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.