Рис. 1И-1. Геологический разрез одного из рудных (колчеданно-полиметал- ляческих) месторождений Лениногорского рудного поля на Рудном Алтае (по А. П. Кузнецову).
/ — почвенный |
слой; г —гвлечники; 3 — глияы; |
4 — туфы: 5 — глинистые |
сланцы; 6 — |
||
серицнтовые сланцы; 7 — микрокварциты; |
в — агломератовые |
руды; S — отравотанные |
|||
рудные зал«жи; |
/О —уровень грунтовых вод; |
— лодземные |
выработки; |
/ г —водонос- |
|
ные трещины; тонкая штриховая |
линия — естественная поверхность. |
||||
На условия накопления подземных вод на месторождениях полезных ископаемых, их распространение, условия залегания, производительность, химизм и т. д. особенно большое влияние оказывают петрографический состав, строение и состояние горных пород, с которыми они связаны. Среди четвертичных отложений на разных месторождениях довольно часто встречаются грунтовые воды, приуроченные к песчаным, песчано-галечным и галечным аллювиальным, флювиогляциальным и пролювиальным отложениям. Они существенно затрудняют вскрытие месторождений и особенно влияют на обводненность коренных пород, с которыми связаны многочисленные и разнообразные угольные и рудные месторождения.
Характерным примером среди угольных месторождений, высокая обводненность которых связана с аллювиальными грунтовыми водами, является Ангренское, расположенное в долине р. Ахангаран (УзССР, правый приток р. Сырдарья). Здесь юрские угленосные отложения на отдельных участках перекрыты аллювиальными водоносными галечниками. Большое влияние на обводненность угольных месторождений оказывают грунтовые воды аллювиальных отложений и в других бассейнах, например в Кузбассе, где в результате этого значительные запасы угля законсервированы в целиках под долинами рек.
На |
рис. И М показан геологический |
разрез |
по одному из |
рудных |
месторождений Лениногорского |
рудного |
поля на Руд- |
5 0
ном Алтае, приуроченному к девонским вулканогенно-осадоч- ным толщам, где имеется явная связь грунтовых вод аллювиальных песков и галечников с трещинными водами коренных пород. Здесь при отработке верхних горизонтов притоки воды в горные выработки исчислялись несколькими кубическими метрами в час. При разработке нижних горизонтов, когда трещиноватость туфогенных пород вследствие их обрушений увеличилась, притоки воды стали возрастать и достигли сотен кубиче-
ских метров в час. Увеличение |
притоков |
воды в |
известной |
степени связано с увеличением |
объема горных выработок (об- |
||
наженной поверхности горных |
пород), но главным |
образом — |
|
с усилением дренирования аллювиального |
водоносного гори- |
||
зонта. |
|
|
|
На рис. III-2 показан схематический геологический разрез угольного месторождения по западному крылу Подмосковного бассейна, из которого видно, как грунтовые воды, приуроченные к флювиогляциальным межморенным и подморенным отложениям, существенно обводняют угленосные отложения нижнего карбона.
Главное влияние на обводненность разнообразных месторождений — угольных, рудных, горнохимического сырья —ока- зывают подземные воды в коренных породах. Большое значение при этом имеют пластовые, поровые, трещинно-поровые. трещинные и карстовые безнапорные, но главным образом напорные воды. Они обычно связаны с различными типами песчаников, алевролитов, известняков и доломитов, реже —с трещиноватыми аргиллитами, мергелями, кремнистыми и туфогенными породами. В большинстве случаев это относительно твердые породы средней или умеренной степени литификации.
Нередко это |
также твердые породы, но имеющие повышенную |
||||||
трещиноватость, выветрелость |
или |
закарстованность. В общем |
|||||
это главным |
образом |
породы |
полускального типа. Среди |
них |
|||
встречаются |
несцементированные |
пески, |
мягкие пластичные |
||||
глины, сильно |
трещиноватые |
песчаники, алевролиты, аргиллиты |
|||||
и другие породы, а |
также |
кавернозные, |
закарстованные |
или |
|||
слабосцементнрованные органогенные известняки, горелые по-
роды и др. На обводненных |
угольных |
месторождениях |
очень |
часто водоносными являются |
слои и |
пачки углей, а на |
руд- |
ных — рудные залежи, горизонты, слои, зоны и т. д. |
|
||
Пластовые воды встречаются на месторождениях, имеющих различную геологическую структуру: горизонтально или почти горизонтально залегающие толщи (Иркутский, Канско-Ачин- ский, Днепровский угольные бассейны), моноклинально залегающие толщи (Подмосковный бассейн и др.) и сложнодислоцированные толщи со сложными синклинальными и антиклинальными складками и тектоническими разрывами (Кузнецкий бассейн и др.). Пластовые воды являются основным типом артезианских бассейнов как малых, так и больших, региональных. Они образуют один, два, а иногда и несколько изолированных
51
5 2
водоносных горизонтов или гидравлически связанные между собой водоносные комплексы.
На рис. 1И-3 приведен геологический разрез по Ломинцевскому месторождению угля (южное крыло Подмосковного бассейна). Здесь нижнекарбоновые песчано-глинистые угленосные отложения лежат на неровной поверхности нижкекарбоновых упинских и малевско-мураевнинских и верхнедевонских известняков. Угленосная толща имеет три или четыре надугольных и подугольных водоносных горизонта песков, разделенных слоями и линзами глин, образующих локальные или прерывистые водоупоры. Обводнены и слои углей. На рис. 1П-3 видно, что в связи с выклиниванием подугольных глин и их прерывистым распространением слои песков и углей непосредственно соприкасаются с подстилающими их известняками, которые трещиноваты и содержат напорные воды.
Таким образом возникает гидравлическая связь между водоносными горизонтами угленосных отложений и известнякового фундамента. Больще того, в этом водоносном комплексе отложений обводненность верхних горизонтов, т. е. угленосных
отложений, |
определяется |
подтоком, подпитыванием их |
водами |
из нижних |
горизонтов, т. |
е. из известняков. Поэтому |
борьба |
с подземными водами на шахтах рассматриваемого месторождения, как и на других месторождениях Подмосковного бассейна, сводится к понижению пьезометрических уровней и осу-
шению горизонтов упинских |
и |
малевско-мураевнинских извест- |
||
няков. |
|
|
|
|
В Подмосковном бассейне, |
как и |
в |
некоторых других, где |
|
пластовые воды приурочены |
|
к горизонтам песков, эти пески |
||
при вскрытии выработками |
приходят |
в |
плывунное состояние, |
|
что обычно создает трудности для разработки полезного ископаемого, иногда весьма значительные. Примерами распространения пластовых вод на месторождениях полезных ископаемых могут служить многочисленные районы Донецкого бассейна, где по структурно-тектоническим условиям выделяются участки (шахтные поля): с пологим залеганием пород, с крутым залеганием пород, с распространением синклинальных и антиклинальных складок, осложненных тектоническими разрывами. Водоносными здесь являются трещиноватые известняки (на отдельных участках закарстованные), песчаники и песчаные сланцы, часто гидравлически связанные между собой тектоническими нарушениями. Водоупорами служат аргиллиты, глинистые и песчано-глинистые сланцы.
В западной и северной окраинах бассейна, где процессы литификации и метаморфизма проявились в ослабленной степени, подземные воды образуют как пластовые, трещинные и тре- щинно-карстовые горизонты, так и трещинно-поровые. На рис. П1-4 приведен пример условий залегания пластовых водоносных горизонтов на одном из участков северной окраины Донецкого бассейна. Здесь водоносными являются главным обра-
53
2 |
7 * |
* |
Jt |
л |
•••' |
1 ' |
<? — — |
u |
% |
ч |
|||||
|
|
|
|
|
-1 |
L |
|
Рис. |
|
|
|
|
|
„ |
Под-ос- |
i j |
L2 |
Рис. 1П-4. Геологический разрез |
по одному иэ участков северной окраины Донецкого угольного бас- |
|
сейна, |
/ — песчаники; 2 — известняки; |
3 — пласты угля; 4 — аргиллиты и сланцы; 5 — нарушения типа надвнгов. |
сл
«п
56 |
и песчаники каменской (Сг^ — К ) и алмазной |
зом известняки |
|
(Сг®—L) свит |
среднего карбона, разделенные мощными тол- |
щами аргиллитов и сланцев. Воды известняков даже при небольшой их мощности (1—3 м) дают сравнительно значительные, но кратковременные притоки. Мелкотрещиноватые песчаники, мощность которых в отдельных случаях достигает нескольких десятков метров, являются более выдержанными водоносными горизонтами с постоянной производительностью и служат главными коллекторами подземных вод. Подземные воды известняков и песчаников обычно не создают сколько-ни- будь значительных притоков в горные выработки. Исключение составляют кратковременные притоки при вскрытии закарстованных участков известняков или тектонических нарушений.
Горизонты пластовых вод на месторождениях полезных ископаемых нередко имеют значительную производительность, а напоры воды могут достигать нескольких десятков (например,
80 м в Днепровском буроугольном бассейне) и даже |
сотен |
мет- |
|
ров |
(100—150 м — западное крыло Подмосковного |
бассейна, |
|
200 |
м — Назаровское месторождение Канско-Ачинского |
бас- |
|
сейна, 350 м —Ленгерское месторождение бурых углей в |
Юж- |
||
ном Казахстане). На таких месторождениях могут происходить прорывы воды и плывунов в горные выработки. Причина этих
явлений обычно состоит в малой мощности и низкой |
прочности |
||
глинистых |
водоупоров, |
отделяющих продуктивные |
толщи, |
а также |
в склонности их |
к поддуванию, т. е, выдавливанию |
|
в горные выработки под действием горного и гидростатического давления. Прорывы воды и плывунов в горные выработки могут происходить также при разработке полезного ископаемого с обрушением пород кровли выработок, в результате выполнения взрывных работ и др., о чем подробнее сказано ниже, при описании геологических процессов и явлений (гл. VI).
Обводнение разнообразных эндогенных и метаморфогенных месторождений полезных ископаемых, особенно рудных и многих нерудных, а также связанных с осадочными прочносцементированными горными породами, обусловлено распространением трещинных грунтовых и трещинных напорных вод. Формирование этих вод в магматических, метаморфических и осадочных прочносцементированных породах происходит благодаря их трещиноватости тектонического и нетектонического происхождения.
Среди нетектонических трещин главное значение имеют трещины выветривания, разгрузки (упругого отпора) и искусст-. венные, возникающие при разработке полезного ископаемого с обрушением кровли, а также в результате выполнения взрывных работ и под воздействием горного давления.
Степень обводненности перечисленных типов месторождений, при прочих равных климатических, гидрографических и других условиях, обычно зависит от их геоморфологического
положения, геологического строения и степени трещиноватости пород. Месторождения, расположенные в горных районах или на отметках выше местного базиса эрозии, обычно всегда хорошо дренированы существующей гидрографической сетью и поэтому имеют малые статические и динамические запасы подземных вод, слабо обводнены. Месторождения, расположенные на отметках ниже местного базиса эрозии, и особенно находящиеся в зоне влияния водных объектов (рек, ручьев, озер, водохранилищ, заброшенных затопленных шахт и др.), всегда обводнены значительно больше, чем первые, или даже очень сильно.
На обводненность месторождений рассматриваемого типа и, следовательно, на их инженерно-геологические условия большое влияние оказывает геологическое строение, особенно когда толщи, зоны, комплексы горных пород, вмещающие полезное ископаемое, перекрыты более молодыми водоносными и водообильными породами, образующими на месторождении мощную вскрышу. Примеров подобных условий достаточно много.
Характерными в этом отношении являются месторождения железных руд Курской магнитной аномалии (КМА), приуроченные к выступу кристаллических пород докембрийского возраста, перекрытые осадочными породами палеозоя, мезозоя и кайнозоя. На этих месторождениях в надрудной зоне выделяется до семи водоносных горизонтов, гидравлически связанных между собой, а также с трещинными и трещинно-жильными водами железистых кварцитов. Пьезометрический уровень воды в них достигает 400—450 м. В зависимости от глубины залегания рудовмещающих пород разработку месторождений ведут либо открытым способом, где мощность покровных отложений не более примерно 100 м, либо подземным.
Инженерно-геологические условия месторождений КМА достаточно сложные. Мощные толщи покровных водоносных отложений и очень часто значительная их неустойчивость определяют трудности производства горных работ и необходимость осуществления различных инженерных мероприятий. Здесь известны случаи прорыва плывунов и воды в горные выработки. Причины этих явлений разные: опускание кровли, взрывные работы, тектонические нарушения и др.
Обводненность месторождений трещинными водами существенно зависит от степени трещиноватости горных пород и ее распределения по площади и на глубину. Многолетние наблюдения на самых различных участках и месторождениях показывают, что с глубиной площади распространения трещинных вод сокращаются. В верхних горизонтах, до глубины, измеряемой первыми десятками метров, или в зоне влияния местных базисов эрозии, где тектоническая трещииоватость горных пород усиливается процессами выветривания, формируются преимущественно трещинные грунтовые воды. Глубина их залега-
5 7
ния от поверхности земли в течение года непостоянна, как и их запасы на различных участках. В целом же они достаточно ограниченны.
С глубиной трещинно-грунтовые воды постепенно сменяются трещинными напорными. Глубина, на которую прослежена обводненность пород по трещинам, достигает, как правило, 300— 400 м, но не превышает 500—600 м. На этих глубинах как статические, так и динамические запасы трещинных вод обычно невелики. Средняя региональная (фоновая) трещиноватость горных пород здесь на отдельных участках, приуроченных к тектоническим разрывам, зонам нарушений и дробления усиливается, возникает пространственная неоднородность рас пределения трещиноватости пород и их обводненности. Соот ветственно и притоки воды в горные выработки на этих участ ках резко возрастают, достигая сотен и тысяч кубических мет
ров в час, пока происходит сработка |
их статических |
запасов |
На больших глубинах эффективная |
трещиноватость |
заметно |
уменьшается и с глубины 700—800 м горные породы нередко лрактически безводны.
Самая большая обводненность месторождений полезных ископаемых обычно связана с распространением карстовых грунтовых и напорных вод. Примеров подобных месторождений достаточно много. Из наиболее характерных в первую очередь следует назвать: Эстонское и Ленинградское горючих сланцев (Прибалтийский бассейн), Кизеловское каменного угля (западный склон Северного Урала), Северо-Онежское, Северо-Ураль- ское и Южно-Уральское бокситов, Миргалимсайское свинца и цинка (Южный Казахстан, хр. Каратау) и др. На месторождениях, в геологическом строении которых принимают участие разнообразные закарстованные известняки, доломиты, мергели, меловые и соляные породы, карстовые воды создают большие сложности при их разработке. Они обусловливают большие и очень большие притоки воды, нередко сопровождающиеся ее прорывами в горные выработки и их затоплением. На этих месторождениях часто наблюдаются и другие явления, такие как интенсивное поглощение дождевых и талых вод, вод рек, ручьев и других водоемов, провалы горных пород в почве горных выработок и на поверхности земли, обрушение горных пород из кровли выработок и др.
Движение карстовых вод происходит по трещинам и систе мам трещин, разработанным процессами растворения и выще лачивання пород, по отдельным каналам, ходам и другим раз нообразным подземным пустотам и полостям. В тех случаях когда карстовые каналы и пустоты заполнены мелкообломоч ными продуктами разрушения и выветривания горных пород движение подземных вод имеет как бы двойной характер: по трещинам, каналам и пустотам, не имеющим заполнителя, и путем фильтрации через заполнитель пустот, т. е. типичный для пористых сред,
58
в заключение краткой характеристики распространения различных типов подземных вод на месторождениях твердых полезных ископаемых отметим, что в настоящее время лредложек ряд гидрогеологических классификаций таких месторождений, одна из которых приведена в работе ;[8}, Эта классификация замечательна тем, что в ней обобщены материалы по многочисленным месторождениям с целью обоснованного подхода к выбору методов расчета водопритоков к горным выработкам. Она, как подчеркивают ее авторы, может оказать помощь при определении плана рационального расположения разведочных выработок на разных стадиях разведки месторождений.
В этой классификации месторождения в зависимости от их
структурно-тектонических |
условий |
делятся |
на три |
класса. |
|
К первому относятся месторождения |
с горизонтальным залега- |
||||
нием пород, |
ко второму — с наклонным, в основном |
монокли- |
|||
нальным, к |
третьему — с |
синклинальным |
(мульдообразным). |
||
Классы месторождений делятся на типы по условиям их обводнения: одним водоносным горизонтом или одной водоносной
зоной; системой изолированных |
водоносных |
горизонтов или зон; |
||||
комплексом |
водоносных горизонтов |
или зон, |
гидравлически |
|||
связанных между собой. Подтипы месторождений |
выделяются |
|||||
по характеру |
распространения |
{граничных |
условий) водонос- |
|||
ных горизонтов, зон и комплексов в |
плане |
и |
в |
разрезе. Для |
||
каждого подтипа в классификации приведены примеры характерных месторождений и рекомендации относительно исполь-
зования тех или иных методов прогноза водопритоков |
в |
гор- |
||||
ные выработки. |
|
|
|
|
|
|
II1-3. Степень обводненности месторождений |
|
|
||||
твердых полезных |
ископаемых |
|
|
|
||
Выше уже было отмечено, что |
на |
степень |
обводненности |
|||
(водообильности) |
месторождений |
влияк>т как |
природные, |
так |
||
и искусственные |
факторы. Для оценки |
обводненности |
и |
про- |
||
гноза притоков воды в горные выработки необходимо учитывать и оценивать значение каждого фактора и совместное их действие.
Обводненность каждого участка геологической среды, и в том числе любого месторождения полезных ископаемых, шахтного и карьерного поля, количественно определяется статическими запасами подземных вод в водоносных горизонтах, зонах и комплексах, а также их динамическими запасами (ресурсами). В отдельных, довольно редких случаях запасы подземных вод определяются не только их запасами в водоносных горизонтах, зонах и комплексах, но и запасами воды, иммобилизованной водоупорными глинистыми породами, а также накопившейся в старых горных выработках и других объектах. При гидростатическом обжатии толщ глинистых пород, при вскрытии затопленных выработок эти запасы воды могут су-
59
щественно влиять на показатели обводненности месторождений.
Статические запасы характеризуются объемами воды, заключенной в горных породах зоны влияния горных выработок, или, точнее, объемами воды, заключенной в водоносных
горизонтах, |
зонах и комплексах, а также |
в отдельных случаях |
и в старых |
заброшенных и затопленных |
горных выработках. |
Эти запасы при вскрытии месторождений и на первых этапах развития горных работ могут обусловить значительные притоки воды в горные выработки и даже неожиданные ее прорывы в них и затопление. Однако по мере сработки статических запасов обычно наблюдаются значительные снижения притоков воды.
Статические запасы подземных вод на месторождениях определяются суммарной мощностью водоносных горизонтов, зон и комплексов, площадью их распространения в пределах зоны влияния горных выработок и коэффициентом водоотдачи водоносных горных пород. Закарстованные горные породы, особенно в сильной степени, при прочих равных условиях обычно имеют наибольшие статические запасы. На втором место стоят горизонты и комплексы горизонтов, сложенные рыхлыми несвязными породами — песками, песчано-гравелистыми породами и галечниками. Наименьшие статические запасы подземных вод обычно имеют трещиноватые магматические, метаморфические и прочносцементированные осадочные породы, т. е. составляющ.ие группу скальных.
Динамические запасы (ресурсы) подземных вод на том или ином участке геологической среды равны расходу воды в единицу времени, протекающей через поперечное сечение водоносного горизонта, зоны или комплекса, т. е. их производительности. Они находятся в полной зависимости от водопроницаемости горных пород водоносных горизонтов, зон н комплексов Й условий их питания, т. е. обеспеченности их водами атмосферными, а также подпитывающими и перетекающими из других водоносных горизонтов, зон и комплексов и поверхностных водоемов. Большое значение при этом имеют интенсивность и продолжительность дренирования водоносных горизонтов, зон и комплексов, а также площади их обнажения в горных выработках.
Для оценки динамических запасов подземных вод необхо-
димо определять мощность |
водоносных горизонтов |
(А, |
м), их |
поперечное сечение {F, м^), |
действующие градиенты (/), пока- |
||
затели, характеризующие |
водопроницаемость горных |
пород |
|
(Кф, м/сут; Т, м^/сут), и радиусы влияния горных |
выработок |
||
(/?, м). Кроме того, используют также такие показатели свойств горных пород, как коэффициент водоотдачи ()Лв), коэффициент уровнепроводности (Су, м^сут) и коэффициент пьезопроводности (Яп, м^/сут).
Общая обводненность месторождений полезных ископаемых, шахтных и карьерных полей обычно определяется и оценива-
60