u_lectures

Пласт, ограниченный круговым контуром, характерен для трещиннокарстовых вод.

Если водозабор состоит из 8–10 скважин расчеты простые и ведутся по формулам динамики подземных вод, в которых понижение принимается расчетным:

доп.

При большом количестве скважин расчеты проводятся для обобщенных схем (метод «большого колодца»). Количество взаимодействующих скважин условно заменяется одним укрупненным каптажным сооружением, в центре которого определяется расчетное понижение уровня подземных вод при заданной производительности.

где l – длина реального ряда скважин; P – периметр площади расположения скважин; R – радиус кольца, по которому расположены скважины.

Для условий неограниченного в плане пласта используется приведен-

ный радиус

пр = 1,5√ ,

где a – пьезопроводность или уровнепроводность пласта, t – время эксплуатации водозабора, сут.

Тогда понижение уровня подземных вод непосредственно в скважине

Гидравлический метод состоит в том, что расчетный дебит водозабора (или прогнозное понижение) оценивается по эмпирическим данным, полученным в процессе откачек. Гидравлический метод применяется для месторождений 1-й и 2-й групп сложности. Данный метод можно использовать для прогнозной оценки динамического понижения уровня подземных вод в скважине при заданном ее дебите по кривым зависимостей дебита от понижения в условиях установившегося режима фильтрационного потока; для прогнозной

71

оценки величины срезок уровня воды при расчетах взаимодействующих скважин (в условиях установившегося режима потока); для определения понижения уровня на конец расчетного периода в эксплуатационной скважине при постоянном дебите по установленному эмпирическим путем закону снижения уровня во времени при заданном водоотборе (в условиях неустановившегося режима потока).

Балансовый метод. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод заключается в определении расхода подземных вод на водозаборном сооружении в пределах данного района за счет привлечения различных источников их формирования.

При использовании балансового метода баланс участка рассматривается в целом по приходным и расходным статьям. Этот метод позволяет оценить общее прогнозное снижение уровней продуктивного горизонта.

Балансовым методом нельзя определить снижение уровня в водозаборе, а также ее производительность. Метод используется как дополнительный метод в комплексе с другими.

Метод гидрогеологической аналогии. Сущность метода состоит в ис-

пользовании данных о режиме эксплуатации подземных вод на участке действующих водозаборов для оценки запасов на разведанном участке.

2.2.4. Понятия о месторождениях пресных подземных вод Типы месторождений

Подземные воды, как и другие полезные ископаемые, в верхней части земной коры образуют месторождения, в пределах которых обычно и формируется то или иное количество естественных ресурсов и запасов.

Впервые о «водных месторождениях» писал Г.Н. Каменский в своей работе «Поиски и разведка подземных вод». В 1959 г Н.И. Плотников сформулировал научное представление о месторождениях подземных вод.

Под месторождением подземных вод подразумевается пространственно ограниченная часть водоносной системы, в пределах которой под влиянием естественных или искусственных факторов создаются благоприятные по сравнению с окружающими площадями условия для отбора подземных вод в количестве, достаточном для целевого использования.

Степень сложности различных типов месторождений пресных подземных вод определяется несколькими факторами: условиями залегания, распространения и строения водоносных горизонтов, изменчивость мощности и фильтрационных свойств водовмещающих пород, источники формирования эксплуатационных запасов и гидрохимической обстановкой.

Часть месторождения, где производится непосредственный отбор подземных вод для практического использования, называется эксплуатационным

или водозаборным участком.

72

Водоносный горизонт, за счет которого работает водозабор, называется продуктивным. Выбор под разведку продуктивного водоносного горизонта может производиться по ранее проведенным исследованиям, по опыту работы действующих водозаборов или по результатам поисковых работ.

Месторождения подземных вод могут быть непромышленного типа и промышленные. К непромышленным типам месторождений подземных вод можно отнести бассейны трещинных вод зоны выветривания интрузивных, эффузивных и других пород. На площади таких бассейнов породы обладают низкими фильтрационными показателями, отсутствуют благоприятные геоло- го-структурные условия для формирования крупных естественных ресурсов и запасов подземных вод.

Методика поисков, разведки и оценки эксплуатационных запасов пресных подземных вод непромышленного типа проста. Сущность разведки состоит в бурении одной или двух разведочных скважин для непосредственного вскрытия водоносного горизонта. Затем проводятся опытно-фильтрационные

работы для установления зависимости дебита от понижения

= ( ),

определения удельного дебита (q) и возможности получения максимального

где S – допустимое понижение в водозаборе.

Для грунтовых вод допустимое понижение выбирается из расчета

доп = (0,6 ÷ 0,7) .

если напоры незначительные [8].

Месторождения промышленного типа используются для крупного централизованного водоснабжения. Нижний предел эксплуатационных запасов должен быть не менее 5 – 8 тыс. м3/сут.

К факторам, определяющим закономерности формирования промышленного типа месторождений подземных вод относятся геолого-структурные, гидрогеологические, геоморфологические, климатические и технические.

73

Учитывая специфику формирования типа эксплуатационных запасов, выделяют следующие типы месторождений подземных вод: речных долин; трещинно-карстовых вод карбонатных пород; на площади распространения линз пресных вод; на площади крупных артезианских бассейнов платформенного типа; на площади бассейнов горно-складчатых областей; на площади конусов выноса предгорных шлейфов; трещинно-жильных вод зон тектонических нарушений; флювиогляциальных межморенных четвертичных отложений.

2.2.5. Условия эксплуатации и охрана подземных вод от загрязнения

Научно-производственный процесс изучения месторождений подземных вод не завершается стадией детальной разведки, а продолжается и в период промышленного освоения.

Впроцессе эксплуатации подземных вод устанавливается наблюдение за режимом эксплуатации подземных вод на водозаборном участке. При отборе потребного количества воды снижение уровня не должно превышать допустимого понижения.

Очень важны сведения по изучению формирования депрессионной воронки. С этой целью в соответствии с действующей Инструкцией ГКЗ ведутся непрерывные наблюдения за естественным режимом грунтовых вод и неглубоко залегающих артезианских вод в течение одного года.

Впроцессе эксплуатации водозаборного сооружения ведутся наблюдения за дебитом эксплуатационных скважин, уровнем подземных вод и температурой, наблюдения за химическим составом подземных и поверхностных вод и их санитарно-бактериологическим состоянием, наблюдения за техническим состоянием эксплуатационных скважин. Все перечисленные виды работ проводятся по постоянно действующей сети наблюдательных пунктов, которая закладывается еще на стадии детальной разведки. В случае отсутствия такой сети геологоразведочная организация обязана организовать на эксплуатационном участке цикл режимных наблюдений.

Наблюдательные скважины должны располагаться непосредственно в центре и на флангах водозаборного сооружения, а также в зоне его влияния по площади депрессионной воронки.

Впроцессе работы водозаборного сооружения обязательно ведутся наблюдения за качеством воды, не происходит ли его изменение в результате отбора воды или под влиянием различных очагов или источников загрязнения. С этой целью на стадии разведки проводится обоснование зон санитарной охраны будущего водозаборного сооружения. Зона санитарной охраны объединяет три пояса [2].

Первый пояс (строгого режима) предназначен для охраны и защиты участка, непосредственно примыкающего к водозабору. Границы пояса

74

должны находиться на расстоянии 50 м при использовании грунтовых вод и 30 м – при использовании напорных вод.

Второй пояс предназначен для защиты водоносного горизонта от микробных загрязнений. Границы пояса рассчитываются, они находятся на таком расстоянии от водозаборного сооружения, чтобы полностью исключить миграцию тех или иных загрязнителей.

Третий пояс предназначен для защиты подземных вод от химического загрязнения. Границы пояса также рассчитываются при допущении, что загрязняющие химические элементы не достигнут водозабора в течение всего срока работы, т.е. в течение 25 лет.

2.2.6. Требования к геологической информации в процессе оценки эксплуатационных запасов подземных вод

В процессе оценки эксплуатационных запасов подземных вод геологоструктурные условия месторождения являются главным природным фактором, определяющим тип гидрогеологической структуры (артезианский бассейн или гидрогеологический массив), а литологический состав водовмещающих пород и сведения об их коллекторских свойствах позволяют установить тип подземных вод (пластовые или трещинные).

Геологическое строение и тектоника месторождения подземных вод определяют условия питания и движения подземных вод.

При подсчете эксплуатационных запасов подземных вод и их категоризации необходимо, как указывалось в предыдущих разделах, знать группу сложности месторождений подземных вод, в основу выделения которой положены литолого-структурные особенности. Например, для месторождений первой группы сложности характерно распространение преимущественно рыхлых водовмещающих пород со спокойным залеганием и выдержанной по площади мощностью продуктивного горизонта.

Сведения о геологическом строении месторождения берутся из источников предыдущих геологических исследований (например, разного масштаба съемок). Непосредственно на месторождении подземных вод геологическое строение изучается в процессе бурения скважин, изучения керна и различных исследований в скважинах, направленных на выявление зон повышенной трещиноватости (кернометрия) и интервалов притоков воды (резисцивиметрия).

Большую помощь при изучении геологического строения месторождений подземных вод оказывают геофизические исследования, по результатам которых возможно литологическое расчленение изучаемого разреза, картирование по площади водоносных и слабопроницаемых разделяющих пластов различного литологического состава с учетом их фациальной изменчивости в плане, выявление степени трещиноватости и закарстованности водовмещаю-

75

щих карбонатных пород, исследование гидрогеохимической зональности подземных вод (по степени минерализации).

Таким образом, в результате бурения скважин и геофизических исследований устанавливается геолого-литологический разрез, условия залегания и распространения выбранного под разведку продуктивного водоносного горизонта. Результаты изучения геологического строения позволяют выявить граничные условия фильтрационного потока в плане и разрезе и обосновать расчетную схему разведочного участка.

Согласно Инструкции ГКЗ для участка водозабора составляется геологическая карта и разрезы, отражающие геологическое строение. Выбор масштаба такой карты определяется необходимостью отразить распространение проницаемых и водоупорных толщ, их литологический состав.

76

Раздел 3. Методика гидрогеологических исследований

Тема 3.1. Гидрогеологические исследования на месторождениях полезных ископаемых

План:

3.1.1.Стадии исследований и виды работ

3.1.2.Методы определения притоков воды в горные выработки

3.1.3.Способы и средства осушения месторождений полезных ископае-

мых

3.1.4. Осушение месторождений полезных ископаемых и защита окружающей среды

3.1.1. Стадии исследований и виды работ

Гидрогеологические условия имеют значительное, нередко решающее значение при оценке разведанных месторождений. Изучение гидрогеологических и инженерно-геологических условий проводится одновременно с геологоразведочными работами по этапам и стадиям.

Выделяется три основных этапа изучения гидрогеологических условий на месторождениях полезных ископаемых: региональная геологическая съемка; поиски месторождений; разведка и эксплуатация.

На первом этапе проводится комплексная геолого-гидрогеологическая, маршрутная или площадная съемка в масштабах 1:25000 – 100000 и мельче, которой предшествует сбор и изучение всех фондовых и опубликованных материалов по району предстоящих работ. В процессе ведения съемки осуществляется наблюдение за источниками, колодцами, собираются материалы по действующим и недействующим скважинам.

На втором этапе выполняются стадии поисков и поисково-оценочных работ. Геолого-гидрогеологическая съемка проводится в более крупном масштабе: в сложных тектонических условиях – 1:25000, на месторождениях платформенного типа – 1:50000. Бурятся одиночные гидрогеологические скважины для производства опытно-фильтрационных работ, устанавливается количество водоносных горизонтов, их состав, мощность, глубина залегания, величина напоров, определяется взаимосвязь водоносных горизонтов между собой и поверхностными водотоками. Наиболее полно приводится характеристика основного водоносного горизонта, за счет которого будут поступать воды в горные выработки. Число гидрогеологических скважин должно составлять 15– 20 % от количества, проектируемого на стадии разведки. Опытные откачки из основных водоносных горизонтов должны проводиться не менее чем из 1–2 опытных скважин, закладываемых на участках карьера или шахтного поля. Характеристика физико-механических свойств горных пород

77

определяется по показателям проходки (категория буримости пород), а также по лабораторным исследованиям образцов.

На разведочной стадии получают все основные данные о водоносных горизонтах, связи их между собой и поверхностными водотоками; оценивают водопритоки в разведочные и эксплуатационные горные выработки, разрабатывают мероприятия по борьбе с подземными водами, проводят инженерногеологические исследования; изучают влияние осушения на окружающую среду и решают вопросы водоснабжения будущих горных предприятий.

На стадии разведки проводится комплексная гидрогеологическая съемка масштаба 1:50000 – 1:25000 на месторождениях платформенных областей и 1:25000 – 1:10000 – горно-складчатых областей. Съемка сопровождается полевыми геофизическими методами.

Глубина гидрогеологических скважин должна быть на 30–50 м больше глубины оценки запасов полезного ископаемого, а конструкция – обеспечивать возможность качественного опробования водоносного горизонта. Количество скважин должно составлять 10–25 % от числа всех пробуренных на месторождении [3].

Для определения усредненных параметров водоносных горизонтов проводятся 3–5 одиночных и 2–3 кустовые откачки на месторождениях, разрабатываемых открытым способом. Лучи наблюдательных скважин закладываются вкрест простирания бортов карьера. При подземном способе отработки опытно-фильтрационные работы проводятся на ближайших к горным выработкам площадях – 5–8 опытных одиночных откачек и 3 кустовые.

На стадии разведки проводятся наблюдения за режимом подземных и поверхностных вод. Режимные наблюдения проводятся не менее одного года в 10 – 15 скважинах, расположенных от области питания к области разгрузки для построения карты гидроизогипс. Результатом режимных наблюдений должны быть прогнозы водопритоков, изменение уровней и химического состава во времени в процессе эксплуатации месторождения.

Независимо от стадии исследований для оценки обводнености необходимо гидрогеологическое обоснование и экономическая целесообразность постановки поисково-разведочных работ.

Стадийное изучение гидрогеологических условий месторождения должно обеспечивать полноту и достоверность гидрогеологических параметров для определения притоков воды в горные выработки, а также охрану окружающей среды при осушении месторождений.

На всех стадиях исследований изучаются следующие вопросы:

1.Площади распространения водоносных горизонтов, их литологический состав, условия залегания, области питания и дренажа, основные черты режима поверхностных и подземных вод.

2.Возможные изменения режима подземных вод в процессе изучения месторождения и влияние этих изменений на взаимосвязь подземных и поверхностных вод.

78

3.Возможные водопритоки в горные выработки и характер мероприятий по борьбе с подземными водами.

4.Общая характеристика источников водоснабжения.

5.Инженерно-геологические условия территории.

Для обеспечения достоверной информации, учитывая стадийность изучения подземных вод, выполняются следующие виды гидрогеологических исследований: сбор, обобщение и обработка материалов предшествующих работ; рекогносцировочное гидрогеологическое обследование; гидрогеологическая съемка; разведочные работы; опытно-фильтрационные работы; наблюдения за режимом подземных вод; опробование и лабораторные работы.

Сбор, обобщение и обработка материалов предшествующих работ

проводятся на начальных стадиях изучения подземных вод. Основное внимание уделяется сведениям о геологическом строении и гидрогеологических условиях района, о режиме работы действующих водозаборов и отдельных эксплуатационных скважин.

Рекогносцировочное обследование проводится с целью уточнения гра-

ниц участка, предварительного изучения геоморфологических, геологических и гидрогеологических особенностей, выявление технико-экономических условий проведения различных видов разведочных работ.

Гидрогеологическая съемка – это комплекс полевых исследований для изучения и картирования гидрогеологических условий территории: количество водоносных горизонтов и комплексов, условия их залегания, закономерности распространения водоносных толщ и различных типов подземных вод и их качество.

Разведочные работы состоят из проходки буровых скважин, реже шурфов, канав и т.д. Гидрогеологические скважины позволяют изучить гео- лого-литологический разрез, мощность водоносного горизонта, положение уровня и высоту напора.

Опытно-фильтрационные работы проводятся для определения гидрогеологических параметров. Поскольку опытно-фильтрационные работы являются основным видом работ, рассмотрим подробнее методику их проведения.

Основной и наиболее распространенный вид опытных работ – откачки. При глубоком залегании подземных вод или слабой водообильности пород применяются наливы в скважины, при изучении фильтрационных свойств пород зоны аэрации – наливы в шурфы.

Откачка – это принудительный отбор воды из водозаборных сооружений с помощью водоподъемников. Откачки подразделяются на пробные, опытные, групповые и опытно-эксплуатационные.

Пробные откачки проводятся при поисках и разведке подземных вод для предварительной оценки водообильности, качества вод и фильтрационных свойств пород. Откачки кратковременные и проводятся на одну ступень понижения.

79

Опытные откачки – основной вид работ при разведке месторождений подземных вод. Они проводятся для определения дебита Q, удельного дебита q, зависимости дебита от понижения, коэффициента фильтрации Kф, коэффициентов уровнеили пьезопроводности (æ или а), радиуса влияния R и приведенного радиуса Rпр.

При наличии наблюдательных скважин определяются размеры и темпы роста депрессионной воронки, связь между водоносными горизонтами, водоотдача μ, показатель несовершенства скважин ξ и т.д. продолжительность окачек 5–15 сут. Количество ступеней понижения от одной до четырех.

Групповые откачки проводятся одновременно из нескольких скважин для изучения взаимодействия их и определения гидрогеологических параметров на тех участках, где откачка из одной скважины не может обеспечить нужного понижения.

Опытно-эксплуатационные откачки проводятся из одной или несколь-

ких разведочно-эксплуатационных скважин при завершении разведки подземных вод в сложных гидрогеологических условиях для установления закономерностей изменения уровней подземных вод или их качества при заданном дебите в течение длительного времени (один – три месяца).

Проектирование кустовой откачки начинают с выбора схемы куста – количества скважин и их взаимного расположения [3]. В центре куста располагается опытная скважина (или несколько), а в виде лучей к ней – наблюдательные. Минимальное число лучей в кусте – один, максимальное – четыре, а количество наблюдательных скважин на них – не менее трех. По одному лучу располагают скважины с четной нумерацией, по другому – с нечетной. Расстояние от опытной до соответствующей наблюдательной скважины определяется по полуэмпирической формуле = ,

где r1 – расстояние до ближайшей наблюдательной скважины; n – номер наблюдательной скважины; а – коэффициент, подобранный путем численного анализа, равный для напорных вод 2,5, для грунтовых – 1,5.

Ближайшую скважину располагают на расстоянии r1, примерно равном мощности водоносного горизонта. Максимальное расстояние от опытной скважины до самой дальней наблюдательной для грунтовых вод составляет 150 м, для напорных – 1500 м.

Расход при откачках определяется необходимостью снижения уровня в опытной скважине не менее чем на 3 м в безнапорных и не менее 5 м в напорных водах. В наиболее удаленных наблюдательных скважинах снижение уровня не должно быть менее 15–30 см.

Продолжительность одиночных откачек определяется их назначением и гидрогеологическими условиями, но не должна превышать 15 суток, а для опытных кустовых определяется соотношением

80