2. Parametry wpływające na wartość współczynnika spływu powierzchniowego

Transkrypt

1 WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Materiały Warsztatów str Józef MATERSKI, Dariusz GRADECKI KWB Konin w Kleczewie S.A. Ocena wartości współczynnika spływu powierzchniowego przyjmowanego do obliczeń dopływów do pompowni spągowej na podstawie bilansu wodnego odkrywki Kazimierz Streszczenie Wstępna część referatu zawiera analizę uwarunkowań prawnych związanych ze sposobem obliczania dopływu wód do pompowni spągowych w wyrobiskach odkrywkowych. Ze względu na kluczowe znaczenie określenia dopływu wód do pompowni pochodzącego z opadów atmosferycznych dokonano analizy czynników mających znaczenie dla ustalenia wielkości dopływu wód do pompowni pochodzącego z opadów atmosferycznych. Dokonano inwentaryzacji wszystkich czynników wpływających na wartość współczynnika spływu powierzchniowego w zlewni wyrobiska odkrywkowego oraz analizy możliwości oceny średniej wartości współczynnika spływu powierzchniowego zlewni wyrobiska odkrywkowego na podstawie bilansu wodnego odkrywki Kazimierz. 1. Wstęp Podczas projektowania odwodnienia odkrywkowego zakładu górniczego określa się przewidywane dopływy wody wynikające z dokumentacji hydrogeologicznej (wody podziemne) i obliczeń hydrologicznych (wody opadowe). Sposób obliczenia przewidywanego dopływu wód do pompowni spągowych określa 161 Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w odkrywkowych zakładach górniczych wydobywających kopaliny podstawowe (Dz. U. nr 96/2002, poz. 858). Rozporządzenie to nakazuje obliczanie dopływów wód opadowych w obrębie zlewni na podstawie maksymalnego opadu dobowego o prawdopodobieństwie występowania p = 10%, ale równocześnie nie precyzuje sposobu obliczania wartości współczynnika spływu powierzchniowego, który to współczynnik ma istotne znaczenie dla określenia dopływu pochodzącego z opadów atmosferycznych. W dalszej części referatu dokonano analizy wszystkich czynników wpływających na wartość współczynnika spływu powierzchniowego w zlewni wyrobiska odkrywkowego oraz zaproponowano sposób określenia wartości tego współczynnika na podstawie bilansu wodnego odkrywki Kazimierz. 2. Parametry wpływające na wartość współczynnika spływu powierzchniowego Współczynnik spływu powierzchniowego dla danej odkrywki definiowany jest jako stosunek ilości wód opadowych, które dopłynęły do pompowni spągowej do całkowitej ilości 325

2 J. MATERSKI, D. GRADECKI Ocena wartości współczynnika spływu powierzchniowego wód opadowych dla całej zlewni. Do najważniejszych parametrów wpływających na wartość współczynnika spływu powierzchniowego należą: a) wysokość, natężenie i czas trwania opadu atmosferycznego, b) rodzaj i struktura gruntu, c) wilgotność gruntu przed opadem, d) nachylenie terenu. Prowadzone badania w warunkach laboratoryjnych jak i terenowych wykazały, że wartość współczynnika spływu powierzchniowego rośnie wraz ze zwiększeniem sumarycznego opadu jak i ze wzrostem natężenia (intensywności) opadu. Są to zależności nieliniowe, których wyznaczenie dla danej zlewni wymagałoby zastosowania czasochłonnych i kosztownych pomiarów terenowych. Wartość współczynnika spływu powierzchniowego rośnie wraz ze zwiększeniem granulacji gruntu i wraz ze zmniejszeniem stopnia jego zagęszczenia. Oczywiste jest, że współczynnik spływu powierzchniowego jest większy dla luźnych utworów żwirowych niż dla zagęszczonych piasków pylastych. Generalnie dla gruntów suchych i mało wilgotnych współczynnik spływu powierzchniowego jest mniejszy niż dla gruntów nawodnionych. Należy zwrócić uwagę, że w czasie trwania opadu atmosferycznego wartość współczynnika spływu powierzchniowego jest zmienna. W pierwszym okresie trwania opadu następuje szybki wzrost współczynnika spływu, a w okresie końcowym przyrost wartości współczynnika spływu jest nieznaczny. Zwiększenie nachylenia terenu wpływa na wzrost wartości współczynnika spływu powierzchniowego jedynie w niewielkim zakresie. Do obliczeń dopływu przy projektowaniu odwodnienia odkrywkowego zakładu górniczego istotne znaczenie ma nie dopływ średni, ale dopływ chwilowy (w okresie występowania nawalnych opadów atmosferycznych). Z tego powodu, przy projektowaniu odwodnienia zakładu górniczego należałoby zebrać i przeanalizować wszystkie wymienione parametry chwilowe zlewni odkrywkowej. Dla konkretnej zlewni wymagałoby to przeprowadzenia bardzo rozległych badań terenowych, laboratoryjnych i studialnych. W każdym przypadku należałoby dokonać wydzielenia odrębnych powierzchni charakteryzujących się różnymi nachyleniami, różnym rodzajem nawierzchni (rodzaj i struktura gruntu), różnym stopniem uwilgotnienia gruntu przed opadem itd. Przeprowadzenie takich badań jest oczywiście możliwe, ale byłoby bardzo pracochłonne i kosztowne. Ze względu na mnogość czynników mających znaczenie dla poprawności oceny współczynnika spływu powierzchniowego całej zlewni, ten sposób jego szacowania pomimo znacznej pracochłonności jest obarczony znaczącym błędem. W niniejszym referacie podjęto próbę oceny możliwości znacznie szybszego i prostszego szacowania współczynnika spływu powierzchniowego na podstawie bilansu wodnego zlewni odkrywki. 3. Szacowanie wartości współczynnika spływu powierzchniowego na podstawie bilansu wodnego odkrywki Kazimierz W dotychczasowej praktyce wartość współczynnika spływu powierzchniowego przyjmowana była w ślad za archiwalnymi opracowaniami firmy Poltegor-projekt z Wrocławia. W opracowaniach tych wartość współczynnika spływu powierzchniowego przyjmowana była dla różnych odkrywek KWB Konin na poziomie 0,25 0,35. Kopalnia dysponuje również archiwalnym opracowaniem Badania wielkości i zmienności współczynnika spływu 326

3 WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie dla najczęściej występujących warunków na terenie kopalń węgla brunatnego (Wołoszyn, Czamara 1973), wykonanym przez Instytut Budownictwa Wodnego i Ziemnego Akademii Rolniczej we Wrocławiu. Zawiera ono analizę wartości współczynnika spływu na podstawie badań laboratoryjnych oraz na podstawie badań terenowych na wydzielonej części odkrywki Kazimierz o powierzchni F = 0,396 km 2. Na podstawie pomiarów terenowych, dla opadów występujących od lipca do października 1973 r. pomierzono wartości współczynnika spływu powierzchniowego w różnych okresach i dla różnych opadów. Tabela 3.1. Zależność wartości współczynnika spływu powierzchniowego od wielkości opadu atmosferycznego na przykładzie pomiarów archiwalnych na odkrywce Kazimierz [2]. Table 3.1. Dependence the surface runoff coefficient value on a quantity of the rainfall taken from measurements in the open-pit Kazimierz area [2]. Data Łączna wielkość opadów (mm) Średni współczynnik spływu , ,3 0, ,4 0, ,2 0, ,8 0, ,7 0, ,7 0, ,7 0,34 Z przeprowadzonych badań wynika, że wartość współczynnika spływu powierzchniowego wynosiła od 0,09 do 0,34. Największe wartości współczynnika spływu otrzymywano dla intensywnych opadów w krótkim okresie czasu. W opracowaniu Wołoszyna i Czamary (1973) znajduje się informacja, że próba oszacowania współczynnika spływu na podstawie ilości pompowanej z pompowni wody w nawiązaniu do wielkości opadów atmosferycznych nie dała spodziewanych rezultatów. Tym niemniej, w chwili obecnej podjęto próbę przynajmniej przybliżonego określenia wartości współczynnika spływu powierzchniowego na podstawie korelacji wielkości opadów i ilości pompowanej wody z pompowni odkrywki Kazimierz. Dla analizy wybrano okres sierpień wrzesień 2006 r. Wrzesień charakteryzował się bardzo niskimi opadami, natomiast sierpień był miesiącem o bardzo dużych opadach. Dla analizy współczynnika spływu powierzchniowego sporządzono wykres dobowych wielkości opadów w zależności od czasu oraz wykres sumarycznego czasu pracy pomp na pompowni spągowej w poszczególnych dobach. Ilość pompowanej wody z pompowni (z całej zlewni) obliczono poprzez przemnożenie sumarycznego czasu pracy pomp przez wydajność pompy OS-250 na poziomie ok. 6,8 m 3. Wykresy zależności dobowych wielkości opadów oraz dobowych czasów pracy pomp w pompowni spągowej przedstawiono na załączonych wykresach. 327

4 J. MATERSKI, D. GRADECKI Ocena wartości współczynnika spływu powierzchniowego Rys Sumaryczny dobowy czas pracy pomp w pompowni spągowej odkrywki Kazimierz i wielkość opadów w sierpniu 2006 r. Fig Twenty-four hours time of working for the pumps in the pumping plant of open-pit and quantity of the rainfall in August 2006 Rys Sumaryczny dobowy czas pracy pomp w pompowni spągowej odkrywki Kazimierz i wielkość opadów we wrześniu 2006 r. Fig Twenty-four hours time of working for the pumps in the pumping plant of open-pit and quantity of the rainfall in September

5 WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Analiza sporządzonych wykresów wskazuje, że we wrześniu, w którym stwierdzano jedynie niewielkie opady, wielkość opadu atmosferycznego w żaden sposób nie koreluje z ilością pompowanej z pompowni spągowej wody, co oznacza, że po niewielkich opadach nie stwierdzano większej ilości pompowanej wody. Dla miesiąca sierpnia, w którym występowały liczne i duże opady atmosferyczne, można stwierdzić, że po okresie dużych opadów atmosferycznych następował znaczący wzrost ilości pompowanej wody. Na podstawie występujących w sierpniu korelacji pomiędzy wielkością opadu a ilością pompowanej wody podjęto próbę oszacowania wartości współczynnika spływu powierzchniowego dla odkrywki Kazimierz. 4. Obliczenia przeprowadzone dla największego opadu dobowego w dniu r. Ilość wody, która spadła tego dnia na odkrywkę obliczono jako iloczyn wielkości zlewni (4,5 mln m 2 ) i wielkości opadu atmosferycznego (ok. 0,035 m): V1 = 4,5 mln m 2 0,035 m = m 3 Wielkość stałego dopływu wód do pompowni, który pochodzi z górotworu oszacowano na podstawie ilości pompowanej wody w okresie praktycznie bezopadowym, jakim był wrzesień. Ilość wody pompowanej z pompowni w okresie bezopadowym obliczono jako iloczyn czasu pracy pomp i wydajności pojedynczej pompy. We wrześniu sumaryczny czas pracy pomp wynosił średnio po 80 godzin na dobę. Ilość wody pompowanej w okresie bezopadowym wynosiła w ciągu doby: V2 = 6,8 m 3 /min 60 min 80 = m 3 Wielkość dopływu wód do pompowni, który pochodzi łącznie z górotworu oraz z opadów nawalnych, oszacowano na podstawie ilości pompowanej wody w okresie wzmożonych opadów (w dniu r.). Ilość wody pompowanej z pompowni w okresie nawalnych opadów obliczono jako iloczyn łącznego czasu pracy pomp i wydajności pojedynczej pompy. Po wzmożonych opadach w dniu r. łączny czas pracy pomp dochodził do 200 godzin na dobę. Ilość wody pompowanej w okresie wzmożonych opadów wynosiła w ciągu doby: V3 = 6,8 m 3 /min 60 min 200 = m 3 Ilość wody pompowanej z pompowni w okresie wzmożonych opadów, która pochodziła wyłącznie z opadów atmosferycznych: V4 = V3 V2 = m m 3 = m 3 Z ogólnej ilości wód opadowych, które spadły do odkrywki w ilości V1 = m 3, ilość wód pochodzących z opadu wynosiła V4 = m 3. Współczynnik spływu powierzchniowego ( ) dla okresu opadów nawalnych oszacować można jako stosunek ilości wód opadowych, które spłynęły do pompowni i wymagały odpompowania, do całkowitej ilości wód opadowych na terenie zlewni. = V4 / V1 = m 3 / m 3 = 0,31 Przeprowadzone obliczenia współczynnika spływu dla okresu opadów nawalnych pozwoliły na oszacowanie jego wartości dla odkrywki Kazimierz na poziomie = 0,

6 J. MATERSKI, D. GRADECKI Ocena wartości współczynnika spływu powierzchniowego 4. Podsumowanie Pomiary dopływu wód do pompowni w dłuższym okresie bezopadowym pozwoliły na określenie wielkości dopływu wód pochodzących z górotworu., który jest praktycznie stały. W okresie wzmożonych opadów atmosferycznych następuje przyrost ilości pompowanej wody zależny od średniej wartości współczynnika spływu powierzchniowego zlewni. Obliczenie wartości współczynnika spływu powierzchniowego na podstawie bilansu wodnego odkrywki Kazimierz należy traktować jako przybliżone, ponieważ metoda użyta do obliczeń nie uwzględnia przede wszystkim możliwej zmiany retencji na spągu odkrywki. Wykorzystanie do obliczeń długiego okresu (co najmniej jednego miesiąca) pozwala jednak na minimalizację błędu związanego ze zmianą retencji w obrębie zlewni. Różnica retencji na początku i na końcu okresu obliczeniowego staje się po prostu mało znacząca w stosunku do ogólnej ilości wody pompowanej w dłuższym okresie. Należy podkreślić, że zastosowanie metody bilansu wodnego zlewni odkrywkowej do oceny wartości współczynnika spływu powierzchniowego jest metodą bardzo szybką i prostą. W przypadku braku oceny wartości współczynnika spływu powierzchniowego na podstawie innych metod, metoda bilansu wodnego zlewni może być stosowana z powodzeniem. Literatura [1] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w odkrywkowych zakładach górniczych wydobywających kopaliny podstawowe. Dz. U. nr 96/2002, poz [2] Wołoszyn J., Czamara W. 1973: Badania wielkości i zmienności współczynnika spływu dla najczęściej występujących warunków na terenie kopalń węgla brunatnego, Akademia Rolnicza, Wrocław. The assessment of value of the surface runoff coefficient taken into calculation of the water affluent to the pumping plant according to water balance of open-pit Kazimierz The first part of article shows the rules of law connected with calculation of water affluent to pumping plant in the open-pits. According to the most important influence to estimate an affluent of the rainfall water to pumping plant, analysis of these factors was made to calculate quantity of the affluent of the rainfall water to pumping plant. The list of all factors which have an influent on the value of the surface runoff coefficient in the open-pit was made. The authors presents possibility of assessment of the average value of surface runoff coefficient from the open-pit drainage area using water balance obtained in the open-pit Kazimierz. Przekazano: 14 marca 2007 r. 330