ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Водные свойства горных пород и виды воды в породах

1. Основные понятия и термины

2. Виды воды в горных породах

ГЛАВА 2 Происхождение и классификация подземных вод

3. Круговорот воды в природе

4. Происхождение подземных вод

5. Классификация подземных вод

6. Краткая характеристика подземных вод

7. Физические свойства и химический состав подземных вод

ГЛАВА 3 Особые случаи залегания подземных вод

8. Вечная (многолетняя мерзлота)

9. Трещинные воды

10. Карстовые воды

ГЛАВА 4 Основы динамики подземных вод

11. Основные законы движения подземных вод

12. Движение подземных вод в естественных условиях

13. Движение подземных вод к водозаборным сооружениям

14. Понятие о взаимодействии водопонижающих скважин и их расчет

15. Уравнение для определения коэффициента фильтрации по данным откачек

ГЛАВА 5 Методы гидрогеологических исследований

16. Объем и характер гидрогеологических работ на различных стадиях разработки месторождения

17. Виды и содержание гидрогеологических работ

18. Гидрогеологические исследования при разведке и эксплуатации месторождений

ВВЕДЕНИЕ

Гидрогеология — наука о подземных водах, т. е. водах, находящихся ниже поверхности земли в капельно-жидком, парообразном и твердом виде и приуроченных к различным горным породам. Она изучает происхождение и развитие подземных вод, условия их залегания и распространения, законы движения, процессы взаимодействия с вмещающими горными породами, физические и химические свойства, их газовый состав.

В жизни людей подземные воды играют исключительно важную роль. По выражению академика А. П. Карпинского, подземные воды являются наиболее драгоценным ископаемым. Издавна они используются человеком для питьевого и хозяйственно-технического водоснабжения. Широко применяются подземные воды для лечебных целей, добычи брома, йода и других редких компонентов. Высокотемпературные воды применяются для отопления, выработки электроэнергии, выращивания овощей и фруктов и коммунальных целей.

Вместе с тем во многих отраслях народного хозяйства подъемные воды играют отрицательную роль. При строительстве гидротехнических сооружений, туннелей, метрополитенов и т. п. подземные воды значительно осложняют ведение работ, обусловливая необходимость применения дренажных и гидроизоляционных мероприятий, нередко очень сложных, что значительно усложняет и удорожает строительство.

В горнодобывающей промышленности подземные воды в большинстве случаев играют отрицательную роль. Для борьбы с ними на карьерах, в шахтах и рудниках применяют различные дренажные сооружения и водоотливные установки. Капиталовложения на дренаж и эксплуатационные расходы на водоотлив часто достигают 20—30% и более от общей стоимости всех расходов по добыче полезного ископаемого.

Обводненность горных предприятий бывает различной; притоки подземных вод в горные выработки колеблются от нескольких до многих тысяч кубометров в час. Например, из карьеров Соколовско-Сарбайского горнообогатительного комбината откачивается воды свыше 2000 м³/ч. Особой обводненностью отлича­ются месторождения полезных ископаемых, залегающие среди закарстованных пород. Например, притоки в бокситовые рудники на Урале нередко составляют 5000—9000 м³/ч, достигая иногда 12 000 м³/ч.

Из сказанного ясно, что при проектировании горных предприятий и ведении эксплуатационных работ для принятия наиболее целесообразных и рентабельных мер по борьбе с отрицательным действием подземных вод необходимы исчерпывающие сведения о гидрогеологических особенностях месторождения. Следовательно, значение гидрогеологии для горной промышленности велико.

Инженерная геология — отрасль геологии, изучающая верхнюю часть литосферы в связи со строительством различных сооружений. Возводимые объекты вызывают соответствующие изменения природных геологических условий, а измененная природная обстановка в сочетании с естественной в свою очередь, влияет на условия строительства и эксплуатацию карьеров, дорог, гидротехнических сооружений и других объектов. Отсюда следует, что теоретической и практической задачей инженерной геологии является прогнозирование геологических процессов, вызываемых хозяйственной деятельностью человека, и разработка мероприятий, обеспечивающих нормальную работу карьеров и других горнодобывающих предприятий, а также устойчивость и нормаль­ную эксплуатацию различных сооружений, возводимых в неблагоприятных геологических условиях.

По утверждению основоположника инженерной геологии как науки академика Ф. П. Саваренского, для возведения инженерного сооружения опасны не столько неблагоприятные природные условия, сколько недостаточное знание инженерно-геологических условий и неумение оценить их с точки зрения того или иного инженерного мероприятия, применяемого для предотвращения ожидаемых деформаций.

В связи с мощным развитием в РФ горнодобывающей промышленности и необходимостью разработки месторождений, гидрогеологические и инженерно-геологические условия которых являются сложными и весьма сложными, возникла необходимость в специальном изучении гидрогеологических и инженерно-геологических особенностей обводненных месторождений в целях выработки наиболее рациональных мероприятий по борьбе с отрицательным воздействием подземных вод. Раздел гидрогеологии, изучающий рудничные, или шахтные, воды и соответственно инженерно-геологические условия, получил наименование рудничной, или шахтной, гидрогеологии. В РФ изданы многочисленные монографии и пособия по рудничной гидрогеологии, что свидетельствует о ее бурном развитии в стране.

Дальнейшее совершенствование методов рудничной гидрогеологии инженерной геологии позволит применять способы активной борьбы с подземными водами и неблагоприятными инженерно-геологическими явлениями, что при все большем внедрении средств механизации и автоматизации в горной промышленности является одной из основных предпосылок успешной работы современного горного предприятия.

Горные техники, непосредственно осуществляющие строительство в карьерах дренажных сооружений, а затем повседневный надзор за их исправным техническим состоянием, должны знать основы гидрогеологии, особенно тех ее разделов, в которых излагаются технические способы борьбы с притоками подземных вод.

Горным техникам необходимо также знание основ инженерной геологии, чтобы обеспечивать технически грамотное строительство и затем повседневный технический надзор за исправным состоянием различных противодеформациоиных сооружений, предотвращающих оползание и обрушение бортов карьеров, и другие деформации в горных выработках.

Изложению основ гидрогеологии и инженерной геологии в объеме действующей программы и посвящен учебник, предназначенный для студентов горных техникумов по специальности «Открытая разработка месторождений полезных ископаемых».

Глава 1

ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

И ВИДЫ ВОДЫ В ПОРОДАХ

§ 1. Основные понятия и термины

Под водными свойствами горных пород понимаются те, которые проявляются в них при взаимодействии с водой: водопроницаемость, капиллярные явления, влагоемкость, водоотдача, влажность, растворимость, набухание, размокание, усадка, пластичность и консистенция. Некоторые из этих свойств (растворимость, набухание и последующие) одновременно характеризуют и физико-механические свойства пород и поэтому будут рассмотрены ниже, в главе 6. Рассматриваемые в данном параграфе водные свойства пород обусловливаются их скважностью или пористостью.

Скважность и пористость. Горные породы по условиям происхождения и вследствие вторичных процессов (выветривание, растворение и выщелачивание, тектонические движения и пр,) не являются абсолютно монолитными и содержат пустоты самых различных размеров и формы. В зависимости от вида и размера пустот различают: скважность, обусловленную крупными порами (более 1 мм), ноздреватостью, крупной трещиноватостью и закарстованностью; пористость, когда в горных породах имеются поры диаметром менее 1 мм, а трещины шириной менее 0,25 мм.

Скважность и пористость определяют гидрогеологические свойства горных пород по их площади и глубине. В горных породах, которым присуща скважность, подземная вода передвигается только под действием силы тяжести, а в породах пористых — под действием сил тяжести, поверхностного натяжения и других факторов.

В строительстве, горной промышленности и других отраслях пустоты в горных породах называются преимущественно пористостью. Определение пористости имеет существенное значение при решении ряда практических задач в строительстве, водоснабже­нии, горном деле и т.п.

Количественно пористость выражается отношением объема пустот ко всему объему породы: ,

где n- пористость;

Vп – объем пустот в грунте;

V – объем грунта.

В породах осадочного происхождения (гравий, песок, щебень и т. п.) величина пористости зависит от размера, формы и взаимного расположения частиц, слагающих породу.

На рис. 1 показано, как изменяется пористость гипотетической породы, состоящей из частиц шаровидной формы одинакового диаметра, в зависимости от их расположения.

Водоотдача и водопроницаемость пород, обладающих различной пористостью, зависят не только от общей пористости и величины отдельных пор, но также и от расположения этих пор в породе и их взаимной связи. При неоднородном плохо отсортированном материале, из которого сложены рыхлые осадочные породы, пустоты между крупными частицами заполнены частицами более мелкими, что уменьшает объем пустот, а, следовательно, и пористость.

Среди скальных пород наименьшую пористость имеют изверженные, у которых она обычно не превышает долей процента, за исключением некоторых (например, пористость артикского туфа в Армении достигает 55—60%).

Пористость глинистых пород, несмотря на очень малую величину отдельных пор, в большинстве случаев превосходит пористость песков и нередко достигает 50—60% и более; поры в этих породах обычно имеют щелевидную форму. Пористость глинистых пород не постоянна и изменяется в зависимости от степени их увлажнения, а также под влиянием внешнего давления.

Коэффициент фильтрации некоторых пород

Водопроницаемость — свойство пород пропускать под действием тяжести

воду, что обусловливается их скважностью и пористостью, Однако не все породы способны пропускать через себя воду. Глинистые породы, пористость которых почти всегда превосходит пористость раздельнозернистых пород (песков и др.), практически не пропускают воду; это обусловливается тем, что поры в глинистых породах очень мелкие, а находящаяся в них вода физически связанная (см. ниже), не подверженная силам гравитации.

Водопроницаемость пород характеризуется коэффициентом фильтрации, который представляет собой скорость движения воды в единицу времени при гидравлическом градиенте, равном единице; размерность его - см/сек, м/ч, м/сутки. Примерные величины коэффициентов фильтрации различных осадочных пород приведены в табл. 1Таблица 1

ПОРОДА	Коэффициент фильтрации, м\сутки
Глины………………………………………………………	< 0,001
Суглинки…………………………………………………..	0,01 – 0,001
Супесь плотная……………………………………………	0,1 – 0,01
Супесь рыхлая…………………………………………….	1 – 0,1
Песок мелкозернистый…………………………………..	1 – 6
Песок средне- и крупнозернистый………………………	6 – 60
Бурые угли Днепровского бассейна…………………….	0,0001 – 0,46
Бурые угли других бассейнов……………………………	0,5 – 14
Галечник с песком………………………………………..	20 – 100
Галечник отсортированный………………………………	> 100

Гидравлическим, или напорным, градиентом называется отношение разности напоров в двух точках гидростатической поверхности к расстоянию между ними, считая по горизонтали.

Капиллярные свойства пород. Рыхлые горные породы имеют большое количество мелких пустот и канальцев, обладающих свойствами капилляров, которые разветвляются в разных направлениях, образуя тончайшую капиллярную сетку. Поднятие или опускание жидкости в капиллярах называется капиллярным явлением. Капиллярные явления объясняются действием сил поверхностного натяжения, проявляющихся между молекулами воды и стенками капилляра на границе раздела воды и воздуха; это обусловливает поднятие воды по капиллярным трубкам на ту или иную высоту.

Результаты лабораторных и полевых исследований показывают такие величины предельной высоты капиллярного поднятия (в см):

песок крупнозернистый 12—15

среднезернистый 40—50

мелкозернистый 90—110

Супесь 175 – 200

суглинок легкий 225 – 250

суглинок 350 – 650

Глина до 12 м

Показатели капиллярного поднятия воды в породах используются:

1) для оценки возможности увлажнения нижней части фундаментов зданий, насыпей железных дорог и автострад, силосных ям и др. Это увлажнение создает излишнюю сырость в помещениях, а также снижает прочность грунтов оснований фундаментов, дорожных насыпей и пр.;

2) для оценки возможности заболачивания территорий, а в засушливых районах — засоления грунтов;

3) для расчета необходимой глубины понижения уровня грунтовых вод при строительстве инженерных сооружений, осушении заболоченных территорий и борьбе с засолением почв на орошаемых территориях.

Влагоемкость — способность горных пород вмещать в своих пустотах и удерживать определенное количество воды при возможности свободного ее вытекания под действием силы тяжести. Различают следующие виды влагоемкости: полную — максимальное количество воды, удерживаемой породой при полном насыщении всех пустот водой; капиллярную — максимальное количество воды, удерживаемое в капиллярных порах; пленочную, или максимальную молекулярную,— максимальное количество физически связанной воды, удерживаемой частицами породы; гигроскопическую — соответствует количеству прочно связанной (адсорбированной) воды. По степени влагоемкости горные породы подразделяются на следующие виды: очень влагоемкие (торф, ил, глина, суглинки); слабо влагоемкие (мел, мергель, лёссовые породы, супеси, мелкозернистые пески); невлагоемкие (скальные породы, галечники, гравий, крупнозернистые пески).

Водоотдача — свойство пород, насыщенных водой, свободно отдавать гравитационную воду. Количественно характеризуется коэффициентом водоотдачи — отношением объема свободно вытекающей из породы воды (при полном заполнении пор или трещин) к объему всей породы, или удельной водоотдачей — количеством воды в литрах, вытекающей из 1 м3 породы. Для крупнозернистых песков, гравия и других подобных пород коэффициент водоотдачи равен их пористости или полной влагоемкости. Водоотдача мелкозернистых песков, супесей и суглинков значительно меньше и равна разности между полной влагоемкостью и максимальной молекулярной влагоемкостью. Величина водоотдачи используется при осушении заболоченных территорий, дренировании выемок, определении притоков воды в котлованы и горные выработки и для решения ряда других задач.

Влажность — содержание в породах в условиях их естественного залегания воды, удаляемой высушиванием при температуре 105-107 С до постоянного веса образца породы. Выражается в процентах к весу сухой твердой части образца. Определяют влажность ПО ГОСТ 5179—64 [10]. В зоне аэрации и капиллярного насыщения влажность пород в течение года меняется в зависимости от сезонных изменений температуры, давления, влажности воздуха, осадков, испарения и других факторов.