Лекция 4. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
(Роль обводненности месторождений полезных ископаемых в оценке их инженерно-геологических условий)
Подземные воды являются важнейшим элементом инженерно-геологических условий любых месторождений полезных ископаемых. При их освоении, при строительстве шихт и карьеров и разработке полезных ископаемых подземные воды влияют на устойчивость горных пород в бортах карьеров и подземных выработках, на условия производства и безопасность ведения горных работ, на качество полезных ископаемых; все это вызывает необходимость выполнения разнообразных мероприятий по защите горных выработок от притоков к ним подземных вод и опасного их влияния.
4.1. Типы подземных вод и их распространение в пределах
месторождений твердых полезных ископаемых
В пределах месторождений полезных ископаемых подземные воды в большинстве случаев широко распространены как по площади, так и на глубину. Они приурочены как к отложениям четвертичного возраста, так и к коренным породам, образуют водоносные горизонты, зоны и комплексы грунтовых поровых, трещинных и карстовых вод; поровых, трещинных и карстовых, пластовых напорных и ненапорных вод; трещинно-жильных и карстовых как напорных, так и безнапорных вод. В районах распространения многолетней мерзлоты водоносные горизонты, зоны и комплексы могут быть надмерзлотными, межмерзлотными и подмерзлотными.
Обводненность месторождений определяется главным образом следующими основными факторами:
1) климатическими условиями района (избыточно влажный, влажный, умеренно влажный, сухой климат);
2) гидрографией района (наличие рек и ручьев, озер, прудов, водохранилищ, заболоченность территории);
3) рельефом местности (горный резко расчлененный, холмистый, холмисто-равнинный, равнинный);
4) геологическим строением - распространением в геологическом разрезе петрографических типов и разностей горных пород, обладающих водоемкостыо (коллекторскими свойствами) и водопроницаемостью, и горных пород, образующих региональные и локальные водоупоры;
5) тектоникой района - степенью тектонической нарушенности условий залегания и раздробленности горных пород, слагающих месторождение, региональными и локальными тектоническими нарушениями, степенью трещиноватости и ее пространственным распространением по площади и на глубину;
6) степенью и характером выветрелости или закарстованности горных пород по простиранию и на глубину;
7) глубиной залегания полезного ископаемого от поверхности земли, формой и условиями залегания и положением относительно местного или регионального базиса разгрузки подземных вод;
8) степенью осушенности месторождения в результате дренирования водоносных горизонтов, зон и комплексов;
9) искусственным обводнением и затоплением территорий месторождений при создании водохранилищ, интенсивном орошении, сбросе промышленных и других вод, нарушении поверхностного стока вследствие деформаций поверхности земли при подработке территорий, и особенно при подработке различных водных объектов - рек, водоемов, водоносных комплексов и др.
На обводнение месторождений, шахтных и карьерных полей при производстве горных работ и возникновение опасных явлений (прорывы воды и затопление горных выработок) могут оказывать влияние также воды, накопившиеся в старых затопленных шахтах. Следовательно, обводнение разрабатываемых месторождений может определяться как природными, так и искусственными факторами.
4.2. Особенности химического состава подземных вод
месторождений твердых полезных ископаемых
При изучении и оценке инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых должное внимание необходимо уделять исследованиям минерализации и химического состава подземных вод. Данные таких исследований позволяют:
1) более надежно и обоснованно производить стратификацию водоносных горизонтов, зон и комплексов в геологическом разрезе месторождения;
2) устанавливать взаимосвязь между ними (горизонтами, зонами и комплексами) и оценивать качество разделяющих их водоупоров;
3) оценивать влияние поверхностных вод на режим подземных и судить об их взаимосвязи;
4) выявлять области питания и разгрузки подземных вод, участки или области перетекания (перелива) воды из одних водоносных горизонтов в другие, участки подпитывания подземных вод из каких-либо других водных объектов;
5) более надежно устанавливать границы зоны влияния горных выработок, отвалов и гидроотвалов в пределах окружающей геологической среды, границы загрязнения подземных и 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.).
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. Cl-, SO42-, НСО-3, СО2-3, Na+ Са2+, Mg2+. Пресные воды обычно гидрокарбонатного класса, солоноватые и соленые - сульфатного и хлоридного классов.
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 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.
Поэтому контроль за чистотой подземных и поверхностных вод на месторождениях и разработка мер их защиты от загрязнения — важнейшие задачи комплексного изучения месторождений.