Изучение гидрогеологических условий месторождений в процессе их эксплуатации

Основные задачи гидрогеологического обслуживания горнодобывающих предприятий

Гидрогеологическое обслуживание горнодобывающих предприятий позволяет получить более полные сведения о распространении, условиях залегания, питания, фильтрационных свойствах и режиме водоносных горизонтов и поведении пород при вскрытии и эксплуатации месторождения. Вновь полученные данные позволят своевременно проводить комплекс мероприятий по планомерному осушению горных выработок и предупреждению их обводнения, которое может возникнуть в процессе эксплуатации месторождения.

Главной целью гидрогеологического обслуживания горнодобывающих предприятий является своевременное их обеспечение материалами, необходимыми для обоснования и проведения технически и экономически рациональной эксплуатации месторождения. Гидрогеологические наблюдения должны способствовать безопасному проведению всех видов горных работ.

Основными задачами гидрогеологической службы горнодобывающего предприятия является:

• гидрогеологические и инженерно-геологические наблюдения и исследования;
• прогноз возможных изменений гидрогеологических и инженерно-геологических условий месторождения в процессе его эксплуатации, а также возможных водопритоков в горные выработки;
• разработка и обоснование мероприятий по борьбе с поверхностными и подземными водопритоками;
• прогноз изменения химического состава подземных (шахтных) вод и возможности вредного влияния их на горное оборудование;
• определение возможности использования шахтных вод для водоснабжения;
• разработка мероприятий по охране источников водоснабжения от истощения вследствие влияния эксплуатации месторождения;
• изучение гидрохимических особенностей месторождения с целью выявления новых параллельных или слепых рудных тел;
• определение параметров устойчивости полезного ископаемого и вмещающих пород;
• исследование возможного влияния используемых систем разработки месторождения на его гидрогеологические и инженерно-геологические особенности;
• анализ и обобщение материалов по гидрогеологии и инженерной геологии эксплуатируемого месторождения и разработка мероприятий по рационализации методов гидрогеологических и дренажных работ.

Для выполнения выше отмеченных задач в штате гоологического отдела горнодобывающего предприятия необходимо иметь специалистов соответствующего профиля. Гидрогеологические наблюдения должны проводиться в соответствии с Инструкцией по гидрогеологическому обслуживанию горнодобывающего предприятия, утверждаемой руководством этого предприятия или вышестоящей организацией.

Проведение гидрогеологических наблюдений на действующем руднике

В целях осуществления выше отмеченных задач работники гидрогеологической службы проводят систематические исследования и наблюдения в горных выработках и на поверхности месторождения за режимом поверхностных и подземных вод и физико-геологическими явлениями в пределах шахтного поля.

Гидрогеология месторождения первоначально изучается в ходе геологоразведочных работ одновременно с изучением геологического его строения. В геологическом отчете с подсчетом запасов, представляемом в ГКЗ, вопросам гидрогеологической характеристики месторождения отводится специальная глава, в которой дается описание всех водоносных горизонтов и их состава, устанавливаются статические уровни вод, гидростатические напоры, коэффициенты фильтрации вод в различных породах и т; п. и, наконец, вычисляются возможные притоки вод в момент вскрытия месторождения и при развитии работ на нем.

Таким образом, рудничный геолог или гидрогеолог еще до начала подготовки месторождения к эксплуатации располагает необходимой информацией по гидрогеологической характеристике месторождения. Однако на атом не заканчивается изучение гидрогеологии месторождения, оно должно продолжаться, как и изучение геологии месторождения, в процессе его эксплуатации, поскольку в процессе разведки все выводы и заключения по гидрогеологии месторождения делаются на основании ограниченных и не вполне достоверных данных. Это относится и к расчетам ожидаемых притоков вод.

Можно привести многочисленные примеры, когда вычисленные цифры ожидаемых притоков вод в горные выработки оказались заниженными или завышенными в несколько раз, когда не были учтены отдельные обводненные зоны и т. д. Так, проходка ствола шахты Первомайской на Покровском желозпом руднике проектировалась при притоке 50 м³/ч, в действительности же приток достигал 450 м³/ч, то вызвало значительное увеличение сроков строительства шахты. Разработка Полуночного марганцевого месторождения но проекту должна была производиться при незначительных притоках воды, по в действительности, была встречена обводненная тектоническая зона, вода из которой затопила все горные выработки.


Таким образом, гидрогеологические наблюдения и соответствующая документация должны начинаться уже при вскрытии месторождения и продолжаться на протяжении всего периода его эксплуатации.

В начальный период, перед организацией систематических гидрогеологических наблюдений, рудничный геолог или гидрогеолог обязан собрать и образовать все геологические, гидрогеологические материалы по району и участку месторождения. Это позволит выяснить гидрогеологические особенности месторождения и наметить пути борьбы с рудничными водами. Как показывает опыт, эффективная борьба с подземными водами может быть обеспечена только при условии хорошей организации гидрогеологической службы.

Рудничный геолог или гидрогеолог должен обеспечить систематические гидрогеологические наблюдения при проходке разведочных, капитальных, подготовительных и эксплуатационных выработок. При проходке шахтных стволов рудничный геолог должен точно определить водоприток из каждого пересекаемого водоносного горизонта. Эти данные заносятся в специальные журналы гидрогеологических наблюдений.

При проходке горноподготовительных и очистных выработок имеется возможность изучить характер и степень трещиноватости и водоносности вмещающих пород, а также степень водоносности рудного тела. Благодаря тщательной документации горноподготовительных и очистных выработок можно установить основное направление трещиноватости вмещающих пород, выделить тектоническую трещиноватость, изучить характер пустот различного происхождения.

Результаты изучения режима подземных вод в горных выработках могут быть более полноценными, чем результаты, полученные при специальных гидрогеологических исследованиях, так как в горных выработках имеется возможность непосредственно наблюдать за условиями движения вод в водоносных горизонтах, изменением напоров при вскрытии их горными выработками на различных глубинах.

Следует отметить, что сложные гидрогеологические условия, требующие организации специальной гидрогеологической службы и постоянных гидрогеологических наблюдений, имеются не на всех рудниках. Ряд месторождений залегает выше уровня грунтовых вод или вблизи от этого уровня, гидрогеологические условия здесь являются простыми и при их разработке не приходится иметь дело с грунтовыми водами.


Ниже дается классификация месторождений по гидрогеологическим условиям, из которой видно, что эти условия могут быть весьма различными, от самых простых до наиболее сложных.

Группировка месторождений по гидрогеологическим: и инженерно-геологическим условиям
Гидрогеологические и инженерно-геологические условия месторождений твердых полезных ископаемых весьма разнообразны и зависят от многочисленных факторов. Основными факторами, влияющими на обводненность месторождения или инженерно-геологические условия его эксплуатации, являются:

• наличие на месторождении или вблизи его границ поверхностных водотоков или водоемов;
• мощность и литологический состав пород, напоры воды па кровлю пласта, взаимосвязь водоносных горизонтов;
• напоры подземных вод на почву пласта или на нижние горизонты разработок полезного ископаемого;
• физико-механические свойства песчано-глинистых пород, степень трещиноватости и тектонической нарушениости вмещающих пород и полезного ископаемого, наличие или отсутствие закарстованности в рудном теле и во вмещающих породах;
• степень изоляции полезного ископаемого водоупорными слоями;
• характер современного и погребенного древнего рельефа;
• принятая система разработки месторождения;
• положение месторождения но отношению к местному базису эрозии и отдельным водоносным горизонтам;
• положение месторождения по отношению к поверхностным водоемам и водотокам, связь последних с водоносными горизонтами и сильно трещиноватыми, тектоническими зонами и карстами;
• физико-географические условия района, определяющие возможность накопления подземных вод;
• наличие многолетней мерзлоты или таликов (немерзлой породы), положение месторождения по отношению к мерзлотному массиву и т. п.

Естественно, что при таком разнообразии факторов разработка компактной и удовлетворительной группировки месторождений но гидрогеологическим условиям весьма затруднительна.

Разработкой такой группировки в последние годы занимались многие советские гидрогеологи. По степени сложности и трудности промышленного освоения месторождения подразделяются на четыре группы.

• Группа I — месторождения с простыми гидрогеологическими и инженерно-геологическими условиями.
• Группа II — месторождения с гидрогеологическими и инженерно-геологическими условиями средней сложности.
• Группа III — месторождения со сложными гидрогеологическими и инженерно-геологическими условиями.
• Группа IV — месторождения с очень сложными гидрогеологическими и инженерно-геологическими условиями.

Месторождения группы I характеризуются следующими природными факторами:

• месторождения залегают выше местного базиса эрозии;
• месторождения залегают ниже местного базиса эрозии, но физико-географические и геолого-тектонические условия не благоприятствуют интенсивному питанию и накоплению подземных вод;
• водопритоки в шахту шли карьер не превышают 100—200 м³/ч;
• породы в горных выработках устойчивы;
• месторождения но требуют специальных осушительных мероприятий (Печенга, Коунрадское и др.).

Для месторождений группы II характерны следующие природные факторы:

• месторождения расположены ниже местного базиса эрозии;
• геолого-тектонические и физико-географические условия благоприятствуют питанию подземных вод;
• с поверхностными водотоками и водоемами водоносные горизонты месторождения связи не имеют;
• руд о вмещающие породы обычно перекрыты рыхлыми образованиями различной мощности (до 15 м), которые в откосах карьеров подвергаются разрушению;
• приток воды в шахту или карьер колеблется от 200 до 500 м³/ч, в связи с чем иногда необходимо проведение комплекса мероприятий по предварительному осушению или снижению напора подземных вод (Алапаевское, Березовское и др.).

Характерными природными факторами для месторождений группы III являются следующие:

• геолого-тектонические и физико-географические факторы весьма благоприятны для накопления значительных запасов подземных вод, локализующихся в рыхлых образованиях;
• поверхностные водотоки и водоемы расположены вблизи шахты или карьера;
• притоки воды в горные выработки достигают 500—1000 м³/ч;
• рудовмещающие породы весьма неустойчивы и характеризуются слабой водоотдачей, в связи с чем до вскрытия и эксплуатации месторождения требуется проведение предварительных мероприятий по осушению или снижению напора подземных вод.

Для месторождений группы IV характерны следующие природные факторы:

• рудовмещающие породы перекрыты мощной толщей рыхлых образований, обильно насыщенных водой;
• водоемы и водотоки расположены вблизи шахтного поля;
• притоки воды в горные выработки колеблются от 1000 до 2000 м³/ч;
• перед началом горных работ требуется проведение большого объема работ по осушению или снижению напора подземных вод.

По степени сложности гидрогеологических условий в каждой из выше отмеченных четырех групп выделяются типы месторождений с простыми, сложными и очень сложными гидрогеологическими условиями. Ниже приводится краткая характеристика выше отмеченных типов месторождений и отдельных их подтипов.

Месторождения группы I приурочены к песчано-глинистому несцементированному комплексу пород. К этой группе относятся многочисленные месторождения бурого угля {Урал, Украина, Подмосковный бассейн), марганцевых руд (Никополь, Урал), россыпные месторождения золота, платины и других металлов, месторождения огнеупорных глин, кварцевых песков, трепела, фосфоритов, бурых железняков (Урал, Тула, Липецк) и др. Многие из этих месторождений залегают на относительно небольшой глубине и разрабатываются открытым способом, часть месторождений разрабатывается подземным способом. Месторождения рассматриваемой группы подразделяются на три типа.

Тип Iа. К этому типу относятся месторождения с простыми гидрогеологическими условиями, которые определяются залеганием полезного ископаемого выше местного базиса эрозии или физико-географической обстановкой, не способствующей накоплению подземных вод; тектонические нарушения и карсты отсутствуют, поверхностных водоемов и водотоков вблизи, месторождений нет.

При разработке таких месторождений открытым способом водоотлив или не требуется, или он применяется лишь для откачки накапливающихся в карьере атмосферных осадков и небольших притоков грунтовых вод из маломощных водоносных горизонтов, покрывающих месторождение, или из почвы карьера. Образование устойчивых откосов в карьере затруднений не вызывает. При подземной разработке месторождений гидростатический напор в горных выработках не превышает 5—10 м, а общий приток воды в шахту — 100 м³/ч.

Предварительное водопонижение в этих условиях не требуется, специальная гидрогеологическая служба на руднике не организуется.

Гидрогеологическая документация проводится работниками геологической службы и ограничивается регистрацией сбрасываемых рудником вод (по учету времени работы насосов) и простейшими наблюдениями.

Тип Iб. К этому типу относятся месторождения со сложными гидрогеологическими условиями, зависящими от залегания полезного ископаемого значительно ниже уровня подземных вод и от физико-географической обстановки, благоприятствующей пополнению запасов подземных вод; в ряде случаев в толще пород висячего бока имеются обводненные пески, иногда тектонически нарушенные зоны или карсты, но не связанные с поверхностными водотоками и- водоемами.

Обводненность этих месторождений значительная и в условиях карьерной разработки приходится применять мощные водоотливные средства для создания устойчивых откосов в карьере и,во избежание в нем оползневых явлений часто ведется углубка карьера с опережением вододонижения.

При подземной разработке таких месторождений гидростатическое давление достигает 5—7 кгс/см³, а приток воды в шахту — 200—200 м³/ч и более.

При наличии тектонически нарушенных зон в пределах их могут создаваться условия, способствующие прорыву воды в горные выработки. Такой прорыв имел, например, место на Полуночном марганцевом руднике в 1948 г. Приток воды в шахту в момент прорыва достигал 3000 м³/ч, а в дальнейшем установился на уровне 500 м3/ч, Для нормальной работы рудника пришлось проводить водононижение. Был создан цех водопонижения, который бурил скважины диаметром до 300 мм; для откачки воды применялись глубинные насосы АТН-10 и АТН-6. Через два года водопонижение составило 60 м, что дало возможность вести эксплуатационные работы в нормальных условиях. На глубине 80 м, с которой ведется откачка воды из скважин, приток воды в настоящее время достигает 300 ми/ч.

Тип Iв. Месторождения этого типа находятся в аналогичных с типом 16 гидрогеологических условиях, усложняемых наличием вблизи от месторождений водотоков или водоемов, связанных с водоносными горизонтами месторождения или с тектоническими зонами.

При разработке таких месторождений приходится иметь дополнительно значительную мощность водоотливных установок в карьере или шахте а в ряде случаев осуществлять специальные мероприятия по изоляции водоемов от просачивания или прорыва воды в карьер. Притоки воды в шахте при отсутствии специальных мероприятий могут достигать 500—800 м³/ч и более.

В таких условиях находится, например, участок «Тягун» Зыряновского железного рудника Алапаевской группы месторождений железных руд Здесь доказана связь грунтовых вод участка с протекающей поблизости р. Нейвой, Для исключения возможности попадания речных вод в горны выработки на атом участке запроектирована проходка скважин, оборудуемых глубинными насосами. Вдоль этой линии будет создана дополнительная депрессионная воронка и воды, поступающие со стороны реки, буду перехвачены этими скважинами.

Естественно, что при разработке месторождений со сложными и особенно сложными гидрогеологическими условиями на рудниках должны быть создана специальная гидрогеологическая служба, осуществляющая водопонижение, регистрирующая уровни грунтовых вод в различны: пунктах месторождения и развитие депрессионной воронки, а также водопритоки в различных выработках и т. п. При отсутствии специального гидрогеологического аппарата в составе геологической службы должен быт опытный гидрогеолог, под руководством которого и при его участии должны проводиться все гидрогеологические наблюдения и специальны работы.

Месторождения группы II приурочены к скальному или полускальному комплексу пород, К этой группе относятся многочисленные мест< рождения, железных руд {Кривой Рог, Урал, Сибирь), угля (Донбасс, Кузбасс, Урал), цветных и редких металлов, строительного камня и др. Месторождения обычно залегают на различной глубине, часть из них залегает на относительно небольшой глубине или даже выходит на поверхность и разрабатывается или может разрабатываться открытым способом.

Водообильность этой группы месторождений зависит от степени трещиноватости и тектонической раздробленности пород и размеров областей распространения и условий питания водоносных горизонтов и размеров трещинных тектонических зон.

Тип ШШа. К этому типу относятся месторождения с простыми гидрогеологическими условиями, зависящими от физико-географических условий, неблагоприятствующих накоплению подземных вод, от отсутствия вблизи месторождения крупных водотоков и водоемов и пересекающих их крупных тектонических нарушений. Месторождения этого типа часто разбиты на мелкие блоки с ограниченными областями питания водоносных горизонтов.

В условиях карьерной разработки для таких месторождений характерны небольшие притоки вод, обычно довольно быстро дренируемых; первоначальный приток при углубке карьера на новый горизонт сравнительно быстро снижается до незначительных размеров.

При подземной разработке месторождений, находящихся в указанных гидрогеологических условиях, приток воды в шахту не превышает 100 м³/ч.

Тип IIб. Месторождения этого типа характеризуются сложными гидрогеологическими условиями, обусловленными физико-географической обстановкой, благоприятствующей питанию водоносных горизонтов, развитых на месторождении. В ряде случаев рудовмещающая толща включает водоносные пески или трещиноватые карбонатные породы, а также крупные водообильные тектонические зоны.

Обводненность таких месторождений значительная, при вскрытии новых горизонтов в карьере или шахте водопритоки весьма значительные, в ряде случаев в несколько раз превышающие нормальные, которые устанавливаются по истечении того или иного отрезка времени.

Примером месторождений этого типа является Высокогорское железорудное месторождение. В 1952 г. нижней площадкой Высокогорского карьера являлась площадка с абсолютной отметкой +130 м (глубина 90 м). Приток воды в карьер из трещиноватых известняков лежачего бока составлял 200—250 м³/ч. Для дальнейшей углубки карьера в известняках были пройдены дренажные скважины, которые, вскрыли новые водообильные системы трещин. Уровень депрессионной воронки в области карьера повысился, скважины начали фонтанировать и общий приток в карьер повысился до 900 м³/ч. По мере откачки вековых запасов воды приток постепенно снизился и достиг 500 м³/ч; на этом уровне он остается и но настоящее время, хотя карьер дополнительно углублен на 20 м.

Совершенно очевидно, что при разработке месторождений данного типа необходимо постоянно следить за развитием и изменением депрессионной воронки и вести другие основные гидрогеологические наблюдения, для чего на руднике должна быть организована гидрогеологическая служба.

Тип IIв. Месторождения этого типа отличаются от месторождений типа IIб наличием крупных водотоков или водоемов, в той или иной мере сообщающихся с водоносными горизонтами или с зонами тектонических нарушений. Водообильность таких месторождений весьма значительна. При вскрытии новыми эксплуатационными горизонтами трещиноватых зон здесь также значительно увеличивается приток воды, в связи с чем подготовка новых горизонтов к эксплуатации должна проводиться с необходимой осторожностью при наличии резервных водоотливных средств.

Приток воды в шахту может достигать на месторождениях этого типа 500—600 м³/ч и более.

Месторождения группы III залегают в карбонатных породах, характеризующихся значительной закарстованностью. К этой группе относятся месторождения различных полезных ископаемых — бокситов, никелевых руд, угля (Кизеловский бассейн), гипса, горючих сланцев (Прибалтика) и др., обводненность которых связана с сильно трещиноватыми и закарстованнымн известняками и доломитами.

Тип IIIа. Сравнительно несложные гидрогеологические условия месторождений этого типа обусловлены, по-первых, залеганием их выше или вблизи от местного базиса эрозии, во-вторых, физико-географической обстановкой, не благоприятствующей пополнению запасов подземных вод. Благодаря отмеченным особенностям первоначальная обводненность месторождений, если она имела место, сравнительно быстро снижается и разработка их осуществляется при ограниченном использовании водоотливных средств. Максимальный возможный приток воды в шахту при разработке месторождений этого типа составляет 150 м³/ч.

Тип IIIб. Сложные гидрогеологические условия месторождений этого типа обусловлены значительным гидростатическим давлением карстовых вод. При разработке месторождений имеют место значительные притоки вод, часто незакономерно повышающиеся при вскрытии новых карстовых зон. В связи с этим при разработке необходимо иметь значительный резерв мощности водоотливных установок.

Тип IIIв. Весьма сложные гидрогеологические условия месторождений этого типа обусловлены залеганием их значительно ниже местного базиса эрозии, среди мощной толщи водоносных закарстованных карбонатных пород. Физико-географическая и геолого-тектоническая обстановка благоприятствует усиленному питанию подземных вод, в пределах месторождения имеются крупные поверхностные водотоки, водоемы и суходолы, область питания известняков характеризуется значительными размерами. На месторождениях развиты крупные тектонические нарушения. Отмеченные особенности месторождений обусловили весьма интенсивную обводненность месторождений, в связи с чем необходимо проводить постоянный специальный надзор за гидрогеологическими условиями и водопритоками в горные выработки. Приток воды в шахту может достигать в условиях этих месторождений 1500 м³/ч.

К группе IV относятся месторождения, залегающие в зоне многолетней мерзлоты; например, место рождения различных полезных ископаемых северной части СССР, залегающие в слое многолетнемерзлых пород либо под этим слоем.

Б условиях многолетней мерзлоты гидрогеологические особенности месторождения определяются их положением по отношению к таликам, развитым обычно в мерзлотном массиве, главным образом под крупными реками и водоемами.

Тип IVa. Простые гидрогеологические условия месторождений этого типа обусловлены залеганием полезного ископаемого в толще многолетнемерзлых пород или выше местного базиса эрозии. Некоторое усложнение гидрогеологических условий разработки этих месторождений связано с оттаиванием мерзлотного слоя вблизи от горных выработок, в результате чего притоки воды в горные выработки могут постепенно возрастать.

Тип IVб. Месторождения этого типа находятся в сложных гидрогеологических условиях, обусловленных их приуроченностью к подмерзлотной талой зоне водоносных пород. По этой причине притоки коды в горные выработки здесь значительны и для обеспечения нормальных условий при проходке горных выработок необходимы соответствующие меры борьбы с водопритоками.

Тип IVв. Очень сложные гидрогеологические условия этого типа месторождений обусловлены наличием вблизи них крупных поверхностных водотоков или водоемов, имеющих связь с водоносными горизонтами месторождения. В ряде случаев эта связь возникает в процессе эксплуатации месторождения. Для обеспечения нормальных условий производства горных работ на месторождениях требуется выполнение специальных мероприятий по борьбе с подземными водами.

Из приведенного обзора видно, что гидрогеологические условия многих месторождений являются сложными или весьма сложными, в связи с чем необходимо систематическое их изучение для разработки мероприятий по борьбе с подземными водами и по предупреждению аварийных прорывов воды в горные выработки. Таким изучением, как отмечено выше, занимается геологическая или специальная рудничная гидрогеологическая служба.

Направление работ по изучению гидрогеологических условий месторождений

В карьерах и шахтах, вскрывающих месторождения ниже уровня грунтовых вод, наряду с геологической документацией необходимо производить систематическую гидрогеологическую документацию, детальное изучение общей трещиноватости пород и руд, а также сильно трещиноватых и карстовых зон, последние часто имеют решающее влияние на обводненность месторождений и развитие оползневых явлений в карьерах.

Независимо от степени сложности гидрогеологических условий месторождения в процессе его разведки, а также от геологического и гидрогеологического изучения прилегающего района должны быть с той или иной степенью детальности и достоверности выявлены и уточнены:

• площади распространения водоносных горизонтов, условия их залегания, области питания и дренажа, литологический состав слагающих их пород и основные особенности режима подземных и поверхностных вод;
• положение месторождения по отношению к ближайшим рекам и водоемам, возможность фильтрации или прорыва вод из них в горные выработки;
• размер ожидаемых во до притоков в горные выработки, включая глубокие горизонты месторождения и мероприятия по борьбе с подземными водами;
• возможные изменения режима подземных и поверхностных вод в процессе эксплуатации месторождения и связанные с ними изменения водопритоков;
• возможности предварительного осушения рудных тел с целью улучшения условий производства горных работ;
• возможные варианты расширения водоснабжения предприятия;
• инженерно-геологические условия на участке месторождения.

В дальнейшем все полученные данные уточняются на основе специальных гидрогеологических работ, наблюдений при эксплуатационных разведках, систематической гидрогеологической документации в процессе эксплуатации место рождения и стационарных наблюдений за режимом подземных и поверхностных вод.

Гидрогеологические наблюдения в карьере или шахте включают:

• систематическую регистрацию общего притока воды, установление сезонных колебаний и других закономерностей количественного к качественного изменения водопритока;
• регистрацию водопритоков из отдельных толщ или массивов горных пород, отдельных зон, горизонтов, участков и забоев месторождения, а также выявление закономерности изменения водопритока с глубиной, скорости дренирования водоносных горизонтов, вскрытых горными выработками и дренажными сооружениями;
• установление характера водопритоков в отдельных пунктах месторождения и зависимости их от строения пород и тектонической их нарушенности;
• регистрацию уровней воды в специальных наблюдательных скважинах, если они на руднике имеются;
• регистрацию отметок появления воды в скважинах эксплуатационной разведки, устанавливающихся уровней в них, фактов потери нагнетаемой в скважины воды, наблюдения за развитием депрессионной воронки, возникающей при откачке воды из горных выработок;
• установление температур грунтовых вод и степени их минерализации;
• регистрацию уровней воды в соседних с карьером или шахтой источниках и водоемах;
• изучение сильно трещиноватых и карстовых зон, степени их обводненности, взаимосвязи и связи их с водоемами;
• специальное изучение общей трещиноватости руд и пород, слагающих месторождение.

Для выполнения этих задач рудничный геолог или гидрогеолог организует систематическое изучение колебаний уровней воды в специальных наблюдательных скважинах и горных выработках, расположенных в пределах эксплуатируемого шахтного поля и прилегающих к нему участков месторождения.

Главное внимание необходимо уделять изучению выходов подземных вод в горные выработки и установлению их приуроченности и тому или иному литологическому горизонту пород. Выходы подземных вод, представляющие наибольший интерес в гидрогеологическом отношении, подвергаются специальному изучению (дебит воды, ее температура и химический состав в различные периоды года).

Все результаты гидрогеологических наблюдений должны фиксироваться в специальном журнале гидрогеологических наблюдений, где отмечаются размеры притоков и характер поступления подземных вод в горные выработки, постепенное увеличение водопритоков в горные выработки или появление значительных масс подземных вод после производства буровзрывных работ.

Наряду с этим в журнале гидрогеологических наблюдений отмечается интенсивность капежа, площадь его распространения и другие водопроявления, устанавливаемые в пределах горных выработок.

Гидрогеологические наблюдения в горных выработках следует сопровождать геологическими зарисовками обнажений в местах выходов подземных вод, отражать эти наблюдения на погоризонтных геологических планах и разрезах.

При наличии па руднике различных дренажных устройств, например дренажных скважин, сквозных и забивных фильтров, колодцев и пр., устанавливают постоянное наблюдение за их дебитом, температурой и химизмом вод. Результаты наблюдений за дренажными устройствами фиксируют в журнале гидрогеологических наблюдений.

Правильное определение водопритоков в горные выработки имеет большое практическое значение, так как на основе этих данных разрабатываются профилактические меры по борьбе с рудничными водами.

Наиболее часто основная масса воды в штреках поступает из груди забоя, а в квершлагах обычно из всех частей выработки на всем ее протяжении. Для определения количества воды, поступающей в горные выработки, недалеко от забоя последних проходят неглубокий зумпф, в который собирается вода. Откачка воды из этого зумпфа насосом необходимой производительности позволит определить водоприток в горные выработки за любой отрезок времени.

Другой способ определения дебита подземного источника заключается в устройстве водосливов треугольной, трапецеидальной или прямоугольной формы, в которых замеряют высоту вытекающей струи воды. Таким образом определяют сечение струи и по таблицам в гидрогеологических и гидротехнических справочниках находят размер дебита.

Размер общего притока воды в карьер или шахту определяют замерами в пункте сброса его из водоотливных труб при помощи водосливов, наполнением сосудов известной емкости, по регистрации времени работы водоотливных насосов (при известной их производительности) или, наконец, по скорости заполнения водосборника при выключении насосов (при известной емкости водосборника или известном его сечении).

Данные систематических определений притока воды в карьер или шахту оформляют в виде графиков, по оси абсцисс которых откладывают те или иные отрезки времени (сутки, недели, месяцы), а по оси ординат— средние притоки воды в карьер за соответствующие отрезки времени. Эти графики отражают сезонные колебания притоков, повышение притоков при вскрытии новых нижележащих горизонтов месторождения или при вскрытии трещиноватых и карстовых зон, а также колебания, связанные с ливневыми явлениями и т. п. Даты этих явлений с указанием их характера отмечают на графиках.

Количество воды, поступающей из отдельных толщ, массивов, зон, участков и забоев, определяют при помощи водосливов или путем приближенной визуальной оценки отдельных притоков, чаще всего в процентах от суммарного притока в карьер. Эти данные можно указывать на графиках общего притока в карьер.

Данные о притоках воды из отдельных толщ, массивов горных пород и отдельных трещинных зон месторождения и сведения о характере истечения воды из них позволяют прогнозировать возможные водопритоки по мере развития горных работ и вскрытия водонасыщенных участков.

Уровни воды в скважинах и колодцах определяют замеряя хлопушками расстояние до воды от устья этих выработок, а в водоемах регистрируют до специально установленным рейкам. Полученные абсолютные отметки уровней воды в различных точках месторождения на определенную дату оформляют в виде карты гидроизогипс, до которой устанавливается характер депрессионной воронки, связанной с откачкой воды из карьера.

Серия последовательно (во времени) составленных карт гидроизогипс позволяет установить направление и скорость развития депрессионной воронки и уточнить прогнозы в отношении дальнейших водопритоков в карьер или шахту.

Температуры грунтовых вод в различных пунктах их истечения определяют непосредственным замером, степень минерализации — соответствующими химическими анализами. Измерение температур воды в неглубоких скважинах производят при помощи так называемого родникового термометра, а в глубоких скважинах — специальным глубинным термометром, рассчитанным на большие давления. Для этих целей используют также герметически закрывающиеся термометрические гильзы, в которых помещают ленивые или максимальные термометры. Измерение температуры воды фонтанирующих скважин, а также воды при откачках производят на дневной поверхности путем погружения родникового термометра или термометра без оправы в струю воды.

Наблюдения за температурой грунтовых вод и степенью менерализа-ции помогают решить вопросы о взаимосвязи отдельных горизонтов грунтовых вод, о связи грунтовых вод с поверхностными водами в водоемах, источниках и т. п. Регистрация уровней воды в соседних с карьером или шахтой источниках и водоемах устанавливает наличие или отсутствие их связи с грунтовыми водами и помогает предотвратить внезапный прорыв воды и катастрофическое затопление карьера или шахты.

При гидрогеологических наблюдениях рудничный геолог (гидрогеолог) должен уделить особое внимание изучению гидрогеологических особенностей различных тектонических нарушений (трещин, сбросов, кли-важаидр.), так как они нередко являются местом прорыва напорных подземных вод и плывунов.

При изучении сильно трещиноватых тектонических зон регистрируют элементы их залегания, мощность и состав пород в пределах этих зон, наличие зияющих трещин, характер истечения воды из этих зон, углы откоса, образуемые породами, слагающими эти зоны, послеживают, насколько это представляется возможным, зоны по простиранию и падению, устанавливают характер взаимного пересечения таких зон в карьере, выясняют наличие их связи с различными водоносными горизонтами и поверхностными водоемами и т. п.

В условиях карбонатных пород тектонические трещинные зоны часто сопровождаются карстами, которые могут быть заполнены обломочным и глинистым материалом или только водой. Объемы таких карстов или серии карстов вдоль трещинной зоны могут достигать многих сотен тысяч, а иногда и миллионов кубических метров, и неожиданное вскрытие их карьером шли подземными выработками может повести к временному затоплению выработок. Поэтому трещиноватые и карстовые зоны старательно прослеживаются и изучаются как в ходе разведочных, так и эксплуатационных работ.

Для установления зон максимальной трещиноватости и закарстован-ности известняков широко применяются также геофизические методы (электропрофилирование, электрозондирование и каротаж скважин).

Изучение трещиноватости пород и установление максимально трещиноватых и карстовых зон имеет большое практическое значение для выяснения характера движения подземных вод, поскольку позволяет при проходке горных выработок заблаговременно принимать профилактические меры против затопления их водой. С этой целью рекомендуется проходку забоя горной выработки опережать скважинами или глубокими шпурами, задаваемыми веерообразно.

При изучении гидрогеологических условий месторождения нельзя ограничиваться только наблюдениями за водопроявлениями в горных выработках рудника. Для многих месторождений количество водопритока в подземные горные выработки находится в прямой зависимости от характера поверхности месторождений. В связи с этим рудничный геолог (гидрогеолог) должен нанести на геологическую карту месторождения все места возможного скопления атмосферных осадков (канавы, ямы, шурфы, карьеры, озера, болота и др.), расположенные в пределах эксплуатируемого шахтного поля.

Таким образом, для правильного определения гидрогеологических условий месторождения необходимо иметь полные данные о водопроявле-ниях как в подземных горных выработках, так и на поверхности месторождения.

Гранулометрический анализ рыхлых пород и определение их пористости

Вода в обводненных рыхлых породах заполняет все поры между зернами. Пористость пород, т. е, относительное количество пустот в породе, зависит от размеров и формы слагающих ее частиц (гранул). Поэтому при изучении водоносности пород выясняют гранулометрический состав их, т. е. определяют процентное содержание частиц различного размера. Гранулометрический анализ рыхлых пород дает основание для определения, их. фильтрационных (водопроводящих) и физико-технических свойств.

Методы гранулометрического анализа различны. Наиболее простым ж широко распространенным методом является ситовый анализ.

Для научения рыхлых пород этим методом необходимо иметь набор сит с отверстиями разного диаметра, например 10, 5, 3, 1,0, 5, 0,25, 0,1 мм. Рыхлую породу помещаютна сито с отверстиями самого крупного диаметра, под которым размещены другие сита с отверстиями последовательно уменьшающегося диаметра. При легком встряхивании мелкие частицы исследуемого материала постепенно просеиваются через сита. Самые тонкие частицы рыхлых пород, задержавшиеся на сите с отверстиями самого малого диаметра, обычно яромываются водой. После этого частицы, задержавшиеся на ситах с отверстиями различного диаметра, сортируют и взвешивают. Определив вес частиц различных диаметров и зная исходный вес исследуемых рыхлых пород, можно определить процентное содержание частиц различного диаметра, входящих в состав исследуемой породы.

При изучении гранулометрического состава рыхлых грунтов пользуются также методом, основанным на разнице скорости падения частиц разного диаметра в спокойной или движущейся воде.

Сущность этого метода заключается в следующем. Навеску испытываемой рыхлой породы, предварительно растертую, помещают в сосуде с водой определенного объема и взмучивают, после чего дают возможность осесть крупным частицам. Затем воду с более мелкими частицами, находящимися во взвешенном состоянии, сливают в другой сосуд. Разбавив определенным объемом воды оставшуюся часть материала, снова его взмучивают и потом сливают. Эти операции проделывают до тех пор, пока сливаемая из сосуда вода но будет содержать мути (будет прозрачной). Осевший материал после выпаривания и высушивания взвешивают и определяют весовое отношение частиц разной крупности.

Имеются и другие методы гранулометрического анализа рыхлых пород, описание которых можно найти в специальных курсах по гидрогеологии.

При проведении гранулометрического анализа рыхлых пород принята следующая классификация фракций но диаметрам частиц (в мм):


Все результаты гранулометрического анализа регистрируют в специальном журнале и для наглядности представляют в виде графиков. Принцип построения графиков следующий. На оси абсцисс откладывают в определенном масштабе диаметры фракций, а на оси ординат — нарастающую сумму процентных содержаний различных фракций — от мелких к крупным (рис. 115).

По данным гранулометрического анализа обычно судят о степени пористости рыхлых пород, которая зависит от размера зерен, однородности материала, их формы и сложения пород. Ниже приводятся данные о средней пористости различных пород и рыхлых отложений (в %):

Специальные работы по изучению водообильиости глубоких горизонтов месторождения

Большое значение для изучения водообильиости глубоких горизонтов месторождения имеют глубокие буровые разведочные или специальные гидрогеологические скважины. Позональное (с интервалом 50 м) опробование откачкой воды из этих скважин до глубин, доступных современной технике, позволяет установить водообильность глубоких горизонтов месторождения.

Для определения водообильиости глубоких горизонтов месторождения используют также геофизические методы. С этой целью воду в буровых скважинах искусственно насыщают поваренной солью и немедленно после этого производят каротаж скважин. Если в скважине наблюдается движение воды по трещинам, то степень засоления воды будет резко падать, что хорошо фиксируется каротажем.

Насыщение воды в скважине поваренной солью производят с целью обеспечения электропроводности раствора. Количество засыпаемой в скважину соли колеблется от 5 до 50 кг и более, в зависимости от глубины скважины, дебита и скорости потока — при небольших глубинах и малом дебите и скорости потоков требуется минимальное количество соли, при глубоких скважинах и больших дебитах а скорости потоков — максимальное. Если глубокие горизонты месторождения не вскрыты разведочными или гидрогеологическими скважинами, степень водообильности этих горизонтов может быть установлена по аналогии с другими сходными месторождениями или методом экстраполяции. Методом экстраполяции для определения ожидаемой водообильности глубоких горизонтов можно пользоваться только в том случае, когда на месторождении будет установлена зависимость расхода шахтных водопритоков от глубины (рис. 116).

Полученные при помощи одного из вышеописанных методов данные о водообильности глубоких горизонтов имеют только предварительный характер. Для окончательной оценки водообильности глубоких горизонтов месторождения необходимо проведение специальных гидрогеологических исследований.

Обработка материалов гидрогеологических наблюдений

По результатам гидрогеологических наблюдений, проведенных в процессе разведки или эксплуатации месторождения, составляют гидрогеологический отчет. В гидрогеологическом отчете или в разделе по гидрогеологии месторождения общего геологического отчета указывают объемы и методику проведенных гидрогеологических работ, приводят данные об уровнях, химизме и температуре вод всех водоносных горизонтов, динамике изменения режима подземных вод. Кроме того, приводят необходимые сведения об общих водопритоках, величине водопритока па единицу длины горных выработок, изменении уровней различных водоносных горизонтов, а также дают характеристику прорыва подземных вод. В отчете должны найти отражение проведенные мероприятия по осушению горных выработок, данные о режиме подземных вод в связи с расширением фронта горных работ или вскрытием: новых горизонтов месторождения. При обработке материалов гидрогеологических наблюдений необходимо определять ожидаемый водоприток в горные выработки, коэффициент фильтрации различных пород, устойчивость горных выработок, предельное снижение статических уровней, радиус влияния депрессионной воронки, связь дебита и понижения уровня вод.

Для большей наглядности полученных выводов текстовую часть отчета необходимо иллюстрировать различными графиками и схемами, характеризующими гидрогеологические особенности месторождения. Например, можно показать зависимость водопритока в горные выработки от времени года, что позволит установить степень участия атмосферных осадков в обводнении горных выработок.

На топографическом плане месторождения необходимо показать гидрографию месторождения, с указанием данных о расходе постоянных водотоков при их максимуме и минимуме, а также отметить естественные выходы подземных вод.

Общее геологическое строение месторождения должно быть представлено на геоморфологических и лигологических картах и разрезах. На последних должна быть отмечена литология и водоносность пород, слагающих данный разрез.

Для каждой гидрогеологической скважины обычно составляют геолого-технический разрез, на котором строят геологическую колонку скважины, с указанием ее конструкции, глубины обсадки, тампонажа, цементации и т. п. (рис. 117). На этом разрезе по данным наблюдений за уровнем и температурой воды в скважине с правой стороны вычерчивают график колебаний уровня воды при углубке скважины и график температуры воды. Кроме того, на разрезе составляют графики, характеризующие выход керна и потери промывочных вод в зависимости от глубины скважины.

Сведения о пробных откачках представляют в виде:

• специальных журналов откачки скважин;
• графика восстановления уровня воды в скважине непосредственно после откачки;
• графика колебаний динамического уровня воды и дебита во время откачки в зависимости от времени, а также кривой дебита скважины.