поверхностных вод и территорий отходами горного производства;
6) оценивать агрессивность и коррозионную активность подземных вод по отношению к бетонным, железобетонным и металлическим конструкциям горных сооружений и технических средств (насосы, фильтры и др.), используемых при выполнении горных работ.
По степени минерализации подземные воды месторождений твердых полезных ископаемых могут быть пресными, солоноватыми или солеными, что определяется физико-географическими условиями их распространения, геологическим строением месторождений, глубиной залегания водоносных горизонтов, зон и комплексов и соответственно режимом подземных вод. Тип химического состава подземных вод и главнейшие свойства определяются соотношением в их составе основных анионов и катионов, т. е. СН, S O ^ , Н С О - , С 0 | - , Na+ Са2+, Mg2+. Пресные воды обычно гидрокарбонатного класса, солоноватые и соленые— сульфатного и хлоридного классов.
На формирование химического состава подземных вод месторождений твердых полезных ископаемых кроме географических, геологических и других факторов, оказывающих влияние повсеместно, существенно влияют минеральный состав горных пород месторождения и те геохимические условия (окислительные, восстановительные), которые сложились в пределах площади его распространения и на различных глубинах. Все эти обстоятельства и определяют в основном особенности химического состава подземных вод месторождений.
Данные многочисленных наблюдений показывают следующую общую закономерность изменения химического состава подземных вод на месторождениях твердых полезных ископае-
мых. На относительно малых глубинах |
обычно формируются |
||
гидрокарбонатные воды |
инфильтрационного |
питания. Такой |
|
тип вод особенно характерен для большинства |
месторождений |
||
строительных материалов. |
На средних |
глубинах подземные |
|
воды обычно имеют повышенную минерализацию, формируются
также главным |
образом |
за счет инфильтрационного питания, |
но существенно |
отражают |
минеральный состав месторождений |
и развитие геохимических процессов. На больших глубинах, превышающих 600—1000 м, обычно встречаются сильно солоноватые и соленые воды, отражающие застойный, замедленный режим водообмена н длительное развитие соответствующих геохимических процессов.
Более полное описание влияния минерального состава месторождений на химический состав подземных вод дано Г. Н. Каменским, П. П. Климентовым и А. М. Овчинниковым [1953, 1966 гг.]. Они выделяют следующие месторождения:
1) не заключающие в себе каких-либо характерных элементов, легко переходящих в раствор; подземные воды имеют
71
обычный состав, соответствующий данной гидрохимической зоне и составу вмещающих пород;
2) заключающие в себе легкорастворимые соли, растворение которых приводит к образованию высокоминерализованных вод определенного солевого состава; к ним относятся воды соляных месторождений;
3) содержащие минералы, которые в зоне выветривания при окислении образуют легкорастворимые соли, придающие водам специфические свойства; это кислые воды зоны окисления многих рудных сульфидных месторождений, угольных месторождений и др., содержащие сульфаты тяжелых металлов;
4) подземные воды которых формируются в восстановительной обстановке глубоких закрытых горизонтов осадочных пород. В такой обстановке подземные воды имеют повышенную или высокую минерализацию, специфический состав в результате процессов метаморфизации в условиях восстановления. Такие воды характерны для глубоких горизонтов многих угольных месторождений и особенно для месторождений нефти и газа.
При характеристике месторождений следует уделять внимание особенностям химического состава подземных вод, его специфичности. Так, на рудных месторождениях нередко широко распространены различные сульфиды (пирит, халькопирит, сфалерит и др.), которые в зоне выветривания под влиянием кислорода воздуха и кислородсодержащих инфильтрацпонных вод окисляются и обусловливают формирование кислых (низкие значения рН) вод с высоким содержанием свободной серной кислоты и сульфатов тяжелых металлов. Такие воды обладают большой коррозионной активностью по отношению к металлическим конструкциям, а также фильтрам, насосам и другим техническим средствам, изготовленным из железа, которые под их влиянием быстро разрушаются и выходят из строя. Эти воды разрушающе действуют также на бетонные и железобетонные крепи подземных выработок и другие конструкции.
На угольных месторождениях в верхних горизонтах угленосных отложений в результате процессов окисления сульфидов и других минералов образуется окислительная зона, в которой формируются также кислые воды. Наряду с гидрокарбонатно-
кальциевыми |
слабоминерализованными водами (до |
глубины |
50 м) здесь |
образуются зоны и горизонты гидрокарбонатно- |
|
кальциевых и сульфатно-натриевых вод более высокой |
минера- |
|
лизации. Это |
обычно кислые агрессивные воды. С |
глубиной |
в угленосных толщах окислительная обстановка сменяется восстановительной и намечаются горизонты и зоны метановых вод гидрокарбонатно-натриевых и гидрокарбонатно-хлоридно-нат- риевых повышенной минерализации.
Таковы некоторые особенности химического состава подземных вод месторождений твердых полезных ископаемых. К этому следует добавить, что месторождения и прилегающие к ним
п
территории обычно являются областями интенсивного развития жизни и производственной деятельности человека. Поэтому на фоне естественных процессов, формирующих здесь химический состав подземных и поверхностных вод, со временем по мере развития горных работ начинает проявляться действие на них искусственных факторов, нередко в форме механического, химического, радиоактивного и биологического загрязнения. Источники загрязнения возникают на месте в результате сброса шахтных, рудничных и производственных вод горно-обогати- тельных комбинатов и других производств, а также разнообразных хозяйственных вод. Площади распространения загряз-
нений подземных вод |
могут достигать значительных размеров, |
а воды — предельных |
содержаний загрязняющих веществ. По- |
этому контроль за чистотой подземных и поверхностных вод на месторождениях я разработка мер их защиты от загрязнения — важнейшие задачи комплексного изучения месторождений.
II1-6. Защита месторождений полезных ископаемых, шахтных и карьерных полей от обводнения
На основании изучения обводненности месторождений полезных ископаемых должны быть даны: 1) оценка и прогноз степени ее угрозы производству горных работ, устойчивости горных выработок и влияния на снижение качества полезного ископаемого и 2) обоснование рекомендуемых мер защиты от ее вредного влияния.
Как показывает многолетняя практика, эффективно решать эти задачи можно только на основе надежных и достоверных данных о стратификации водоносных горизонтов, зон и комплексов в геологическом разрезе месторождения; об их распространении, условиях залегания, взаимосвязи, условиях питания
и |
разгрузки, о режиме, |
водообильности и водопроницаемости; |
о |
величине действующих |
напоров; о химическом составе воды |
и других параметрах. Кроме того, необходимы полные сведения
орежиме рек и других водоемов, расположенных в пределах месторождения, и данные о климатических условиях района.
При определении эффективных мер защиты необходимо иметь обоснованные данные, определяющие роль каждого водо-
носного горизонта, |
зоны |
или комплекса в обводнении место- |
||
рождения |
в целом |
и отдельных его горизонтов |
по глубине, |
|
в развитии |
геологических |
процессов и влиянии на |
устойчивость |
|
горных выработок, так же как и данные о роли гидрологических и климатических факторов во всех этих явлениях.
Так как инженерные мероприятия по защите |
месторождения |
от обводнения обычно являются составной |
частью проекта |
строительства горнодобывающего предприятия, они должны быть полно увязаны со всеми видами и сроками работ по подготовке месторождения к освоению, его вскрытию и разработке, образованию отвалов и гидроотвалов. Из этого положения сле-
73
дует, что если проект строительства предприятия основывается на данных инженерно-геологических изысканий, то выводы и заключение по ним необходимо составлять с учетом проектируемой технологии горных работ. Только при полной увязке проектируемых сооружений с геологической средой можно обеспечить выбор эффективных и экономически наиболее выгодных решений.
Из описания гидрогеологических условий месторождений твердых полезных ископаемых видно, что в их обводнении участвуют воды подземные, поверхностные рек, речек и других водоемов и атмосферные дождевые и талые. Поэтому на место-
рождениях, шахтных и карьерных полях в каждом |
конкретном |
случае следует применять комплекс целесообразных |
мероприя- |
тий по их заш,ите от подземных, поверхностных и |
атмосфер- |
ных вод. |
|
Для защиты месторождений от подземных вод обычно при- |
|
меняют: 1) полное или частичное его осушение; 2) |
ограждение |
завесами (барражами) от подтока подземных вод |
и 3) непо- |
средственную откачку воды из шахт и карьеров или отвод самотечно стекающей воды, т. е. организуют водоотлив.
Защиту от поверхностных вод осуществляют путем: 1) отвода рек, речек и других водоемов с площади месторождения отводными каналами и другими водоотводящими сооружениями; 2) устройства лотков, трубоотводов, водонепроницаемых каналов и других сооружений на площади месторождения для пропуска транзитом по ним рек и речек и отвода воды, откачиваемой из шахт и карьеров; 3) устройства дамб, обваловывания территорий месторождений для защиты их от затопления в периоды паводков и половодий на реках.
Защиту территорий месторождений от атмосферных вод обычно осуществляют регуляцией поверхностного стока как непосредственно на площади месторождения, так и на прилегающей к нему площади водосборного бассейна путем: 1) устройства нагорных и водоотводных канав; 2) планировки поверхности рельефа и 3) выполнения лесомелиоративных мероприятий.
В комплексе перечисленных мероприятий по защите месторождений от обводнения некоторые являются традиционными (осушение, водопоннжение, водоотлив, отвод рек и речек и др.), другие, хотя и являются известными и проверенными, используются не в полной мере, как этого заслуживают (например, регуляция поверхностного стока), третьи в известной мере являются новыми (устройство завес, горизонтальные и наклонные скважины, многозабойные скважины и др.).
Для защиты месторождений от обводнения подземными водами в первую очередь, как правило, повсеместно производят их осушение (дренаж), т. е. проводят комплекс мероприятий по понижению уровня и напоров (водопонижение и частичное осушение), по захвату и отводу подземных вод (собственно осу-
74
шение). Осушение месторождений обычно выполняют с помощью разнообразных осушительных устройств — дренажных сооружений, располагаемых по площади и на глубину определенным образом в зависимости от геологического строения месторождения, условий залегания, водопроницаемости и водообильности водоносных горизонтов, зон и комплексов, — и соответствующей организации горных работ. Поэтому способ осушения, т. е. применяемый тип, вид осушительных (дренажных) устройств и схема осушения, сочетание способов осушения во времени и пространственное расположение этих устройств на поверхности земли {подземное или комбинированное) определяются на основании сравнения вариантов. Выбор варианта обосновывается предполагаемой эффективностью работы осушительных устройств и стоимостью их строительства, т. е. экономическими показателями. Целесообразно предусматривать уточнение схемы осушения в процессе выполнения строительных и эксплуатационных работ на основании гидрогеологических наблюдений за результатами осушения на отдельных участках, за изменением на них режима подземных вод и эффективности работы отдельных дренажных устройств.
Перечень осушительных устройств, применяемых на месторождениях твердых полезных ископаемых, приведен в ряде специальных работ. Каждое из них имеет свои пределы применимости. В зависимости от того, каким способом проектируется разработка месторождения (открытым или подземным), осушению подлежат горные породы вскрыши и вмещающие полезное ископаемое. Очень большое значение имеет сложность гидрогеологического разреза, в котором осушению могут подлежать отдельные водоносные горизонты и зоны или водоносные многослойные комплексы, для чего необходимо знать их водообильность, водопроницаемость и водоотдачу. Наконец, решающее значение имеют также возможность своевременного введения в
действие дренажных устройств и их стоимость. Несвоевременное введение в действие дренажных устройств (например, дренажных штреков) может задержать и затруднить развитие горных работ, а высокая их стоимость повлияет на стоимость строительства горных предприятий и себестоимость полезного ископаемого. Следовательно, полнота осушения и экономические показатели — критерии для обоснования системы и способа защиты месторождений от воздействия подземных <вод.
Детальный анализ всех этих |
вопросов, выполненный |
В. А. Мироненко, Ю. А. Норватовым |
и их коллегами [5] и дру- |
гими специалистами [1, 8], показывает, что для решения многих из них требуется выполнение специальных исследований. Мнотие способы осушения уже достаточно апробированы на практике и заслуживают более широкого использования. Так, например, этот анализ показал, что пока в ряде случаев мы не располагаем количественными показателями для определения предела осушения месторождения в целом или отдельных его
75
Рис. III-6. пример расположения осушительных (дренажных) устройств на
Лебединском |
месторождении КМ А (по |
Л . И. Маргулису). |
На paspeie; / — п е с к и ; |
2 — г л и н ы ; 3 — мел, мергели; |
4 — глинистая рудная брекчия; |
5 — руда; б — кварциты; 7 — статический уровень нядъюрского в рудно-крнстэллнче- ского горизонта; 8 ~ пониженный уровень мадъюрского горизонта; S — иглофильтры^
J& — прибортовой дренаж; |
СФ — сквозной |
фидьтр. |
сквозные |
фильтры; |
На плане: П — водопонижаюшие скважины, |
переоборудованные в |
|||
/2 —сквозные фильтры; W — иглофнльтровые |
установки; |
— приборговые |
дренажн: |
|
/5 — д р е н а ж н а я горная выработка; Jft 1, Л? 2 — стволы |
шахт. |
|
||
горизонтов, неоправданно ограничивается применение дренажных устройств при осушении карьерных полей. При осушении месторождений целесообразно шире использовать водопоиижение с помощью скважин большого диаметра (до 900—1200 мм), которые хорошо работают, если их бурить с обратной всасывающей промывкой. Практика показывает, что в сложных инже- нерно-геологических условиях должный эффект достигается путем применения подземных и комбинированных осушительных устройств, если их строительство опережает развитие гор* ных работ.
Значительное и длительное осушение месторождений истощает ресурсы подземных вод и влияет на условия водоснабже-
76
I t s
V7
ния населенных пунктов и производственных объектов в районах горных предприятий. Поэтому при выборе средств защиты месторождений от обводнения нельзя не учитывать и эти вопросы. В ряде случаев целесообразно применять ограждение месторождений завесами от притока к ним подземных вод и соответственно ограничивать осушение прилегающих к ним территорий.
В связи с разнообразием условий залегания подземных вод на месторождениях для осушения обводненных горных пород вскрыши и вмещающих полезное ископаемое применяют различные схемы осушения. По расположению в плане осушительные устройства (дренажные сооружения) подразделяют на головные, ограждающие участки от подтока подземных вод с определенной стороны; кольцевые, ограждающие от подтока подземных вод со всех сторон; контрфорсные или откосные, располагающиеся вдоль основания откосов карьеров или на бермах, и систематические, равномерно распределяющиеся по участку (рис. ИЬб и Н1-7). Перечисленные типы осушительных устройств в разрезе могут быть вертикальными, горизонтальными и комбинированными (горизонтальными и вертикальными).
Все осушительные устройства могут быть совершенными, т. е. полностью прорезающими водоносный горизонт или зону, или несовершенными, т. е. частично врезающимися в водоносный горизонт или зону. Вода из них может откачиваться,
самоизливаться (при |
вскрытии напорных вод), стекать самоте- |
|||||
ком или принудительно откачиваться |
насосами; |
применяются |
||||
также |
электроосмос, |
вакуумирование. |
Описание |
конструкций |
||
и методов |
расчета разнообразных |
осушительных |
устройств и |
|||
условий |
их |
применения приведены |
в |
специальной |
литературе |
|
и частично в курсе «Инженерная геодинамика» (21]. Перечень других способов, технических средств защиты месторождений от обводнения приведен в многочисленных работах[1, 5,8 и др.].
Глава IV
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ
ИСКОПАЕМЫХ
IV'l. Понятия о фнзико-механических свойствах горных пород
Горные породы разного возраста, происхождения и петрографического состава, участвующие в геологическом строении месторождений полезных ископаемых, шахтных и карьерных полей, одновременно являются геологической средой для горных выработок и материалом, из которого образуются отвалы. От физико-механических свойств горных пород существенно зависят конструкции горных выработок (уступов и откосов бортов карьеров, подземных выработок и др.), их устойчивость, развитие разнообразных неблагоприятных геологических явлений, обводненность горных выработок, а также выбор способа вскрытия к системы разработки месторождений и в целом условия производства строительных и горных работ. Поэтому при инженерно-геологическом изучении месторождений полезных ископаемых физико-механическим свойствам горных пород должно уделяться особенно большое внимание. Показатели этих свойств позволяют количественно оценивать горные породы и развитие неблагоприятных геологических явлений.
Физико-механическими свойствами горных пород следует называть такие, которые определяют их физическое состояние, отношение к воде и закономерности изменчивости прочности и деформаций. Соответственно необходимо различать свойства физические, водные и механические. Их выражакуг и оценивают с помощью определенных показателей — характеристик. При решении многих задач, связанных с проектированием, строительством горных сооружении и выполнением горных ра-
бот, важное значение имеют также тепловые |
свойства пород |
||
(теплопроводность, |
температуропроводность |
и |
теплоемкость) |
и дополнительные |
показатели их фнзико-механических свойств |
||
(крепость, твердость, истираемость, износ и |
абразивность, раз- |
||
рабатываемость, буркмость, морозоустойчивость и др.). Подробное описание физико-механических свойств различных групп горных пород приведено в работе [19], а методы их лабораторного и полевого изучения — в руководстве [Методы лабораторных исследований..., 1972 г.] и в [22].
Инженерно-геологическая классификация горных пород, основанная на полном учете их генетических и петрографических особенностей и физико-механических свойств, приведена
7 9
в работе [19]. Для пород относительно твердых (полускальных), а также глинистых и частично рыхлых несвязных характерна зависимость их механических свойств от напряжен- но-деформируемого состояния во времени. Эта зависимость проявляется в виде; а) ползучести (крипа), т. е. медленного нарастания во времени пластических деформаций при неизменном напряжении, часто меньшем, чем разрушающее; б) релаксации, т. е, убывания (расслабления) напряжения, необходимого для поддержания постоянной деформации породы; в) снижения прочности, т. е. уменьшения напряжения, вызывающего разрушение породы при увеличении времени воздействия нагрузки (длительная прочность). Эти реологические свойства перечисленных групп горных пород, в отличие от твердых (скальных), проявляются в обычных условиях во времени, соизмеримом со сроками испытаний пород, службы сооружений и т. д. Поэтому при изучении и оценке свойств таких пород их необходимо учитывать.
IV-2. Физико-механическне свойства горных пород Криворожского железорудного бассейна
Криворожский железорудный бассейн расположен в южной части Криворожско-Кременчугской зоны, начинается от долины р. Ингулец и тянется вдоль долины р. Саксагань. Здесь кристаллические сланцы и железистые кварциты протерозойского возраста образуют сложную складчатую структуру (Ин- гулецко-Саксаганский или Криворожский синклинорий) с опрокинутыми на восток крыльями антиклинальных и синклинальных складок, осложненных многочисленнымиразрывами (рис. IV-1). Эта сложная структура зажата среди архейских гранитов и гнейсов. На всей площади Криворожского бассейна архейские и протерозойские комплексы пород перекрыты палеогеновыми, неогеновыми и четвертичными отложениями мощностью до 60—80 м.
Комплекс протерозойских пород состоит в основном из двух
серий: |
метабазитовой |
и |
криворожской. Метабазитовая |
серия |
|||||||
представлена |
измененными |
метаморфизованными основными |
|||||||||
гнпабиссальными |
и эффузивными |
породами |
(зеленокаменные |
||||||||
породы), |
залегающими |
на |
архейских. |
Криворожская |
серия |
||||||
делится |
на три свиты; нижнюю ki — филлито-аркозовую; |
сред- |
|||||||||
нюю |
К2 — железорудную |
(железистые |
роговики — семь |
гори- |
|||||||
зонтов и кварциты — джеспилиты — семь горизонтов) и |
верх- |
||||||||||
нюю |
«3 — сланцево-карбонатную. |
Капитальные выработки — |
|||||||||
стволы |
шахт, |
квершлаги, полевые |
штреки |
и другие — прохо- |
|||||||
дятся |
в |
основном |
в |
породах |
нижней свиты, |
подготовительные |
|||||
и очистные выработки располагаются главным образом в пре-
делах |
средней |
свиты. |
Исследованию |
физико-механических |
|
свойств |
горных |
пород |
Криворожского |
бассейна |
посвящено |
много |
работ. Сводной |
является новая |
работа В. |
Т, Глушко |
|
и В. Г. Борисенко [7].
8 0