки позволяют снизить уровень воды до 7-8 м, а эжекторные — до 24 м. Опережающие траншеи сооружаются для снижения уровня воды в маломощных (до 10 м) и неглубоко (до 15 м) залегающих водоносных горизонтах при помощи спец. траншейных экскаваторов. Откачка воды из траншей производится центробежными насосами низкого давления. Дренажные штреки предназначены для дренажа п. и. и водоносных горизонтов, расположенных вблизи кровли и почвы п. и. Д. осуществляется через стенки выработок, естеств. трещины и тектонич. нарушения, а при наличии водоупорных пород (мощностью более 2-3 м) в кровле и почве п. и. — с помощью дренажных скважин. Дренажные штреки сооружаются на карьерах со сложными гидрогеол. условиями; на шахтах обычно роль дренажных штреков выполняют подготовит. выработки. Сквозные фильтры — скважины диаметром 100-500 мм, пробуренные с земной поверхности до кровли подземной выработки (или дренажного штрека), обсаженные трубами, оборудованные фильтрами в интервале водоносных пород; предназначены для Д. водоносных горизонтов мощностью более 15 м, залегающих над п. и. на расстоянии св. 30 м. Восстающие скважины (диаметром 50-125 мм) проходят из подземных горн. выработок и оборудуют фильтрами в интервале водоносных горизонтов. Их применяют для Д. водоносных горизонтов, залегающих на расстоянии 2-30 м от кровли выработок. Водопонижающие Колодцы — вертикальные горн. выработки, служащие для снижения напора в водоносных горизонтах, залегающих ниже подошвы выработок, закладывают на пониженных участках почвы выработок. Откачка воды из них осуществляется центробежными насосами. Опережающие скважины (диаметром 70-200 мм) проводят из подземных выработок в направлении обводнённых участков, содержащих напорные воды, с целью предупреждения Внезапных прорывов воды в подготовит. и очистные выработки, а также предварительного Д. обводнённых пород, залегающих впереди фронта горн. работ. Для повышения эффективности работы дренажных устройств и увеличения темпов осушения м-ний п. и. разработаны разл. способы интенсификации Д. В скальных породах для интенсификации работы дренажных устройств применяют Гидравлический разрыв пласта, Торпедирование скважин и их прострел, проходят многозабойные скважины; в карбонатных породах используют также Кислотную обработку скважин. Многозабойные скважины (наклонные или горизонтальные) сооружаются из основного вертикального ствола диаметром 600-700 мм, благодаря чему увеличивается водозахватная поверхность скважины. В песчаных породах увеличение дебита скважины осуществляется с помощью физ. методов — Вакуумирования скважин, нагнетания воздуха в водоносный горизонт, электроосмоса, а также методов, основанных на увеличении водозахватной поверхности скважины — путём проходки скважины большого диаметра, принудит. размыва песка водой и заполнения образовавшихся полостей гравием, создания суффозионных дренажных каверн, проходки лучевых скважин. Нагнетание сжатого воздуха применяется для интенсификации Д. напорных водоносных горизонтов однородного строения, имеющих коэфф. фильтрации 0,5-10,0 м/сут и перекрытых выдержанными слоями водоупорных пород. Физ. методы интенсификации используют обычно на небольших участках и гл. обр. для снижения остаточных уровней подземных вод. Электроосмотич. способ увеличивает дебит скважины за счёт движения воды к металлич. фильтру скважины при создании постоянного электрич. поля в обводнённых песках. При этом дренажные скважины являются катодами, а спец. трубы, закладываемые в массив между дренажными скважинами, — анодами. Наибольший эффект этот способ даёт в обводнённых песчанистых глинах, суглинках, супесях и частично в пылеватых песках с коэфф. фильтрации от 0,000001 до 0,5 м/сут. Методы, основанные на увеличении водозахватной способности скважины, в отличие от физ. методов, могут широко применяться для увеличения эффективности дренажных устройств на больших участках шахтных и карьерных полей. Проходка скважины большого диаметра (до 500-700 мм) осуществляется по водонасыщенным пескам с расчётом обеспечения не менее чем 100 мм слоя зафильтровой обсыпки. Для интенсификации осушения мелкозернистых песков (глуб. до 70 м) водоносный горизонт проходят с обсадными трубами и скважинами, в к-рые опускают колонну труб с проволочным фильтром меньшего диаметра. Затем обсадные трубы постепенно поднимают и образовавшуюся полость через межтрубное пространство засыпают разнозернистым гравием. Такие скважины имеют большой срок службы, а дебит их в 2-7 раз превышает дебит скважин с сетчатыми фильтрами. Образование суффозионных дренажных каверн производится за счёт разрушения и выноса песка из вскрытых водоносных горизонтов подземным потоком, а управление процессом развития суффозии — за счёт извлечения сетчатого щелевого или дырчатого фильтра и контроля за выносом песка в подземную выработку. Этот метод применяется в песках с коэфф. фильтрации 0,3-10 м/сут. При объёме каверн 0,6 м дебит скважины увеличивается более чем в 4 раза. Проходка лучевых скважин диаметром до 80 мм и длиной до 50 м производится из вертикальных скважин диаметром 500-800 мм у подошвы обводнённых песков, что увеличивает дебит дренажных скважин в 5-10 раз. Применяются также методы декольматации фильтров (гидравлич. удар и др.), осуществляемые при помощи разл. устройств.

Дренажные системы по сравнению с Барражом не исключают попадания (проскока) подземных вод через заградит. контур в горн. выработки; величина проскока воды, напр., на нек-рых шахтах и карьерах достигает 40-50% динамич. потока. Ср. затраты на Д. водоносных пород в карьерах, расположенных в сложных гидрогеол. условиях, составляют 15-20% от общих вложений в их стр-во и эксплуатацию. Длит. Д. водоносных горизонтов приводит к нарушению гидравлич. и гидрохим. режимов подземных и поверхностных вод в р-нах эксплуатации м-ний (снижение уровня подземных вод в радиусе неск. десятков км и появление депрессионных воронок, истощение водных ресурсов, загрязнение поверхностных водотоков и водоёмов шахтными и карьерными водами), к изменению природного ландшафта на огромных терр. и т.д. Эффективность Д. на шахтах и в карьерах устанавливается соответствующими гидрогеол. расчётами, окончат. выбор способа производится на основе технико-экономич. сравнения неск. вариантов.

Для осушения торфяных м-ний применяется трубчатый и беструбчатый (щелевой) Д. в сочетании с открытой сетью осушит. каналов. Трубчатый Д. осуществляют при влажности торфяной залежи не более 91,5% узкотраншейным способом на глуб. 1,5-2,5 м. Длина отд. трубчатой дрены 125-250 м, диаметр 40-110 мм. Вода сбрасывается в открытые коллекторные (валовые) каналы. Беструбчатый (щелевой) Д. применяется при влажности торфяной залежи до 90% и пнистости дренируемого слоя до 3%. Д. закладывается с постоянной глубиной (до 1 м) и уклоном 0,02-0,03. Для беструбчатого Д. сооружается узкая (до 150 мм) прямоугольная щель, к-рая закрывается сверху на 0,2-0,3 м. Сброс воды производится в открытые регулирующие (картовые) каналы. Расстояния между дренами при применении Д. 5-10 м. Сопряжение в плане отд. дрен с отводящими воду каналами (коллекторными, валовыми, картовыми) проводится под прямым углом. Трубчатый и беструбчатый Д. на разрабатываемых торфяных м-ниях периодически перезакладывается, срок действия трубчатого Д. до 5 лет, беструбчатого — 2 года. Д. торфяных м-ний обеспечивает равномерное понижение уровней грунтовых вод, снижает капиллярное подпитывание разрабатываемого слоя и способствует уменьшению длительности перерывов в добыче торфа после выпадения дождя.

Литература: Абрамов С. К., Скиргелло О. Б., Способы, системы и расчеты осушения шахтных и карьерных полей, М., 1968; Абрамов С. К., Газизов М. С., Костенко В. И., Защита карьеров от воды, М., 1976; Фильтрационные расчеты водозаборных и дренажных систем, М., 1981; Олейник А. Я., Геогидродинамика дренажа, К., 1981; Шкинкис Ц. Н., Гидрогеологическое действие дренажа. Л., 1981.

М. С. Газизов, В. И. Костенко, Ю. В. Краснов.