u_lectures

к = , ,

где r – расстояние до самой удаленной наблюдательной скважины; ϰ – коэффициент уровнеили пьезопроводности, м2/сут.

Общая продолжительность откачки t определяется по формуле

= к + п,

где tп – представительное время, равное 5tк.

При проведении опытных работ ведут журнал, в котором отмечают время замеров дебита и уровня воды в опытной и наблюдательных скважинах. Параллельно с журналом строят график зависимости дебита и уровня от времени, график зависимости дебита от понижения.

Для проведения откачек используют водоподъемники различных видов и конструкций. Для замера уровня воды в скважинах применяют уровнемеры.

Следует отметить, что гидрогеологические исследования на площади месторождений проводятся и в период их эксплуатации. В этот период ведется гидрогеологическая и инженерно-геологическая документация горнопроходческих работ, осуществляется надзор за всеми мероприятиями по осушению, стационарные наблюдения за режимом подземных вод, проводятся лабораторные исследования бактериального и химического состава, контролируется состояние окружающей среды.

3.1.2. Методы определения притоков воды в горные выработки

Общее количество воды, которое будет поступать в горные выработки, определяется в процессе разведки месторождения. Эксплуатация сильно обводненных месторождений полезных ископаемых в широких масштабах возможна при условии предварительного проведения полного объема осушительных мероприятий.

Наиболее распространенными методами определения притоков в горные выработки являются следующие [5]:

1. Метод гидрогеологических аналогий основан на изучении данных по водоотливу из существующих рудников с учетом гидрогеологических условий. Обрабатываются сведения о величине водопритока и его режиме. Затем рассчитывается величина водопритоков на единицу площади выработок (q,

81

Эти значения распространяются на вновь проектируемый рудник, геологическое строение и гидрогеологические условия которого в общих чертах аналогичны участку, по которому собраны материалы.

Будущий водоприток Q1 на заданном горизонте площадью F1 при про-

2. Расчет по коэффициенту водообильности.

Коэффициент водообильности – это отношение количества откаченной воды Q в кубометрах к количеству добытого за тот же срок полезного ископаемого P:

в = , м3/т.

Определение будущих водопритоков сводится к тому, что величину коэффициента водообильности, установленную для ряда шахт и лав, распространяют на запроектированные горные выработки, находящиеся примерно в одинаковых гидрогеологических условиях, в тех же или новых месторождениях.

3. Определение водопритоков по водному балансу.

После сработки статических запасов в горные выработки начинают поступать динамические ресурсы подземных вод. Основной задачей является установление величины динамических ресурсов, т.е. количества воды, поступающей в горные выработки со стороны постоянных источников питания (инфильтрация атмосферных осадков, поглощение поверхностных вод, приток из других водоносных горизонтов). Для этого определяется величина подземного стока.

Этот метод применим для месторождений, разрабатываемых открытым способом или неглубокими подземными выработками

4. Определение водопритоков по формулам динамики подземных вод.

где H – мощность горизонта; R – радиус влияния; r радиус горной выработки. Для совершенного артезианского ствола в случае перехода потока из

82

Приток воды к совершенным грунтовым стволам, расположенным

близко от реки, определяется по формуле М.В. Сыроватко

= ,

где Z – расстояние от ствола шахты до реки. Эта формула применима при Z < R.

5. Расчет водопритоков в систему горных выработок

В практике гидрогеологических исследований и проектирования горных предприятий в сложных природных условиях наиболее часто используется метод «большого колодца», предложенный С.В. Троянским.

Площадь, занятая горными выработками или дренажными устройствами, приравнивается к площади равновеликого колодца. Далее находят приве-

денный радиус r0, соответствующий площади «большого колодца»:

= ,

где F – площадь проектируемых выработок или площадь, ограниченная ближайшей замкнутой гидроизогипсой, оконтуривающей воронку депрессии.

Приток воды определяют по формулам Дюпюи.

Для карьеров приток воды по этому методу определяется несколько иначе. Если карьер неправильной формы, приведенный радиус определяется из формулы площади круга. Для карьеров правильной формы, если длина превышает ширину более чем в 10 раз, приток воды определяют как в разрезную траншею. В случае, если отношение длины карьера к его ширине не пре-

вышает 10, приведенный радиус определяется по формуле

= ,

где η – параметр, усредняющий размеры колодца, определяется из соотношения L/B; L – длина карьера; B – ширина карьера.

3.1.3. Способы и средства осушения месторождений полезных ископаемых

Обводненными называются месторождения, на которых подземные воды залегают выше слоя полезного ископаемого, или под пластом залегает водоносный горизонт с напорными водами, пьезометрический уровень которых устанавливается выше почвы пласта полезного ископаемого.

83

Подземные или поверхностные воды, проникающие в горные выработки, называются рудничными или шахтными. Обводненность месторождений зависит от водообильности пород, вмещающих полезное ископаемое и наличия среди покровных отложений обломочных или карбонатных карстующихся пород. Большие притоки в выработки могут поступать при расположении месторождений вблизи открытых водотоков, в пределах речных долин, вблизи крупных массивов карбонатных пород.

Способы осушения месторождений напрямую зависят от факторов, определяющих их обводненность. К основным природным факторам относятся климат, многолетняя мерзлота, рельеф местности, связь с реками, литологический состав вмещающих пород, тектоника района и т.д. К искусственным факторам относятся старые затопленные выработки, незатампонированные разведочные скважины и т.д.

Осушение месторождений проводится как предварительно, так и в процессе строительства и эксплуатации шахт и карьеров, нарушая при этом естественный режим подземных вод. Горные выработки становятся областями разгрузки, вследствие чего изменяется направление движения воды и уклоны потока (напорные градиенты) [7].

Нарушение режима подземных вод приводит к изменению питания водоносных горизонтов, обводняющих горные выработки: привлекаются поверхностные воды, подземные воды нижележащих горизонтов и т.д. В результате естественный режим подземных вод сменяется техногенным, который формируется под влиянием как природных, так и горно-технологических факторов, от которых зависит величина водопритоков в горные выработки.

Наличие воды на подошве и уступах карьеров приводит к изменению свойств горных пород. Глины размокают, набухают, теряют устойчивость. При наличии в бортах карьеров песчано-глинистых пород подземные воды вызывают оплывание песков.

При строительстве и эксплуатации шахт подземные воды затрудняют проходку горных выработок, ведение очистных работ. Снижение уровня подземных вод приводит к росту деформаций горных пород, вследствие чего возникают осадки земной поверхности, деформации относительных водоупоров в кровле и подошве горных выработок.

Различия в технологических схемах горных работ требуют раздельных классификаций месторождений по дренируемости, учитывающих особенности открытой и подземной разработки (табл. 5, 6).

Поскольку притоки воды в карьеры формируются преимущественно за счет подземных вод, рассмотрим основные виды дренажных систем, которые включают поверхностный, подземный и комбинированный способы.

К поверхностному осушению относятся горизонтальный дренаж неглубокого заложения, глубокое водопонижение, ярусное осушение и устройство водопоглощающих скважин.

84

Горизонтальный дренаж осуществляется путем заложения водосборных открытых канав. Вода отводится самотеком за пределы карьерного поля. Применение этого вида дренажа рационально при мощности покровной толщи меньше 20 м. По расположению в плане дрены бывают контурные (кольцевые), заградительные и систематические.

Ярусное (ступенчатое) осушение применяется при временном понижении уровня грунтовых вод на глубину до 20 м. Для этого закладывают несколько рядов скважин, из которых ведется откачка.

Водопонижающие скважины бурят с поверхности и оборудуют на дренируемом горизонте фильтром, предотвращающим деформации скважин.

Таблица 5 Классификация месторождений, разрабатываемых открытым способом,

по дренируемости [3]

85

Таблица 6

Классификация месторождений, разрабатываемых подземным способом, по дренируемости [3]

Применение глубинного дренажа наиболее эффективно в хорошо проницаемых породах с коэффициентами фильтрации для грунтовых вод 3 м/сут, для напорных – более 0,5 м/сут.

Поглощающие скважины служат для дренажа пластов сравнительно небольшой мощности и проницаемости. Эксплуатация скважин основана на пе-

86

репуске воды из дренируемого горизонта в нижележащий поглощающий. Проводимость поглощающих пластов должна быть на порядок выше проводимости дренируемых пластов.

Взависимости от гидрогеологических условий массива горных пород могут применяться иглофильтры, вакуумный и электроосмотический способы осушения.

Иглофильтром называют дренажную скважину малого диаметра, которую разбуривают на небольшую глубину. Принцип действия иглофильтровых установок заключается в создании и поддержании насосами вакуума в сети погруженных в водоносную породу иглофильтров. Через них воды засасываются в коллектор и откачиваются насосами за пределы осушаемого участка.

Всложных гидрогеологических условиях используют эффект вакууми- рования, создавая на наружных поверхностях водоприемных устройств устойчивый вакуум, используя водовоздушный эжектор, откачивающий воздух из водовоздушной смеси, поступающий из иглофильтров. Вакуумными скважинами осушают мелкие и пылеватые пески с коэффициентом фильтрации 0,1 – 2 м/сут при открытом и подземном способе работ.

Для интенсификации осушения слабопроницаемых пород (К < 0,05

м/сут) применяют электроосмотический способ водопонижения – направ-

ленного движения воды в порах породы при пропускании через нее постоянного электрического тока. Этот метод используют в основном для закрепления слабых глинистых пород.

Подземный способ осушения карьерных полей применяется на месторождениях со сложными гидрогеологическими условиями. Подземное осушение проводится посредством заложения дренажного ствола и проведением

штреков, сквозных фильтров и водопонижающих колодцев. Штреки сечением 4 – 5 м2 располагаются в толще полезного ископаемого под основным водоносным горизонтом. Они служат для сбора воды, поступающей из забивных и сквозных фильтров, одновременно сами осушают расположенные рядом водоносные горизонты.

Для защиты карьеров от подземных вод, приуроченных к водообильным приповерхностным горизонтам, применяют противофильтрационные завесы, которые представляют собой щель, заполненную слабопроницаемым материалом (инфузионные) или систему скважин, расположенных на близком расстоянии друг от друга, в которые также нагнетается слабопроницаемый материал (инъекционные) или холодный воздух (криогенные).

При разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом используют следующие меры борьбы с подземными водами:

1. Рациональное расположение горных выработок применительно к конкретным гидрогеологическим условиям.

2. Непосредственный водоотлив из рудников. Подземные воды, поступающие в подземную выработку, отводятся через систему водосборных канав

87

итруб в центральный водосборник, из которого воды выдаются на поверхность насосными установками.

3.Изоляция горных выработок от поверхностных вод. Один из простых методов уменьшения притоков поверхностных вод в горные выработки заключается в том, что под долинами водоемов оставляют охранные целики. Кроме того, устраивают завесы методом замораживания на глубину до 200 м

ипротяженностью до 3000 м.

4.Специальные методы проходки основных выработок. Они применяются в неустойчивых обводненных песчаных и трещиноватых породах. В зависимости от геологических и гидрогеологических условий месторождения применяют забивные и опускные крепи, кессонный способ проходки, химический способ закрепления пород.

5.Предварительное осушение с помощью системы дренажных скважин.

6.Эксплуатационное осушение.

7.Проходка опережающих скважин, передовых штреков.

3.1.4. Осушение месторождений полезных ископаемых и защита окружающей среды

Если на стадиях поисков и разведки изучение гидрогеологической обстановки необходимо для прогноза условий отработки месторождения, то на стадии эксплуатации необходимость комплексных исследований диктуется огромными масштабами и быстрыми темпами освоения месторождений полезных ископаемых. Например, освоение и разработка Удоканского месторождения меди, Горевского полиметаллического, Савинского магнетитового, Ангаро-Катской и Ангаро-Илимской групп железорудных месторождений в Восточной Сибири привело к изменению природной обстановки за пределами этих объектов на сотни квадратных километров. Одной из важнейших задач является предотвращение загрязнения и заражения окружающей среды, в том числе и при горнорудных разработках.

В связи с этим на стадиях гидрогеологических исследований наряду с определением величин водопритоков, оценки устойчивости пород и мерзлотных условий, необходимо изучать вопросы, связанные с возможным изменением окружающей среды, особенно ее ухудшением [3].

Подземные воды как один из основных составных элементов окружающей среды выполняют важнейшую роль в ее формировании.

Подземные воды находятся в динамическом равновесии с водами различных гидрогеологических структур. Освоение месторождений ниже уровня подземных вод сопровождается предварительным или эксплуатационным осушением. В процессе эксплуатации месторождений возникают глубокие районные воронки депрессии, приводящие к значительному преобразованию окружающей среды.

88

В процессе эксплуатации месторождений: дренаж вышележащих горизонтов; осушение территории в пределах депрессионных воронок; уменьшение влаги в почвах; дренирование водоносных горизонтов; изменение режима подземных вод; нарушение связи между подземными и поверхностными водами.

С изменением гидрогеологических условий тесно связаны инженерногеологические процессы: вторичное уплотнение-консолидация осушенных пород; суффозия; усиление карстовых процессов; усиление процессов выветривания в откосах карьеров.

Помимо этих процессов отмечаются некоторые геохимические преобразования в зоне дренажа месторождений и в почвенном покрове ниже участков сброса шахтных вод. Эти преобразования могут существенно отразиться на качестве источников водоснабжения, расположенных вблизи сброса шахтных вод.

Изменение окислительно-восстановительных условий, усиление окисления сульфидов и образование кислых рудничных вод являются важнейшими процессами, изменяющими окружающую среду.

Сложность условий по защите окружающей среды определяется геоло- го-структурной обстановкой. Наиболее сложные условия по защите окружающей среды при горнорудных отработках характерны для месторождений в карстово-тектоническом и карстовых бассейнах, зонах разломов и речных долинах. В этих структурах проявляется наиболее тесная связь между поверхностными и подземными водами. Например, при отработке Миргалимсайского месторождения, где сформировалась огромных размеров воронка депрессии, в десятках километров от месторождения прекратили функционировать родники трещинно-карстовых вод.

Основными мероприятиями по защите окружающей среды должны быть: рациональное размещение отвалов; рекультивация поверхности Земли; очистка и использование шахтных вод; извлечение полезных компонентов из рудничных вод; изоляция поверхностных вод во избежание обводнения выработок; изоляция действующих водозаборов от шахтного водоотлива; осу- шительно-обводнительные работы для сохранения и развития растительного покрова в пределах осушенной зоны; искусственное заводнение отработанных участков.

Тема 3.2. Гидрогеохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых

План:

3.2.1.Качество гидрохимической среды

3.2.2.Термодинамический метод анализа гидрохимических систем

3.2.3.Формы миграции химических элементов в водных растворах

3.2.4.Типы гидрохимических барьеров

89

3.2.5. Прогнозирование наличия месторождений полезных ископаемых

3.2.1. Качество гидрохимической среды

Гидрогеохимические поиски основаны на изучении закономерностей распределения химических элементов в природных водах с целью выявления месторождений полезных ископаемых.

Вода способна растворять содержащиеся в минералах и горных породах компоненты полезных ископаемых и переносить их на значительные расстояния.

При гидрохимических поисках изучается в основном микрокомпонентный состав поверхностных и подземных вод. Микрокомпоненты Zn, Cu, Pb, Mo, U и др. содержатся в природных водах в ничтожных количествах. Содержание большинства их характеризуется величинами n·100 мкг/л; повышение концентраций микрокомпонентов обычно происходит под влиянием омываемых водой рудных тел. Содержание микрокомпонентов в подземных водах дано в табл. 7.

Ионный состав гидрохимической среды формируется под влиянием фи- зико-химических процессов: сорбции, гидратации, дегидратации, выщелачи-

вании, растворении и гидролиза.

стве случаев зависят другие реакции взаимодействия вода порода [3]. Сорбция – это поглощение вещества горными породами из природных

Особую значимость имеют сорбция и гидролиз, от которых в большин-

водных растворов. По степени сорбционной способности ионы располагаются

в виде следующих рядов:

Li+ < Na+ < K+ < Rb + < Cs+;

Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+; Cl- < Br- < NO3- < I- < CNS-.

Гидролиз – это разложение минералов в водных растворах. Внешней формой выражения реакции гидролиза является изменение pH водной суспензии минералов и горных пород.

Природные воды помимо молекул воды содержат ионы H+ и OH-. Обладая определенным электростатическим зарядом, эти ионы активно взаимодействуют с поверхностными зонами частиц горной породы.

90