Тема 1.7 Основы гидрогеологии

Условия обводнения МПИ Гидрогеологическая классификация МПИ

Гидрогеология — наука о подземных водах. Она изучает происхождение, условия залегания и распространения подземных вод, процессы их взаимодействия с вмещающими поро­дами. В задачу гидрогеологии входят изучение возможностей практического использования подземных вод для разнообразных целей, а также разработка мероприятий по борьбе с подземными водами при строительстве и эксплуатации карьеров, шахт, метрополитенов, гидротехнических сооружений и т. д.

При горно-эксплуатационных работах подземные воды нередко значительно осложняют их проведение, вызывая необхо­димость осуществления осушительных дренажных и гидроизоляционных мероприятий.

Условия обводнения месторождений полезных ископаемых

При разработке месторождений полезных ископаемых подземные воды часто создают серьезные помехи эксплуатационным работам. Такие воды называются шахтными, или рудничными.

Поступление подземных вод в горные выработки обусловливается рядом естественных и искусственных факторов. К естественным факторам обводнения относятся: атмосферные осадки, просачивание воды из поверхностных водотоков и во­доемов, рельеф местности, литологический состав и строение вмещающих пород, глубина горных выработок.

К искусственным факторам относятся: влияние старых затопленных выработок, влияние не тампонированных* разведочных скважин, принятая система ведения горных работ.

Атмосферные осадки. Обводненность горных выработок при небольшой глубине залегания полезного ископаемого находится в прямой зависимости от количества выпада­ющих атмосферных осадков. В открытые горные выработки (канавы, шурфы, карьеры) осадки поступают в виде поверхностного стока. При этом приток воды в горные выработки увеличивается на 30—40%, а иногда на 200—300% и больше по сравнению со среднегодовым притоком. Так, на одной из шахт в Эстонии, где разрабатываются горючие сланцы, летом и зимой приток воды не превышает 435 м³/ч, а в период весен­него снеготаяния он увеличивается до 4620 м³/ч, т. е. больше чем в 10 раз.

Просачивание воды из поверхностных водотоков и водоемов. В данном случае обводненность горных выработок связана с просачиванием воды непосредственно из открытых водотоков или сквозь аллювиальные отложения.

Рельеф местности. Обводненность горных выработок зависит в значительной мере от отношения их абсолютной высоты к местному базису эрозии и изрезанности рудного (шахтного) поля овражно-балочной системой. Наименьшая обводненность характерна для горных выработок, приуроченных к водораздельным пространствам со слабо расчлененным рельефом и отсутствием обнажений коренных пород. И наоборот, сильно обводненными являются горные выработки, расположенные в долинах рек или под их руслами. Так, для шахтных полей Донбасса, приуроченных к местности со слабо расчлененным рельефом, где небольшие балки и овраги мало или совершенно не вскрывают коренные породы, коэффициент водообильности составляет в среднем 1,8—2,8, а для шахтных полей, располо­женных в речных долинах, он достигает 30,0.

Л и то л о ги ч е ск и й состав и строение вмещающих пород. Минеральный и гранулярный состав горных пород, их пористость и пластичность в значительной мере предопределяет обводненность горных выработок. Так, повышенной обводненностью характеризуются месторождения, в геологическом разрезе которых широко развиты карстующиеся породы (известняки, гипсы, ангидриты) или рыхлые обломочные породы, легко пропускающие воду. Меньшей обводненностью характеризуются месторождения, сложенные пластами осадочных сцементиро­ванных пород (песчаниками, аргиллитами, глинистыми слан­цами), глинистые" породы при этом представляют водоупорные горизонты, изолирующие смежные водоносные пласты.

Существенное влияние на степень обводненности оказывает тектоническое строение вмещающих пород, в первую очередь — наличие на месторождении разрывных нарушений. При вскрытии горными выработками зон тектонических нарушений, осо­бенно сбросов, раздвигов и т. д., отмечается сосредоточенное, иногда катастрофическое поступление воды в горные выра­ботки.

Глубина горных выработок. По мере углубления горных выработок их обводненность, характеризующаяся притоком воды и коэффициентом водообильности, может и уменьшаться, и увеличиваться. Это зависит от степени трещиноватости горных пород, их литологического состава, вскрытия межпластовых, трещинных или других типов подземных вод соляных месторождениях полезное ископаемое часто покрыва­ется мощными глинистыми толщами, предохраняющими его от размыва. Поэтому соляные рудники обычно воды не содержат.

VII тип — месторождения, расположенные в толще многолетней мерзлоты. Большинство месторождений, разрабатываемых в районах многолетней мерзлоты, являются слабо обводненными или сухими.

VIII тип — нефтяные и газовые месторождения. На этих месторождениях различают пластовые и подземные воды, распространенные по границам нефтяной залежи (краевые), и воды, подстилающие нефтяную залежь (подошвенные). Кроме того, в нефтяные и газовые месторождения проникают безнапорные и напорные воды кровли, а также напорные воды, залегающие ниже подошвенных вод, если они обладают высоким напором.

Влияние старых затопленных выработок. В старых заброшенных выработках нередко накапливаются зна­чительные объемы подземных вод, которые могут прорваться в действующие горные выработки.

Влияние незатампонированных разведочных скважин. По окончании бурения каждая разведочная сква­жина обычно ликвидируется: из нее извлекают обсадные трубы, а скважину заполняют жирной глиной или цементом. Это де­лается для того, чтобы вода из водоносных горизонтов, залегающих среди пород кровли и подошвы пласта полезного ископа­емого, не смогла прорваться в горные выработки при их про­ведении. Из-за плохого тампонирования скважин вода может проникать в горные выработки.

Принятая система ведения горных работ. Неправильное ведение горных работ и неудачный отвод откачиваемых шахтных (рудничных) вод могут привести к значительному поступлению воды в горные выработки. В этих случаях необходимо проводить специальные работы, в частности, ограждающие поверхность шахтного (рудного) поля от скопления атмосферных осадков и сбрасываемых шахтных (рудничных) вод, или обеспечивающие защиту пласта полезного ископаемого от близко залегающих открытых водотоков, водоносных отложений и т. д.

Гидрогеологическая классификация месторождений полезных ископаемых

Существует ряд классификаций месторождений полезных ископаемых по условиям обводненности.В зависимости от характера и водообильности пород, сла­гающих кровлю и подошву полезного ископаемого, П. П. Климентов в 1967 г. разработал гидрогеологическую классифика­цию месторождений, в которой выделено восемь типов.

I тип — месторождения, в разрезе которых широко развиты карстующиеся породы (карбонатные и сульфатные). Месторождения, приуроченные к карстующимся породам, характеризуются наиболее высокой водообильностью. На этих месторождениях приток воды в выработки отдельных шахт иногда превышает 2000 м³/ч.

К первому типу обводненности относится довольно много месторождений полезных ископаемых: некоторые месторожде­ния Северного Урала, Кизеловский каменноугольный бассейн и др.

II тип — месторождения, располагающиеся в толщах несцементированных зернистых пород (песчаных, песчано-галечных и песчано-глинистых). Водообильность этих месторождений довольно высока и зависит как от литологического состава пород, развитых в кровле и почве пласта полезного ископаемого, так и от современных эрозионно-географических факторов. Отдельные шахты месторождений II типа характеризуются относительно высоким водопритоком, достигающим 100— 300 м³/ч, а иногда и более.

К этому типу относятся месторождения бурых углей, огнеупорных глин, марганца, фосфоритов, некоторые железорудные месторождения и россыпные месторождения олова, золота, платины, вольфрамита и др.

III тип — месторождения, в геологическом разрезе которых преобладают трещиноватые и в меньшей мере участвуют пес­чаные породы. Водообильность месторождений этого типа зависит от степени трещиноватости, количества рыхлых песчаных образований, а также от физико-географических условий. Для месторождений данного типа характерно преобладание атмо­сферных осадков над величиной испарения. При наличии гидравлической связи с поверхностными водами водоприток в шахты таких месторождений может достигать 400—600 м³/ч.

IV тип — месторождения, приуроченные-к скальным трещиноватым породам. Водообильность данного типа месторождений обусловливается степенью трещиноватости и тектонической нарушенное пород, а также физико-географическими условиями. Для месторождений этого типа характерны относительно сла­бая водопроницаемость пород, резко континентальный климат, малое количество атмосферных осадков и отсутствие крупных рек и водоемов.

Водопритоки в горных выработках, пройденных на этих ме­сторождениях, обычно не превышают 50—150 м³/ч.

К этому типу относятся слабо обводненные месторождения цветных и редких металлов, некоторые каменноугольные бассейны (Донбасс), большинство железорудных месторождений, некоторые месторождения строительных материалов.

V тип — месторождения с любым геологическим разрезом, расположенные на междуречных пространствах с относительно высокими абсолютными отметками или в горных районахс сильно расчлененным рельефом. Нередко эти месторождения располагаются выше местного базиса эрозии и поэтому хорошо дренированы В некоторых районах разработка полезных ископаемых ведется при помощи штолен; приток воды в выработки небольшой, и борьба с рудничными водами не представляет особых трудностей.

VI тип — соляные месторождения. Легкорастворимые галоидные месторождения целесообразно выделить в отдельный типе только вследствие хорошей растворимости соляных залежей в воде, но и потому, что соляные залежи обладают высокой пластичностью, благодаря которой возникающие в соляной толще трещины быстро закрываются. Это одна из главных причин, обусловливающих отсутствие воды на ряде соляных месторождений. Другой причиной служит то обстоятельство, что на соляных месторождениях полезное ископаемое часто покрывается мощными глинистыми толщами, предохраняющими его от размыва. Поэтому соляные рудники обычно воды не содержат.

VII тип — месторождения, расположенные в толще многолетней мерзлоты. Большинство месторождений, разрабатываемых в районах многолетней мерзлоты, являются слабо обводненными или сухими.

VIII тип — нефтяные и газовые месторождения. На этих месторождениях различают пластовые и под земные воды, распространенные по границам нефтяной залежи (краевые), и воды, подстилающие нефтяную залежь (подошвенные). Кроме того, в нефтяные и газовые месторождения проникают безнапорные и напорные воды кровли, а также напорные воды, залегающие ниже подошвенных вод, если они обладают высоким напором.

Определение притоков воды в горные выработки и меры борьбы с подземными водами

Определение притоков воды, характера их поступления в горные выработки — одна из важнейших задач шахтной (или рудничной) геологии, потому что на основании данных о ре жиме водопритоков намечаются необходимые мероприятия по борьбе с подземными водами.

Буровые скважины, колодцы, шурфы и стволы шахт отно­сятся к вертикальным водозаборам, а осушительные канавы, закрытые дренажи, штреки квершлаги — к горизонтальным. Вертикальные водозаборы любого назначения, вскрывающие грунтовые и безнапорные межпластовые воды, называются грунтовыми колодцами, а водозаборы, вскрывающие напорные воды — артезианскими колодцами.

Вертикальные и горизонтальные водозаборы могут быть со­вершенными, если вскрывают водоносный горизонт по всей мощности, и не совершенными, если ими вскрывается только часть водоносного горизонта.

Расчетные схемы и формулы для определения притока воды к различного рода водозаборным сооружениям приводятся в специальных руководствах и учебниках по гидрогеологии для горных техникумов.

Проведение горных работ в условиях обводненности невозможно без планового осуществления дренажных мероприятий, направленных прежде всего на осушение разрабатываемых ме­сторождений полезных ископаемых. Осушение может быть пре­дварительное и параллельное.

Предварительное осушение выполняется при слож­ных гидрогеологических условиях, например при наличии в кровле и почве водоносных горизонтов, и осуществляется тремя способами: поверхностным, подземным и комбинирован­ным. Поверхностный способ сводится к проходке дренажных

Рис. 39. Схема осушения кровли угольного пласта забивными фильтрами

канав и колодцев, бурению водопонижающих и водопоглощающих скважин; через последние воды сбрасываются из обводнен­ного надрудного горизонта в подрудный водоносный горизонт, из которого откачка проводится че­рез водопонижающие скважины. Подземный способ осушения осуществляется путем проходки по полезному ископаемому спе­циальных выработок (штреков, уклонов и т. д.), в кровлю кото­рых устанавливаются забивные или сквозные фильтры, а в почве проводятся дренажные канавы (рис.39).

Комбинированный способ сочетает в себе элементы поверх­

дрени­руемых водоносных горизонтов откачивается с помощью сква­жин, а часть поступает в подземные выработки через забивные фильтры, и другие дренажные устройства и за тем откачивается на поверхность. Параллельное осушение проводится при относительно простых гидрогеологических условиях и выполняется одновременно с проходкой горных выработок и добычей полезного ископаемого.