Гидрогеология и инженерная геология

Москва  2019
М ИНИС Т Е РС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО ОБ РА З О ВА Н И Я РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ 
 
Кафедра геологии и маркшейдерского дела
А.М. Гальперин 
В.С. Зайцев 
В.В. Мосейкин 
С.А. Пуневский
ГИДРОГЕОЛОГИЯ  
И ИНЖЕНЕРНАЯ  
ГЕОЛОГИЯ 
Учебник
Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

УДК 556.3:550.81:622 
 
Г15
Р е ц е н з е н т ы: 
д-р техн. наук, проф. Ю.И. Кутепов (ВНИМИ) 
д-р техн. наук, проф. А.Н. Понкратенко
А в т о р ы: 
А.М. Гальперин, В.С. Зайцев, В.М. Мосейкин, С.А. Пуневский
 
Гидрогеология и инженерная геология: Учебник / 
Г15  
А.М. Гальперин [и др.]. – М. : Изд. Дом НИТУ 
 
«МИСиС», 2019. – 424 с.
ISBN 978-5-907061-48-4
Изложены основные сведения по гидрогеологии и инженерной пе-
трографии применительно к практике горного дела. Приведены све-
дения по общей гидрогеологии, динамике подземных вод, горно-про-
мышленной гидрогеологии. Описаны мероприятия по управлению 
техногенным режимом подземных вод, а также методика изучения 
гидрогеологической обстановки территорий освоения геологической 
среды. Рассмотрены современные представления об особенностях 
массива горных пород и методах их исследования. Приведена мето-
дика изучения инженерно-геологических условий территорий освое-
ния. Проанализированы характерные этапы составления прогнозных 
оценок условий разработки месторождений полезных ископаемых.  
Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 
«Горное дело».  
УДК 556.3:550.81:622
 Коллектив авторов, 2019
ISBN 978-5-907061-48-4
 НИТУ «МИСиС», 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................................... 10
ЧАСТЬ I. ГИДРОГЕОЛОГИЯ 
......................................... 13
Раздел I. ОБЩАЯ ГИДРОГЕОЛОГИЯ ............................. 13
1. Водные ресурсы Земли и круговорот воды в природе 
...... 14
1.1. Запасы воды ....................................................... 14
1.2. Круговорот воды ................................................. 15
1.3. Уравнения водного баланса .................................. 21
1.4. Теории происхождения подземных вод .................. 22
Контрольные вопросы 
................................................ 23
2. Сведения о свойствах горных пород ............................. 24
2.1. Факториальные и результативные характеристики 
горных пород 
............................................................ 24
2.2. Показатели плотности ......................................... 25
2.3. Показатели пористости ........................................ 26
2.4. Показатели трещиноватости 
................................. 28
2.5. Показатели влажности ........................................ 29
Контрольные вопросы 
................................................ 31
3. Воды подземной гидросферы ...................................... 31
3.1. Виды воды в горных породах ................................ 31
3.2. Факторы формирования состава подземных вод ...... 37
3.3. Процессы формирования состава подземных вод ..... 39
3.4. Физические свойства подземных вод ..................... 41
3.5. Химический состав подземных вод ........................ 44
Контрольные вопросы 
................................................ 52
4. Строение подземной гидросферы и классификации  
подземных вод ............................................................. 53
4.1. Строение подземной гидросферы ........................... 53
4.2. Классификации подземных вод 
............................. 55
Контрольные вопросы 
................................................ 62
5. Характеристика основных типов подземных вод ........... 62
5.1. Условия питания подземных вод. Дренирование 
водоносных горизонтов .............................................. 62
5.2. Грунтовые воды .................................................. 67

5.3. Артезианские воды ............................................. 68
5.4. Карстовые воды .................................................. 70
5.5. Подземные воды криолитозоны ............................ 72
Контрольные вопросы 
................................................ 74
Раздел II. ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД .................... 75
6. Физические основы динамики подземных вод .............. 75
6.1. Понятия о движении подземных вод 
...................... 75
6.2. Напряжения в водонасыщенных горных породах .... 77
6.3. Гидродинамические элементы подземного потока 
.... 79
6.4. Фильтрационные и емкостные свойства горных  
пород....................................................................... 82
6.5. Законы фильтрации ............................................ 84
6.6. Классификация потоков и виды движения  
подземных вод .......................................................... 89
6.7. Движение подземных вод в напорном пласте........... 92
6.8. Движение подземных вод в безнапорном пласте ...... 93
Контрольные вопросы 
................................................ 95
7. Движение подземных вод к искусственным дренам 
при установившейся фильтрации ................................... 95
7.1. Общие сведения .................................................. 95
7.2. Движение подземных вод к одиночной  
совершенной вертикальной дрене в безнапорном  
пласте ..................................................................... 98
7.3. Движение подземных вод к совершенной  
вертикальной дрене в напорном пласте .......................103
7.4. Расход воды поглощающими дренами 
...................106
7.5. Приток воды в совершенную горизонтальную  
дрену 
......................................................................107
Контрольные вопросы 
...............................................110
8. Взаимодействие вертикальных дрен  
при установившейся фильтрации ..................................110
8.1. Расчет системы произвольно расположенных 
взаимодействующих скважин 
....................................110
8.2. Расчет закономерно расположенных 
взаимодействующих скважин 
....................................115
Контрольные вопросы 
...............................................118

Раздел III. ГОРНО-ПРОМЫШЛЕННАЯ  
ГИДРОГЕОЛОГИЯ ......................................................119
9. Гидрогеологические условия освоения  
месторождений полезных ископаемых 
...........................119
9.1. Формирование водопритоков в горные выработки...119
9.2. Влияние подземных вод и атмосферных осадков  
на условия строительства и эксплуатации  
горнодобывающих предприятий ................................122
Контрольные вопросы 
...............................................127
10. Дренаж карьерных и шахтных полей 
........................128
10.1. Классификация карьерных и шахтных полей  
по условиям дренирования ........................................128
10.2. Мероприятия по дренированию месторождений  
полезных ископаемых ..............................................131
10.3. Системы дренажа карьерных и шахтных полей ....137
Контрольные вопросы 
...............................................144
11. Прогноз гидрогеологических условий освоения 
месторождений 
...........................................................145
11.1. Расчет водопритоков в горные выработки  
аналитическими методами ........................................145
11.2. Определение водопритоков в открытые горные 
выработки 
...............................................................151
11.3. Определение водопритоков при прорывах  
подземных вод .........................................................159
Контрольные вопросы 
...............................................160
12. Управление техногенным режимом подземных вод 
.....160
12.1. Мероприятия по регулированию поверхностного  
стока на карьерных и шахтных полях .........................160
12.2. Охрана подземных вод от истощения  
и загрязнения 
..........................................................161
12.3. Гидрогеологические наблюдения  
при ликвидации горных выработок, рекультивации 
карьеров и отвалов ...................................................164
Контрольные вопросы 
...............................................166
13. Изучение гидрогеологических условий освоения  
месторождений 
...........................................................166

13.1. Гидрогеологические работы при разведке  
месторождений полезных ископаемых ........................166
13.2. Гидрогеологические наблюдения и эксперименты  
на стадиях строительства и эксплуатации  
горно-добывающих предприятий ...............................174
Контрольные вопросы 
...............................................176
Библиографический список  .........................................176
ЧАСТЬ II. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ .........................179
Раздел IV. ИНЖЕНЕРНАЯ ПЕТРОГРАФИЯ ..................180
14. Общие вопросы петрографии ...................................180
14.1. Принципы изучения горных пород .....................180
14.2. Инженерно-геологические классификации  
горных пород 
...........................................................183
Контрольные вопросы 
...............................................191
15. Инженерно-геологические особенности твердых 
горных пород 
..............................................................191
15.1. Вещественный состав и структурно-текстурные  
особенности 
.............................................................191
15.2. Трещиноватость и выветрелость твердых  
горных пород 
...........................................................194
15.3. Водно-физические свойства ...............................199
15.4. Механические свойства .....................................201
15.5. Специальные горно-технические  
характеристики .......................................................218
Контрольные вопросы 
...............................................223
16. Инженерно-геологические особенности глинистых  
(связных) горных пород ...............................................224
16.1. Вещественный состав и структурно-текстурные  
особенности 
.............................................................224
16.2. Водно-физические свойства ...............................229
16.3. Механические свойства .....................................236
16.4. Специальные горно-технические  
характеристики .......................................................254
Контрольные вопросы 
...............................................257
17. Инженерно-геологические особенности 
раздельнозернистых пород ...........................................258

17.1. Вещественный состав и структурно-текстурные  
особенности 
.............................................................258
17.2. Водно-физические свойства ...............................261
17.3. Механические свойства .....................................264
Контрольные вопросы 
...............................................270
18. Инженерно-геологическая характеристика горных  
пород и отложений особого состава и состояния 
...............271
18.1. Общие сведения ...............................................271
18.2. Мерзлые горные породы ....................................274
18.3. Насыпные грунты ............................................279
18.4. Намывные грунты ............................................284
Контрольные вопросы 
...............................................290
Раздел V. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ МАССИВОВ 
ГОРНЫХ ПОРОД ........................................................291
19. Инженерно-геологическая типизация массивов 
горных пород 
..............................................................291
19.1. Инженерно-геологическая структура массива  
горных пород 
...........................................................291
19.2. Натурные методы определения свойств горных  
пород......................................................................302
Контрольные вопросы 
...............................................315
20. Инженерно-геологические особенности  
месторождений полезных ископаемых 
...........................316
20.1. Массивы пород и месторождения полезных  
ископаемых ............................................................316
20.2. Инженерно-геологические особенности угольных 
месторождений 
........................................................317
20.3. Инженерно-геологические особенности рудных  
месторождений 
........................................................323
Контрольные вопросы 
...............................................332
Раздел VI. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОДИНАМИКА .................333
21. Геодинамическая обстановка производства  
горных работ ..............................................................333
21.1. Содержание и задачи инженерной геодинамики ...333
21.2. Общая характеристика горно-геологических  
явлений ..................................................................335

Контрольные вопросы 
...............................................337
22. Горно-геологические явления при разработке 
месторождений полезных ископаемых открытым  
способом ....................................................................337
22.1. Классификация горно-геологических явлений .....337
22.2. Факторы, влияющие на устойчивость откосных  
сооружений 
.............................................................345
22.3. Оползневые деформации на подрабатываемых  
склонах ..................................................................351
22.4. Техногенный карст ...........................................357
Контрольные вопросы 
...............................................363
23. Горно-геологические явления при разработке 
месторождений полезных ископаемых подземным  
способом ....................................................................364
23.1. Классификация горно-геологических явлений .....364
23.2. Сдвижение горных пород 
...................................365
23.3. Опускание и обрушение кровель в выработанное  
пространство ...........................................................370
23.4. Выдавливание пород 
.........................................371
23.5. Горные удары ..................................................373
23.6. Внезапные выбросы пород, угля, газа 
..................377
23.7. Деформации массива вследствие глубокого 
водопонижения .......................................................379
23.8. Внезапные прорывы воды в горные выработки .....384
Контрольные вопросы 
...............................................387
Раздел VII. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ  
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГОРНЫХ РАБОТ ................................389
24. Инженерно-геологические исследования  
в горном деле 
..............................................................389
24.1. Требования к инженерно-геологической  
изученности горных пород и массивов 
.........................389
24.2. Состав инженерно-геологических изысканий .......390
24.3. Инженерно-геологические исследования  
при разработке месторождений открытым способом 
......392
24.4. Инженерно-геологические исследования  
при подземной разработке месторождений  
и подземном строительстве ........................................396

25. Прогнозирование горно-геологических условий  
освоения недр .............................................................398
25.1. Цель и задачи прогнозирования .........................398
25.2. Методы инженерно-геологических прогнозов .......400
25.3. Инженерно-геологическое районирование объектов  
горного производства 
................................................404
25.4. Инженерно-геологическое изучение намывных  
массивов .................................................................408
25.5. Прогноз экзогенных геологических процессов ......413
Контрольные вопросы 
...............................................417
Библиографический список 
..........................................418

ПРЕДИСЛОВИЕ
Согласно сложившейся методике преподавания геологических 
дисциплин на технологических факультетах МГГУ, после 
изучения курсов «Основы геологии» (учебник «Геология», 
часть I, изд. МГГУ ), «Геология и разведка» (учебник «Геология», 
часть II, изд. МГГУ ) следуют курсы «Гидрогеология» и 
«Инженерная геология». В соответствии с утвержденной специальной 
программой этих курсов кафедрой геологии подготовлен 
для издания в НИТУ «МИСиС» объединенный учебник «Гидрогеология 
и инженерная геология».
В предлагаемой студентам части I учебника «Гидрогеология» 
выделены три раздела: «Общая гидрогеология», «Динамика подземных 
вод» и «Горно-промышленная гидрогеология», которые 
дают представление о современном уровне развития этой отрасли 
геологических знаний. 
Проблемы гидрогеологии месторождений полезных ископаемых 
и строительства подземных сооружений рассматриваются 
с учетом конкретных горно-технологических задач, что способ-
ствует выработке эффективных мероприятий по управлению со-
стоянием массива горных пород в ходе освоения геологической 
среды и восстановления экологического равновесия.
Принцип совместного рассмотрения гидрогеологических и 
инженерно-геологических процессов с гидрогеомеханических 
или природоохранных позиций служит надежной базой приня-
тия адекватных горно-технических решений в условиях совре-
менного производства.
В 1989 г. в издательстве «Недра» вышел учебник «Гидроге-
ология и инженерная геология» (А.М. Гальперин, В.С. Зайцев, 
Ю.А. Норватов) для студентов горно-технологических специаль-
ностей вузов. В 1993 г. издательством «Балкема» была опубли-
кована на английском языке новая редакция этого учебника.
За прошедшее время накопилась научно-техническая и про-
изводственная информация, дополняющая и иногда меняю-
щая наши представления в рассматриваемых областях знаний. 
 
Кроме того, в этот период неоднократно менялись программы 
курсов данных дисциплин для студентов различных специаль-
ностей. 

Настоящее издание, подготовлено преподавателями кафедры 
геологии НИТУ «МИСиС» – проф. А.М. Гальпериным, проф. 
В.С. Зайцевым, проф. В.В. Мосейкиным, доц. С.А. Пуневским.
В учебнике использованы материалы проф. С.В. Троянского, 
проф. Ю.А. Норватова и проф. Г.Н. Харитоненко.
Инженерная геология входит в состав научных дисциплин, 
направленных на изучение геологических условий производства 
разнообразных инженерных работ, связанных с разработкой 
месторождений полезных ископаемых и строительством под-
земных сооружений. Богатый опыт горно-строительных и гор-
но-эксплуатационных работ убедительно свидетельствует, что 
недостаточное знание гидрогеологических и инженерно-геоло-
гических условий и неумение оценивать их с технологических 
позиций приводит к неритмичности в работе горных предпри-
ятий, а порой и к аварийным ситуациям. Вместе с тем всесторон-
ний учет гидрогеологических и инженерно-геологических фак-
торов, определяющих эти условия, позволяет не только выявить 
возможность улучшения технико-экономических показателей 
работы горных объектов, но и поддержания их в сложных горно-
геологических условиях.
В предлагаемом учебнике выделены четыре раздела, дающие 
представления о характерных инженерно-геологических свойствах 
горных пород, структурных особенностях толщ (массивов) 
горных пород, геодинамическом состоянии осваиваемых территорий, 
принципах прогнозирования поведения геологической 
среды в ходе ведения горных работ и эксплуатации горно-технических 
объектов. 
Такой многосторонний обзор состояния геологической среды 
способствует принятию обоснованных технологических, а при 
необходимости и специальных мероприятий, обеспечивающих 
безопасность ведения работ, их экономическую эффективность и 
отвечающую современным нормативным показателям экологическую 
ситуацию.
Подготовка инженеров горно-технологических специальностей 
предусматривает изучение цикла геологических дисциплин, 
включающего «Основы геологии», «Месторождения 
полезных ископаемых», «Гидрогеология», «Инженерная геология» 
и «Горно-промышленная геология».

При подготовке рукописи к печати были приняты во внимание 
замечания и пожелания, полученные на изданный в 1989 г. 
учебник «Гидрогеология и инженерная геология» (А.М. Гальперин, 
В.С. Зайцев, Ю.А. Норватов).
Часть I «Гидрогеология» написана проф. В.С Зайцевым, 
проф. В.В. Мосейкиным и доц. С.А. Пуневским.
Часть II «Инженерная геология» написана проф. А.М. Галь-
периным, проф. В.С. Зайцевым и доц. С.А. Пуневским.

ЧАСТЬ I
ГИДРОГЕОЛОГИЯ

Раздел I  
ОБЩАЯ ГИДРОГЕОЛОГИЯ
1. ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ЗЕМЛИ 
И КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ
1.1. Запасы воды
Атмосферные, поверхностные и подземные воды образуют 
единую оболочку Земли – гидросферу. По расчетам М.С. Льво-
вича, объем гидросферы составляет 1,458 млрд км3, из них 
60 млн км3 – подземные воды верхнего слоя земной коры (до глу-
бины 5 км), находящиеся в свободном и физически связанном 
виде. 
В хозяйственной сфере выделяют две формы отношения к 
воде – водопользование и водопотребление. 
Водопользование связано с такими отраслями проышленно-
сти, как водный транспорт, рыбное хозяйство или источниками 
получения электрической энергии. Водопотребление – исполь-
зование воды в технологических целях и для жизнеобеспечения. 
Для водопотребления необходима пресная вода с содержанием 
растворимых солей не более 1 г/л  (гигиеническая норма), запа-
сы ее на Земле оцениваются в размере 35 млн км3. Около 70% 
пресной воды находится в твердом состоянии, для водоснабже-
ния часто используют речные и озерные воды, запасы которых 
составляют около 95 тыс. км3. В России к настоящему времени 
разведано более 600 месторождений подземных минеральных 
(лечебных) вод. 
К промышленным подземным водам (гидроминеральное сы-
рье) относят воды, количество и качество которых позволят 

производить экономически целесообразную их добычу и извле-
чение полезных компонентов (брома, бора, цезия, рубидия, гер-
мания, урана, вольфрама, йода). Термальные воды и пароводя-
ная смесь рассматриваются как практически неисчерпаемый 
энергоноситель;  значительные потенциальные ресурсы этих вод 
находятся на Северном Кавказе, Дальнем Востоке, в Западной 
 
Сибири. 
Разработка месторождений полезных ископаемых и подзем-
ное строительство часто сопровождаются попутным извлечением 
подземных вод, оказывающих отрицательное влияние: ухудше-
ние объемно-качественных показателей полезного ископаемого, 
снижение производительности горно-транспортного обоборудо-
вания, активизация современных геологических процессов и яв-
лений и возникновение неблагоприятных горно-геологических 
явлений (оползни и обрушения, возникающие в бортах карьеров 
и отвалов, внезапные прорывы подземных вод в горные выработки, 
оседание дневной поверхности).
Возведение горно-технических сооружений приводит к нарушению 
ландшафта и естественного соотношения (баланса) видов 
природных вод, а также изменению их химического и газового 
состава, а в ряде случаев – к истощению их запасов и загрязнению. 
Поэтому глобальной является проблема охраны геологической 
среды, предусматривающая разработку действенных мероприятий 
по защите водно-земельных ресурсов.
1.2. Круговорот воды
Процесс цикличного перемещения воды в гидросфере, сопровождаемый 
изменением ее фазового состояния называют круговоротом. 
Различают геологическую и гидрологическую ветви 
общего круговорота (рис. 1.1).
Геологический круговорот вызван процессами осадконакопле-
ния, катагенеза, регионального метаморфизма в условиях геосинклинального 
режима, перемещением и многократным преобразованием 
воды в ходе общей эволюции земной коры. 
В гидрологическом круговороте взаимодействуют атмосферная 
влага, поверхностные и подземные воды. Составные элемен-
ты круговорота – испарение, осадки и сток.

Осадки
Гидрологический  круг
Испарение
Потеря Н О
в космос
2
Поступление Н О
из космоса
2
Океан
Отжатие
ископаемых
вод
Геологический круговорот
   Гидратация  
и дегидратация  
пород   
   Поступление  
ювенильных вод  
С
т
о
к
 Возвращение    
Н О в мантию  
2
Рис. 1.1. Схема круговорота воды в природе
Испарение – обратимый процесс перехода воды из жидкого 
или твердого состояния в газообразное. Основной объем водяного 
пара атмосферы образуется при испарении поверхностных вод. 
С поверхности океана ежегодно испаряется около 505 тыс. км3 
воды, из них 458 тыс. км3 возвращаются в виде осадков в аквато-
рию океана, 47 тыс. км3 переносится на сушу и выпадает в виде 
пресных осадков, участвующих в формировании подземных вод. 
В атмосферу поступают также испарения подземных вод в месте 
их выхода на поверхность и биологическая ветвь испарения – 
транспирация – результат жизнедеятельности растительного и 
животного мира. Всего с поверхности земного шара за год испа-
ряется в среднем 577 тыс. км3 воды. 
Водяной пар распределен в атмосфере неравномерно, поч-
ти 90 % его находится в слое атмосферы до высоты 7 км. В за-
висимости от климатических условий территории доля водяно-
го пара или конденсата составляет в жарких поясах около 4 %, 

умеренных 1,2% и холодных – до 0,01% объема атмосферы. Ис-
парение зависит от метеорологических элементов; тем 
пературы, 
влажности, скорости ветра, солнечной энергии. 
Влажность воздуха оценивают показатели: 
 
– абсолютная  влажность – масса водяного пара в единице 
объема воздуха при данной температуре и давлении (г/м3, мм рт. 
ст.); 
 
– удельная влажность (предел насыщения) – максимальное 
количество водяного пара в воздухе при данной температуре, по 
достижении которого водяной пар начинает конденсироваться; 
температуру, отвечающую этому состоянию, называют точкой 
росы;
 
– относительная 
влажность 
– 
отношение 
абсолютной 
влажно 
сти к пределу насыщения (%). Суточные и сезонные ко-
лебания относительной влажности связаны с климатическими 
условиями: для умеренных широт она изменяется от 80…90 % 
зимой и до 60…70 % летом. 
Испарение зависит от геологических условий района – ха-
рактера, структуры и влажности почвы, структурно-текстур-
ных особенностей горных пород, глубины залегания подземных 
вод; количественная оценка – испарение и испаряемость. Испарение – 
среднее количество фактически испарившейся воды 
с данной поверхности суши; испаряемость – количество испарившейся 
воды с водной поверхности или увлажненной поверхности 
породы при данных условиях. Представление о соотношении 
между испарением и испаряемостью дает табл. 1.1.
Таблица 1.1
Годовые значения испарения и испаряемости для различных 
ландшафтных зон (по А.А. Борисову)
Ландшафтная зона
Испарение, мм/год
Испаряемость, мм/год
Тундра 
701…20
200…300
Тайга 
200…300
300…600
Смешанный лес
250…430
400…850
Степь
240…550
600…1100
Полупустыня
180...200
700…900
Пустыня 
50…100
800…1000
Субтропики
300…750
800…1300