Гидрогеологические условия месторождений

Гидрогеологические факторы определяют обводненность месторождений полезных ископаемых.

Вода – постоянный компонент вещественного состава горных пород. Она оказывает большое воздействие на состояние и свойства пород, на протекающие в них процессы. Подземные воды обычно тесно связаны с поверхностными и являются важным элементом геологической среды. Для них характерна высокая подвижность и способность к миграции. Миграция подземных вод обусловлена как естественными причинами, так и производством горных работ.

Подземные воды влияют на: 1)качество полезных ископаемых; 2)устойчивость горных пород в горных выработках; 3)условия ведения горных работ; 4)их безопасность. В связи с этим, изучение гидрогеологических условий месторождений представляет одну из важнейших задач разведки месторождений.

Множество гидрогеологических факторов может быть разделено на следующие группы: 1)физико-географические, 2)геолого-структурные, 3)собственно гидрогеологические, 4)горно-технические (техногенные).

Из физико-географических факторов наибольшее влияние на обводненность оказывают: 1)климат, 2)гидросеть и 3)рельеф.

Из климатических зон специфические гидрогеологические условия характерны для зоны вечной (многолетней) мерзлоты. Подземные воды этой зоны принято делить на над-, меж- и подмерзлотные. Надмерзлотные воды оттаивают летом и промерзают зимой, их режим имеет сезонный характер. Межмерзлотные воды представлены жидкой и твердой фазами, соотношение между которыми не зависит от сезона.Подмерзлотные воды по режиму не отличаются от подземных вод других климатических зон.

Поверхностная гидросеть влияет на обводненность месторождений при наличии хорошо выраженной гидравлической связи с подземными водоносными горизонтами. Связь эта может осуществляться через слои водопроницаемых горных пород и разрывные нарушения, достигающие поверхности. Они нередко создают благоприятные условия для поступления вод из открытых водоемов. В качестве примера можно назвать месторождения Северо-Уральского бокситоносного района (СУБР), где подземные воды подпитываются речными.

При равнинном рельефе сток поверхностных вод замедлен, местность нередко заболочена, месторождения часто расположены ниже базиса эрозии рек и водоемов. Гидрогеологические условия в этих случаях характеризуются неглубоким залеганием грунтовых вод и наличием нескольких горизонтов напорных вод. Водоносные горизонты могут иметь значительный напор, высокую водообильность и разнообразную водопроницаемость. Горные породы здесь часто сильно обводнены.

Для горных областей, напротив, характерна малая и временная обводненность пород.

К геолого-структурным факторам относятся: 1)состав и свойства вмещающих пород и руд, 2)условия их залегания и 3)тектоническая нарушенность.

Состав и свойства вмещающих пород и руд. Наиболее низкая обводненность присуща месторождениям, сложенным магматическими, метаморфическими и осадочными сцементированными породами, в которых вода движется только по трещинам. Высокая обводненность характерна для месторождений, в строении которых участвуют карстующиеся породы – карбонатные, сульфатные, хлоридные (известняки, гипсы, минеральные соли).

Наиболее сложные гидрогеологические условия отмечаются на месторождениях, где рудные тела залегают между обводненными водоносными горизонтами, сложенными рыхлыми обломочными породами. Таковы, например, условия месторождений Подмосковного буроугольного бассейна, Никопольских марганцевых месторождений и др.

Зоны тектонических нарушений являются участками сосредоточенного, иногда катастрофического поступления воды в горные выработки. Известны случаи затопления шахт и карьеров подземными водами из тектонических нарушений, вскрытых горными выработками.

Собственно гидрогеологические факторы включают: 1)тип и условия залегания подземных вод и 2)характеристику водоносных горизонтов.

Поусловиямзалеганиявыделяютсянесколькотиповподземных вод: почвенные, верховодка, грунтовые, пластовые, трещинные и карстовые. Почвенные воды находятся на поверхности земли в почвах.Верховодка– воды, которые собираются над верхними невыдержанными линзовидными прослоями водоупорных пород. Грунтовые воды залегают над первым от поверхности выдержанным водоупорным слоем. Грунтовые воды имеют свободную поверхность, которую называют уровнем или зеркалом грунтовыхвод. Пластовые воды локализуются на более глубоких горизонтах в пластах водопроницаемых пород, ограниченных сверху и снизу водоупорными породами. Трещинные воды связаны с разрывными нарушениями. Карстовые воды приурочены к растворимым карстующимся породам и залегают в карстовых полостях внутри них –пустотах, пещерах и пр.

Почвенные воды, грунтовые и верховодка распространены, главным образом, в самых верхних частях земной коры, сложенных современными отложениями песчано-галечного состава. Они затрудняют вскрытие месторождения и повышают обводненность нижележащих коренных пород. Пластовые воды характерны для водопроницаемых толщ. Чаще всего это полускальные осадочные породы, угольные пласты, рудные залежи. Для скальных пород – магматических, метаморфических, некоторых осадочных типичны трещинные воды. Наибольшая обводненность месторождений обусловлена карстовыми водами, распространенными среди известняков, доломитов, мергелей, гипсов и ангидритов, соляных пород.

Характеристика водоносных горизонтов включает их количество и мощность, распространение по площади и в разрезе, связь друг с другом и с поверхностными водоемами, режим питания, а также гидродинамические показатели, среди которых наибольшее значение имеют: 1)влагоемкость, 2)водоотдача, 3)водопроницаемость, 4)водоприток.

Влагоемкость – способность горных пород вмещать в себя влагу. Вода, которая может быть заключена в породе, разделяется на 3 вида: 1)физически связанную (гигроскопическую и молекулярную), 2)капиллярную и 3)поровую. Влагоемкость, обусловленная физически связанной и капиллярной водой, снижает эффективность работы горного предприятия, так как вызывает лишние затраты энергии и уменьшает производительность работы механизмов и машин. Полная влагоемкость, объединяющая все виды воды, определяет запасы подземных вод и режим поступления воды в горные выработки.

Водоотдача – обратное влагоемкости свойство. Водоотдача обусловлена объемом водонасыщенных пород, их минеральным составом, временем стока воды и др.

Водопроницаемость – способность горных пород пропускать через себя (фильтровать) воду. Она зависит от минерального состава, размера зерен, общей и открытой пористости, а также от состава, температуры и степени минерализации воды. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации, который показывает расстояние, на которое распространяется вода сквозь данную породу за сутки. Коэффициент фильтрации измеряется в м/сутки. По величине его породы делятся на 4 группы:

1)водоупорные (<.0.1) – глины, глинистые известняки, монолитные изверженные породы;

2)слабопроницаемые (0.1-10) – лессы, суглинки, аргиллиты, алевролиты, супеси, бурые угли;

3)среднепроницаемые (10-500) – пористые известняки, песчаники;

4)легкопроницаемые (>1000) – крупные пески, галечники, трещиноватые скальные породы.

Водоприток – это объем поступающей воды. Он прямо пропорционален водопроницаемости.

Обводненность месторождений количественно определяется запасами подземных вод в пересекаемых водоносных горизонтах. Среди них различают статические и динамические запасы.

Статические запасы равны объемам воды в водоносных горизонтах и старых затопленных выработках. При вскрытии месторождений они дают значительный водоприток, который затем снижается.

Динамические запасы соответствуют расходу воды, протекающей через поперечное сечение водоносного горизонта в единицу времени.

Главными количественными показателями обводненности являются следующие:

1)суммарный приток воды к месторождению, м³/час;

2)удельный приток воды на 1 м² поверхности горных выработок, л/ч× м²;

3)коэффициент водообильности – объем воды, приходящийся на 1 т добытой руды, м³/т;

4)коэффициент фильтрации основного водоносного горизонта, м/сутки.

Режим подземных вод – это изменения в поступлении подземных вод во времени. Они включают напор, уровень, температуру, химический и газовый состав, дебит водозаборов и др. Изменение этих параметров происходит под влиянием как естественных, так и искусственных факторов.

Режим подземных вод резко изменяется при освоении месторождений. Различают стационарный и нестационарный режим. При стационарном режиме суммарный объем отводимых от выработок вод равен их притоку, при нестационарном этот баланс будет положительным или отрицательным. Существует много причин нарушения стационарности режима подземных вод. Одна из самых распространенных – осушение месторождений. В процессе осушения уровень воды снижается и образуются депрессионные воронки, поглощающие дождевые и талые воды, а также воды поверхностных водоемов и водотоков. Другая причина – сдвижение горных пород в результате горных работ с нарушением их сплошности трещинами. Трещины усиливают инфильтрацию атмосферных и поверхностных вод, соединяют одни водоносные горизонты с другими, вызывают перетекание воды и увеличивают водопритоки в выработки.

Существует целый ряд классификаций месторождений полезных ископаемых по условиям обводненности. Классификация П.П. Климентова, разработанная еще в 1976 г., основана на характере и водообильности горных пород, слагающих кровлю и подошву полезного ископаемого. Всего в ней выделяется восемь типов месторождений.

1 тип – месторождения, в разрезе которых широко развиты карстующиеся породы (карбонатные и сульфатные). Месторождения, приуроченные к карстующимся породам, характеризуются максимальной водообильностью. На этих месторождениях приток воды в отдельные выработки превышает 2000 м³/час. К этому типу относятся месторождения СУБРа, Кизеловского каменноугольного бассейна и др.

2 тип – месторождения, располагающиеся в толщах несцементированных обломочных пород (песчаных, песчано-галечных и песчано-глинистых). Водообильность этих месторождений высока и характеризуется водопритоком 100-300 м³/час, а иногда и более. Сюда относятся месторождения бурых углей, огнеупорных глин, марганца, фосфоритов, некоторые железорудные месторождения и россыпные месторождения олова, золота, платины, вольфрамита и др.

3 тип – месторождения, в геологическом разрезе которых преобладают трещиноватые скальные породы и в подчиненном количестве присутствуют рыхлые песчаные. Водоприток месторождений этого типа также достаточно высок, а при наличии гидравлической связи с поверхностными водами может достигать 400-600 м³/час.

4 тип – месторождения, приуроченные к скальным трещиноватым породам. Водообильность этих месторождений определяется степенью трещиноватости пород, но в целом водопритоки в горных выработках, пройденных на этих месторождениях, обычно не превышают 50-150 м³/час. В эту группу относятся слабо обводненные месторождения цветных и редких металлов, некоторые каменноугольные бассейны (Донбасс), большинство железорудных месторождений, некоторые месторождения строительных материалов.

5 тип – месторождения с любым геологическим разрезом, расположенные в горных районах и междуречьях с высокими абсолютными отметками. Эти месторождения обычно располагаются выше местного базиса эрозии. Приток воды в горные выработки таких месторождений небольшой, и борьба с ним не представляет трудностей.

6 тип – соляные месторождения. Залежи галоидов выделяются в отдельный тип в связи с хорошей растворимостью минеральных солей в воде и их высокой пластичностью, благодаря которой возникающие в соляной толще трещины быстро залечиваются собственным веществом. Залечивание трещин является одной из главных причин отсутствия воды на соляных месторождениях. Кроме того пласты солей часто покрыты мощными глинистыми толщами, не пропускающими воду. Поэтому соляные рудники обычно воды не содержат.

7 тип – месторождения, расположенные в толще многолетней мерзлоты. Большинство из них являются сухими или слабо обводненными.

8 тип – нефтяные и газовые месторождения, имеющие весьма специфические гидрогеологические условия. На этих месторождениях различают краевые воды, распространенные по границам нефтяной залежи, и подошвенные воды, подстилающие залежь. Кроме того, в нефтяные и газовые месторождения проникают воды кровли, а также напорные воды, залегающие ниже подошвенных вод, если их напор достаточно высок.

Из горнотехнических факторов наибольшее влияние на обводненность оказывают следующие: 1)степень осушения месторождения; 2)искусственное обводнение территории; 3)нарушение поверхностного стока при ведении горных работ; 4)отдельные технологические процессы, например, буровзрывные работы; 5)прорывы воды из старых затопленных выработок или скважин.