Плакат № 40. Подземные воды месторождения.

Гидрогеологические условия месторождения полезных ископаемых.

Лекция №28

План:

1. Естественные факторы обводнения месторождения.

а) атмосферные осадки

б) рельеф местности (макет рельефа)

в) фильтрация воды из поверхностных водотоков и водоёмов

г) Состав покровных пород, степень обнажённости коренных пород и тектоника.

д) литологический состав пород, вскрываемых горными выработками и тектоника района.

2. Особенности техногенного режима подземных вод на шахтных и карьерных полях.

Ключевые слова:Естественные факторы, рельеф, степень обнаженность горных пород, обводнения, техногенный режим, горная выработка, избыточное увлажнение, гипсометрическое положение, водоотводящий канал, туннель, поглашение, шахта, карьер.

Обычно условия обводнения месторождений полезных ископаемых зависит от общих естественноисторических факторов, а также от искусственных мероприятий (рис.1). В процессе эксплуатации месторождения вода поступает в горные выработки из водонасыщенных пластов или трещин и более крупных пустот, вскрываемых подземными или открытыми выработками. Количество воды, поступающеё в горные выработки, обуславливается рядом естественных и искусственных факторов, влияющих на обводнение неодинаково.

Конкретные данные о характере и степени обводнённости месторождений получают в результате наблюдений над притоками воды в горные выработки и над различными проявлениями водоносности при разработке месторождений. Очень важное значение имеют физико-геологические явления, возникающие в процессе притока воды в горные выработки и осложняющие прорывы плывунов, оползание откосов карьеров, пучение почвы или кровли выработок и т.д.

Естественные основные факторы, которые должны изучаться в процессе разведки месторождения следующие:

1.Одной из основных, а иногда и единственной причиной обводнения горных выработок является инфильтрация атмосферных осадков и меньше в районах засушливых, с недостаточным увлажнением. Это обстоятельство особенно резко появляется в неглубоких горных выработках, расположенных на пониженных участках местности (котловане, речных долин, балок и т.д.), где в дождевые периоды и во время весеннего снеготаяния (паводков) приток воды в горны выработки увеличивается на 40-50, а иногда и на 200-300% по сравнению со средневековьем. В тоже время при наличии в кровле выдержанных водоупорных слоёв водопроток в горные выработки в весенние время увеличивается только на 10-15% по сравнению со снеговым.

В выработках глубиной 100-200 м увеличение поступления воды отмечается через несколько дней после начала интенсивных дождей или снеготаяния. На некоторых месторождениях обильные дожди вызывают усиление обводнённости выработок даже через несколько часов. В выработках свыше 250-300 м. увеличение притока на некоторых месторождениях наступает через 2 и более месяца. Так в более глубоких шахтах сезонные колебания притока проявляются слабо: например, наблюдения показало, что на одной из шахт Донбасса на горизонте (глубина) 560 м. средний водопроток составлял 180 м3/час, а максимальный весенний не превышал 220 м3/час. На шахте глубиной до 100 м., расположенной в долине горной реки, притоки воды нарастают после длительных атмосферных осадков.

Величина проникновения осадков в толще горных пород в значительной мере зависит от местных условий. Так в районах развития карстовых пустот толща горных пород зависит от того, в какой климатической области располагается месторождение; в южных областях, с недостаточным увлажнением, чаще распространены слабо обводнённые месторождения, в северных, с избыточным увлажнением, - сильное обводнение. В качестве примера, характеризующего водообильность шахт в зависимости от качества атмосферных осадков, можно привести Карагандинский и Донецкий каменноугольный бассейны, где литологический состав продуктивных свит (слои) карбонат (С) приблизительно сходен.

Подземные воды в обоих бассейнах циркулируют по трещинам песчаников, сланцев и известняков, обладают относительно высокой водопроводящей способностью. Однако, в Карагандинском бассейне, характеризующимся меньшим количеством осадков и высокой испаряемостью, водообильность шахт примерно в два –три раза ниже, чем в Донецком (в Донбассе в среднем выпадает около 400 мм, причём в Карагаче максимальное количество осадков выпадает в июне-июле, когда большая часть их расходуется на испарение).

2.Форма рельефа дневной поверхности очень существенно влияют на степень обводнения месторождений, отражаясь на условиях циркуляции и глубине залегания водоносных горизонтов. Так, число вскрытых водоносных горизонтов и естественный дренаж зависят от глубины вреза местной гидрографической сети. Месторождения, расположенные выше местного базиса эрозии, обычно являются слабо обводнёнными или даже безводными: в однородных геологических условиях месторождения или на отдельные участки, залегающие под долинами рек, балок и других понижений, могут оказаться более сильно обводнёнными. Значительное увеличение притока воды в горные выработки в периоды паводков и интенсивного выпадения затяжных дождей часто наблюдаются в шахтных полях, сильно изрезанных овражно-балочной системой.

В месторождениях расположенных в горной пересечённой местности, различные рудные, шахтные поля при одном и том же геологическом строении характеризуется резко отличной степенью обводнения в зависимости от их гипсометрического положения. Например, в месторождениях Кора-Тау ( в Казахстане), где в течении года выпадает всего 180-250 мм осадков, при огромной испаряемости, в следствие сильной расчленённости горного рельефа и развития в долинах трещиноватых закарстовых известняков и доломитов, интенсивно поглощающих осадки, выработками вскрыты мощные водоносные горизонты с высокодебитными пресными источниками.

3. Источником обводнения выработок является вода поверхностных водоёмов и водотоков, расположенных вблизи горных выработок. Такое соседство приводит иногда к катастрофическим водопротокам в карьер приносящим огромные убытки и сопровождающимся даже гибелью людей (Ахангаран, водоотводящий канал 1980 год).

4. К слабоводопроницаемым покровным отложениям относятся главным образом суглинки четвертичного возраста. Если отложения доказанного типа широко развиты в районе месторождения, имеют выдержанную мощность (не менее 5 м.) и надёжно перекрывают с поверхности залегающие ниже водопроницаемых толщи пород, то инфильтрация атмосферных и поверхностных вод через них происходить почти не будет. Покровные суглинки становятся более водопроницаемыми лишь в том случае, когда они имеют сравнительно рыхлое сложение или содержат значительный процент песчаных частиц.

При больших по мощности подработках и многолетнем существованием горных выработок покровные водоупорные отложения изменяют свою структуру и начинают пропускать воду. Кроме того, в связи с обрушением выработанных участков местами возникают открытые трещины, через которые поверхностная вода может проникать в подстилающие водопроницаемые породы свободно в больших количествах. Но иногда даже после обрушения пород в кровле выработок и связанного с этим частичного разрыхления покровных суглинков последние продолжают оставаться хорошим водоупором. По степени обнажённости коренных пород месторождения подразделяются на открытые и закрытые. Открытыми, или обнажёнными, называется такие месторождения, в которых коренные породы, залегающие в кровле, или полезное ископаемое выходят на поверхность и составляют значительную величину от разведанной площади. Степень обнажённости месторождений может быть самой разнообразной и колеблется от долей до нескольких десятков процентов по отношению ко всей площади месторождения.

Открытыми часто являются месторождения полиметаллов. Через открытые участки площади месторождения, если они представлены водопроницаемыми породами, может происходить поглощение поверхностных вод, которые в дальнейшем достигают горных выработок.

Величина поглощения воды при таком виде питания будет полностью обуславливаться фильтрационными свойствами пород кровли и местными физико-географическими условиями. При наличии водоносных горизонтов, имеющих непосредственную связь с поверхностью, сезонные колебания водопритоков проявляются довольно резко: при этом наибольшие водопритоки приходятся на весеннее время (весенний паводок) и наименьшее – на зимнее.

5. Поступление подземной воды на горные выработки зависит от литологического состава обнажённых выработками пород. Наибольшее количество воды в единицу времени, как известно, пропускают крупнее карстовые каналы, затем трещины и поры. Следовательно, наибольшее количество воды способны пропустить выщелачивающиеся и растворяющиеся породы. К первым относятся известняки, мел, мергели, доломиты, гипс и ангидрит, ко вторым – поваренная соль и калийные соли.

Разработка полезных ископаемых, залегающие в толще закарстовых пород – очень сложная задача, а местами и вовсе невозможным. Наибольший вред вода приносит при разработке соляных месторождений. Здесь даже незначительные притоки воды могут привести к гибели рудника и поэтому должны внимательно изучить гидрогеологические условия таких месторождений.

Обводнение горных выработок тесно связано с выдержанностью литологического состава пород. Так, при смене глинистых фаций песчаными выработками, бывшие ранее сухими или слабо обводнёнными могут оказаться более обводнёнными причём иногда в выработке вместе с водой могут выноситься мелкие песчаные и глинистые фации. Например, Ленгерское буроугольное месторождение (Подмосковье), отличающиеся исключительной фациальной невыдержанностью, характеризуется повышенными притоками воды и прорывами плывунов при встрече слабо сцементированных песчаников, особенно в зоне тектонических нарушений. На одном из рудных месторождений Урала наибольшие водопритоки приходятся на выработки, имеющую глубину 70-80 м.: с увеличением глубины водопротока заметно уменьшаются. Уменьшение водопротока в выработки с глубиной обусловлено изменением трещиноватости водоносных пород; с увеличением глубины уменьшается степень трещиноватости пород, поэтому снижается и величина водопротока.

На некоторых жилах месторождений в горные выработки могут поступать восходящие термальные воды, обладающие высокой температурой, то является серьёзным препятствием при разработке полезных ископаемых на глубину. Поступление больших молей воды в горные выработки связано с особенностями тектоники района. Внезапные прорывы больших количеств воды могут быть обусловлены выходом воды их тектонических зон (трещин) в скальных породах. Зоны тектонических нарушений служат проводниками и коллекторами подземных вод.

По тектоническим зонам более интенсивно осуществляется гидравлическая связь различных водоносных горизонтов. На некоторых месторождениях эта связь распространяется вплоть до поверхностных вод. Тектонические трещины, пересекающие несколько водоносных горизонтов, даже при отсутствии связи с поверхностными водами могут в течении длительного времени давать большое количество воды. Тектонические нарушения нередко бывают причиной внезапных прорывов больших масс воды.

2.При строительстве и эксплуатации шахт и карьеров формируется техногенный режим подземных вод, который определяется прежде всего тес, что основными контурами разгрузки водоносных горизонтов являются горные выработки и дренажные сооружения. При этом резко изменяется направление естественного потока подземных вод, увеличиваются градиенты подземных потоков, возрастают сезонные колебания уровней. Наряду с появлением новых техногенных контуров дренажа заметно изменяются условия питания водоносных горизонтов.

Усиленное дренирование подземных вод вызывает развитие процессов протекания из смежных с ними водосточных пластов.

Техногенный режим подземных вод отличает изменчивость водопротоков в горные выработки и уровней водоносных горизонтов во времени. Как правило, водопротоки будут снижаться со временем вследствие постепенного истощения ответственных запасов подземных вод, систематического снижения уровней дренирующих пластов.

Наличие воды в в подошве и уступах карьера – причина размокания и набухания глинистых разностей горных пород и полезного ископаемого, что ограничивает проходимость и производительность горно-транспортных средств.

В бортах карьеров, вскрывают их рыхлые песчано-глинистые породы, подземные воды вызывают оплывание водонасыщенных песков, формирование на подошве карьера языков оплывания, которые затрудняют работу или полностью исключают возможность эксплуатации горно-транспортного оборудования.

Подземные воды, высачивающиеся в бортах карьеров, могут увлажнять полезное ископаемое, снижая его качественные характеристики и затрудняя его транспортировки в зимний период.

При обосновании рациональной степени дренирования вскрываемых карьером рыхлых песчано-глинистых отложений, следует исходить из величины допустимого притока воды к откосу.

Подземные воды оказывают существенное влияние на напряжённое состояние обводнённого прибортового массива горных пород; в результате ухудшается условие устойчивости бортов карьеров или отдельных уступов. Обводнённый массив горных пород характеризуется в каждой точке по вертикали польными, эффективными и нейтральными напряжениями.

Обычно максимальное влияние на устойчивость бортов карьера подземные воды оказывают в том случае, когда месторождение сложено слабопроницаемыми породами. Влияние гидродинамического давления на устойчивость бортов карьеров особенно велико для месторождений, сложенных прочными полускальными породами. При оценке устойчивости бортов карьеров совместное действие объёмных сил гидростатического взвешивания и гидродинамического давления может быть учтено давление. Расчётная схема предусматривает разбиение участка прибортового массива, заключённого между линией откоса и потенциальной поверхностью скольжения на ряд вертикальных элементарных блоков (рис.2)

Нормальную составляющую сил нейтрального давления, действующую в пределах каждого блока, определяют по формуле:

,

где - плотность воды

1- Линия откоса, 2- поверхность скольжения, 3- депрессионная кривая, P_i - вес элементарного блока; T_i – тангенсальная составляющая веса, N_i - нормальная составляющая веса, 0-0 – плоскость сравнения, H_i - напор на потенциальной поверхности скольжения в пределах элементарного блока – I, а_i – угол наклона потенциальной поверхности скольжения в пределах блока шириной а_i.

Месторождения, в разрезе которых преобладают рыхлые песчаные водонасыщенные породы, являются трудными для эксплуатации. При вскрытии таких пород в выработке вместе и водой наступает и водосодержащая порода. Этот процесс, если его не приостановить, приводит к обвалам, оплывинам и другим нарушениям пород кровли и подошвы горных выработок.

Нередко причиной прорыва плывунов являются тектонические нарушения. В некоторых случаях деформации наблюдаются и в почве выработок. Здесь они обычно возникают под влиянием давления нижележащих напорных вод на слой водоупорных глин небольшой мощности. В открытых котлованах (карьерах) напорные воды могут прорывать водопроницаемые пласты и либо изливаться из трещин разрыва.

Рудники, карьеры, разрабатывающие горизонты полезных ископаемых, лежащие выше коренных бортов ближайших долин, обычно обводняются слабо. Совершенно иная картина наблюдается в том случае, если зоны трещин выветривания располагается ниже местного базиса эрозии и имеет связь с долинами рек или выполняющими их аллювиальными обводнёнными отложениями. Через такие трещины из бортов долин в выработки могут поступать больше массы воды.

При вскрытии тектонических трещин или зоны тектонических трещин, буровыми скважинами наблюдаются следующие явления. В скважинах, заложенных на более высоких отметках, происходит быстрая и резкая потеря промывочной жидкости (глинистого раствора), скважины, пройденные на пониженных участках, дают самоизливающуюся воду.

Питанием трещинных вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, поступающих с поверхности через систему трещин в зонах выветривания и обрушения, связанных на некоторой глубине с тектоническими трещинами. В пределах речных долин и межгорных котловин поступление воды в тектонические трещины возможно и из аллювиальных и других отложений.

Общее количество воды которое будет поступать в горные выработки, определяется в процессе разведке месторождения в целях выявления в степени его обводнённости и установления в целях выявления степени его обводнённости и установления необходимой производительности насосных установок. Определение количества воды, которое может поступать в горные выработки, является одной из самых сложных задач рудничной гидрогеологии. Все проводимые на месторождениях гидрогеологические изыскания, нередко сопровождаемые значительным объёмом опытных полевых работ и лабораторными исследованиями, имеют назначение выявить гидрогеологические условия месторождения и степень его обводнённости.

Эксплуатация сильно обводнённых месторождений полезных ископаемых открытых или подземным способом в широких масштабах возможно только при условии предварительного проведения полного объёма осушительных мероприятий.

При подземном способе разработки в проекте осушительных мероприятий необходимо учитывать: 1) возможно более полное осушение пород кровли; 2) снижение пьезометрического напора вод на 1-2 м ниже подошвы горных выработок или до пределов, при которых катастрофические прорывы подземных вод в выработки становятся невозможными.

Осушительные мероприятия должны проводится с некоторым опережением по отношению к горным работам. Сроки осушения шахтных полей обуславливается как скорость проходки, так и характером водопроводимости геологического разреза. Степень обводнённости месторождения можно охарактеризовать общим количеством воды, удаляемой из рудника, карьера, но эта характеристика не даёт представления об объёме горных выработок в которые поступает вода и не отражает количество добываемого полезного ископаемого.

Поэтому нередко при оценке водопротока в горные выработки предпочитают пользоваться так называемым коэффициентом водообильность или же относят величину водопротока к объёмной, квадратной или линейной величине выработок: на отдельных месторождениях приток воды относится к 100 и 1000 м2 площади горных выработок. Существует следующие приближённые методы определения будущих водопротоков.

1) по коэффициенту водообильности.

2) По водному балансу.

3) По формулам динамики подземных вод

4) На основе гидродинамического анализа.

Оценка этих способов и пределов их применения в зависимости от геологического строения, гидрогеологических условий, системы разработки, полезных ископаемых и ряда других факторов. Необходимо отметить, что в настоящее время нет законченных свободных решений по теории водопротоков к горным выработкам в связи со сложностью и разнообразием гидрогеологических обстановок и условий в различных типах месторождений полезных ископаемых.

На ряде рудников притоки воды возрастают прапорционально увеличению площади горных выработок. В связи с этим наметив в новом шахтном поле площадь первоочередной отработки можно рассчитать для неё возможный водоприток по следующей схеме.

Обозначим среднее проектное понижение уровня подземных вод, которое долно быть достигнуто на шахтном поле, через S , а площадь первоочередной отработки будущего рудника через F. Допустим, кроме того, что фактический дебит действующего рудника площадью F составляет величину Q при созданном уж понижений S.

Тогда фактический единичный приток воды на 1 м2 площади разработок при понижении уровня 1 м получается путём деления единичного расхода g на понижение уровня S.

Тогда фактический единичный приток на действующем руднике, т.е. приток, отнесённый к 1 м2 площади разработок составляет:

м3/час или л/час

Средний фактический приток воды на 1 м2 площади разработок при понижении уровня 1м получается путём деления единичного расхода g на понижении уровня S:

Будуший суммарный приток Q выражается как произведение фактического удельного притока g₀ на площадь запроектированных подготовительных выработок F₁ и на заданное понижение уровня S₁,

Эта схема расчёта водопротока является приближённой.

Определение водопротоков по коэффициенту водообильности: , где: Q – количество откаченной воды, Р – количество добытого за тот же срок полезного ископаемого (в тоннах). Чаще всего коэффициент водообильности определяют по месячным или годовым данным. Значение коэффициента водообильности для различных рудников колеблется в весьма широких пределах: от 1-2 до 40 и более.

При открытых разработках особую роль играют также методы борьбы с подземными водами:

1) Поверхностный горизонтальный дренаж.

2) Отвод рек за пределы карьерных полей.

3) Глубокое водопонижение.

4) Комбинированное осушение.

Поверхностный горизонтальный дренаж применяются в тех случаях, когда основной обводняющий горизонт залегает с поверхности и перекрывает продуктивную толщу.

Отвод рек за пределы карьерных полей осуществляется в том случае, когда продуктивный залежь встречается в эрозионных врезах, т.е. в долинах рек. Поэтому строится крупный отводящий канал.

Глубокое водопонижение осуществляется при помощи артезианских турбинных насосов.

Комбинированное осушение месторождения осуществляется сооружением ряда дополнительных дренажных устройств (например, трубчатые водопонизительные штреки, сквозные и забивные фильтры, горизонтальные сифонные фильтры, дренажные шурфы, поглощающие скважины, водоподъёмные насосы и т.д.).

Контрольные вопросы:

1. Почему происходит затопление дна карьера Кальмакыр?

2. Как происходит фильтрация воды в породе?

3. Почему часто происходит затопление карьеров?

4. Почему неодинакова скорость фильтрации воды в породах?

5. Всегда ли атмосферные осадки являются источником для грунтовых вод?

6. Каких случаях месторождения считается слабо обводнёнными?

Литературы:

1. Якушева А. Ф. «Общая геология». М. Недра 1988.

2. Мильнучук В. И. «Общая геология». М. Недра 1989.

3. Ершов В. В. «Основы геологии». М. Недра 1986.

4. Иванова М. Ф. «Общая геология». М. Недра 1974.

5. Панюков П. Н. «Основы геологии». М. М. Недра 1978.