Гидрогеология и осушение месторождений полезных ископаемых


ГИДРОГЕОЛОГИЯ И ОСУШЕНИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ



Учебник




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622.5
ББК33.17
    Г46


Авторы:
    Сидорова Г. П., Верхотуров А. Г., Якимов А. А., Маниковский П. М.

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Забайкальского государственного университета (г. Чита) В. А. Овсейчук;
доктор геолого-минералогических наук (Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, г. Чита) С. В. Борзенко



Г46 Гидрогеология и осушение месторождений полезных ископаемых : учебник / [Сидорова Г. П. и др.]. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. - 172 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0938-4

     Изложены вопросы, касающиеся общих гидрогеологических условий месторождений полезных ископаемых. Изложены рекомендации по составу, содержанию и методикам гидрогеологических исследований на стадиях разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Рассмотрены варианты осушения горных выработок. Отдельные главы посвящены защите подземных вод от загрязнения и истощения в горнодобывающих районах и моделированию гидрогеологических процессов при проектировании разработки месторождений полезных ископаемых.
     Для студентов и аспирантов, обучающихся по направлению 21.00.00 «Прикладная геология, горное дело, нефтегазовое дело и геодезия». Может быть использовано специалистами горнодобывающих предприятий.

                                                             УДК 622.5
                                                             ББК 33.17








ISBN 978-5-9729-0938-4

    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
    © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

    ОГЛАВЛЕНИЕ



Предисловие.......................................................6
Введение..........................................................8

РАЗДЕЛ I. ГИДРОГЕОЛОГИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ..............................................9
Глава 1. Гидрогеологическое строение месторождения полезных ископаемых..............................................9
  1.1. Обводненность месторождений полезных ископаемых...........9
  1.2. Деформация горных выработок под воздействием подземных вод...................................................10
  1.3. Природные и искусственные факторы формирования режима рудничных вод............................................12
  1.4. Гидрогеологические классификации и типы обводненных месторождений.....................................16
Глава 2. Гидрогеологические исследования месторождений полезных ископаемых для обоснования проекта осушения............21
  2.1. Основные задачи гидрогеологических исследований..........21
  2.2. Состав исследований и общий порядок их проведения........21
  2.3. Изучение гидрогеологического строения месторождения......24
  2.4. Основные фильтрационные параметры, определяемые опытными работами...............................................29
  2.5. Виды опытных гидрогеологических работ и методы их проведения......................................................32
   2.5.1. Опытные откачки.......................................32
   2.5.2. Опытные нагнетания и наливы...........................36
   2.5.3. Геофизические исследования............................37
   2.5.4. Объемы опытных гидрогеологических работ...............37
  2.6. Стационарные режимные наблюдения...........................38
Глава 3. Методы определения водопритоков в горные выработки..............................................44
  3.1. Методы гидрогеологических аналогий.......................44
  3.2. Метод водного баланса....................................45
  3.3. Аналитические методы.....................................46

РАЗДЕЛ II. ОСУШЕНИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ.............................................50
Глава 4. Проектирование осушения месторождений полезных ископаемых.............................................50
  4.1. Осушение месторождения...................................50


з

  4.2. Характеристика способов осушения месторождений полезных ископаемых..........................................53
   4.2.1. Поверхностный способ осушения........................53
   4.2.2. Подземный способ осушения............................59
   4.2.3. Комбинированный способ осушения......................61
   4.2.4. Противофильтрационные завесы.........................62
Глава 5. Системы и схемы осушения шахтных и карьерных полей....67
  5.1. Обязательные требования при выборе системы осушения горных выработок.............................................67
  5.2. Виды систем осушения....................................68
  5.3. Схемы осушения..........................................69
  5.4. Схемы осушения шахтных полей............................72
  5.5. Схемы осушения карьерных полей..........................74
  5.6. Расчеты осушения шахтных и карьерных полей..............76
  5.7. Осушение отвалов пустых пород...........................79
   5.7.1. Внутренние и внешние отвалы..........................79
  5.8. Оптимизация системы осушения............................88
Глава 6. Гидрогеологические исследования при разработке месторождения полезных ископаемых..............................94
  6.1. Наблюдения в подземных горных выработках................94
   6.1.1. Подземная гидрогеологическая съемка..................94
   6.1.2. Наблюдения за притоком воды в шахты..................95
   6.1.3. Наблюдения зауровнем, температурой, химическим составом воды в горных выработках................98
  6.2. Средства водопонижения.................................100
   6.2.1. Дренажные канавы и водопонижающие колодцы...........100
   6.2.2. Водопоглощающие скважины............................101
  6.3. Прогноз осадки пород при осушении месторождений полезных ископаемых.........................................102
  6.4. Влияние осушения на природную обстановку...............103

РАЗДЕЛ III. ОХРАНА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ.............................105
Глава 7. Охрана подземных вод при разработке и осушении месторождений полезных ископаемых.............................105
  7.1. Влияние горных работ на окружающую среду...............105
  7.2. Прогноз процессов распространения загрязнений в подземных водах...........................................106
  7.3. Самоочищение подземных вод в процессе фильтрации в трещиновато-пористых средах...............................107
  7.4. Методы определения параметров массопереноса............109
  7.5. Гидрогеофизические исследования в задачах охраны подземных вод...............................................110

4

  7.6. Оценка качества условно чистых дренажных и рудничных вод...........................................112
  7.7. Рациональное использование условно чистых дренажных и рудничных вод...........................................113
  7.8. Сброс дренажных и рудничных вод......................114
  7.9. Методы охраны водных ресурсов в горнодобывающих районах.................................120

РАЗДЕЛ IV. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ.........................................125
Глава 8. Типовые задачи с применением цифрового моделирования гидрогеологических процессов................................125

РАЗДЕЛ V. ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОСУШЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО.........................154
Глава 9. Правила безопасности при эксплуатации систем осушения месторождений полезных ископаемых..................154
  9.1. Общие положения......................................154
  9.2. Дренажные шахты......................................156
  9.3. Химическая обработка скважин.........................157
  9.4. Дренирование вод, выделяющих вредные и опасные газы..158
  9.5. Оборудование и устройствадля откачки воды............159
Заключение..................................................161
Библиографический список....................................162
Термины и определения.......................................165

5

    ПРЕДИСЛОВИЕ


     Гидрогеология месторождений полезных ископаемых занимается изучением подземных вод применительно к задачам геологопромышленной оценки месторождений, их освоения и разработки. Рядом исследователей, такими как С. В. Троянский, М. В. Сыроватко, Н. И. Плотников, П. П. Климентов и др., на основании специфики разведки, освоения и добычи этих полезных ископаемых, было выделено два направления развития Гидрогеологии месторождений полезных ископаемых: Гидрогеология твердых полезных ископаемых и Гидрогеология нефтегазоносных месторождений. В отдельное направление выделена Рудничная гидрогеология, разрабатывающая мероприятия по защите горных предприятий от подземных вод.
     Причиной написания представленного учебника является всё возрастающая необходимость в добыче полезных ископаемых с глубоких горизонтов земной коры и возникающие проблемы с водопонижением и защитой горных выработок от фильтрационных процессов.
     Работа четко структурирована, в ней выделяется пять основных разделов:
  1. Гидрогеология месторождений полезных ископаемых.
  2. Осушение месторождений полезных ископаемых.
  3. Охрана подземных вод при разработке месторождений полезных ископаемых.
  4. Моделирование гидрогеологических процессов при проектировании разработки месторождений полезных ископаемых.
  5. Правила безопасности при осушении месторождения полезного ископаемого.
     Основой для подготовки настоящего учебника явились лекционные курсы (по одноимённым с вышеуказанными разделами дисциплинами), которые читаются на кафедре прикладной геологии и инженерной геологии горного факультета Забайкальского государственного университета уже более 20 лет.
     Учитывая то, что значительная часть гидрогеологических дисциплин читается на предшествующих курсах, в книге не рассматриваются общие вопросы гидрогеологии. Акцентировано внимание на гидрогеологических условиях месторождений полезных ископаемых и необходимых исследованиях для проектирования осушений месторождений полезных ископаемых. Большое внимание уделено характеристике способов осушения, системам и схемам защиты шахтных и карьерных полей от фильтрационных процессов, включая мониторинговые наблюдения за водопритоками, уровнями и химическим составом подземных вод.
     В работе рассматривается также охрана подземных вод при разработке и осушении месторождений полезных ископаемых и проблемы водоотведения шахтных и карьерных вод.
     В завершающей главе представлены правила безопасности и при осушении месторождений полезных ископаемых.


6

     Возрастающее вовлечение в разработку новых крупных месторождений, таких как Удоканское медное, Быстринское полиметаллическое и других требует, наряду с добычей руды, сохранить такое важное полезное ископаемое, как подземные воды. Поэтому, при осушении месторождений, размещении обогатительных фабрик и хвостохранилищ, вред, наносимый техногенезом, должен быть минимальным, как в процессе эксплуатации месторождения, так и на длительную перспективу после его отработки. Этому вопросу в учебнике отведено значительное место.
     Основное отличие учебника в лаконичности и полноте представления материала по многим проблемам, с которыми сталкиваются гидрогеологи на при эксплуатации месторождений полезных ископаемых.
     Авторы надеются, что представленная работа будет интересна как студентам специальности «Поиски и разведка подземных вод и инженерногеологические изыскания», так и гидрогеологам, специалистам по водоснабжению, водоотведению и другим заинтересованным лицам.

7

    ВВЕДЕНИЕ


     Гидрогеологические условия месторождений полезных ископаемых определяются комплексом природных факторов, выявление которых и глубокий анализ позволяют правильно оценить горнотехнические условия отработки месторождений.
     Гидрогеологическая структура, к которой приурочено месторождение полезных ископаемых, формируется под влиянием эндогенных и экзогенных процессов. К числу собственно эндогенных процессов следует отнести геологоструктурные условия, сложившиеся за длительный период развития территории и не изменяющиеся в период разведки и эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Эндогенными процессами определяются первоначальные условия проницаемости и пористости пород, которые подвергаются существенному изменению при эксплуатации месторождения.
     Условия формирования подземных вод определяются геолого-структурными особенностями и первичными коллекторскими свойствами пород, рельефом, природно-климатическими и гидрографическими факторами, которые подробно рассматриваются в данном учебнике.
     При разработке месторождений полезных ископаемых практически всегда приходится вести борьбу с водой, которая затрудняет ведение горных работ, а иногда и создает угрозу безопасности работающих людей и в целом горному предприятию.
     Развитие гидрогеологии, как науки, позволяет в современных условиях спрогнозировать степень опасности и возможные проблемы при проведении горных работ, связанные с обводненностью месторождения и своевременно запланировать мероприятия по их устранению. Борьбе с водой в горных выработках способствует и современные методы защиты горных предприятий от обводнения, а также достаточно совершенная техника, которой оснащаются горные предприятия.
     Защита горных выработок от поверхностных и подземных вод регламентируется сводом Правил (СП 103.13330.2012), которые распространяются на проектирование защиты от подземных и поверхностных вод горных выработок с применением водопонижения, водоотлива, противофильтрационных завес и регулирования поверхностного стока при открытой и подземной разработках месторождений твердых полезных ископаемых.
     Для успешного проведения осушения обводненных месторождений полезных ископаемых, выполнения прогнозных расчетов, моделирования и разработки новых конструктивных решений по защите горного предприятия от фильтрационных процессов в период эксплуатации месторождения, горный инженер, работающий в данном направлении, должен знать: основные положения учения о подземных водах; закономерности формирования, движения, режима и химизма вод; процессы, возникающие в природе под воздействием рудничного водоотлива и горных работ в целом, способы предупреждения проникновения воды в горные выработки.

8

    РАЗДЕЛ I. ГИДРОГЕОЛОГИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ


    ГЛАВА 1. Гидрогеологическое строение месторождения полезных ископаемых

     Под гидрогеологическим строением участка земной коры понимается совокупность факторов, определяющих общую характеристику условий существования и циркуляции подземных вод в пределах этого участка. К числу таких факторов относятся границы распространения и формы залегания водоносных горизонтов, а также комплексов относительно водоупорных пород, литологоструктурная характеристика пород, слагающих выделенные водоносные и водоупорные комплексы и положение естественных контуров (областей) питания и стока, а также поверхностей естественных уровней (напоров) водоносных горизонтов. Основной материал для составления схемы гидрогеологического строения месторождения позволяет анализировать результаты геологоразведочных работ (в первую очередь буровых), а также результаты режимных наблюдений за подземными и поверхностными водами.
     Гидрогеологическое строение месторождения определяется его геологическим строением, которое является объектом исследования при разведке и оценке запасов полезного ископаемого. Геологические материалы содержат сведения по литологии и стратиграфии пород, слагающих участок месторождения, его тектоническому строению. Эти материалы должны лечь в основу построения гидрогеологической схемы, выделить границы распространения однородных осадков, контуры размывов и другие детали, которые могут определить характер фильтрации подземных вод и влияние их на устойчивость пород в откосах. Важно выявить и оконтурить погребенные речные долины.

    1.1. Обводненность месторождении полезных ископаемых

     При промышленном освоении месторождений полезных ископаемых существенную роль играют подземные воды, которые представляют собой один из неблагоприятных природных факторов, оказывающих влияние на ритмичную работу горнотранспортного оборудования. Подземные и поверхностные воды, проникающие в горные выработки, называют рудничными или шахтными (рис. 1).
     Обводненность рудных месторождений зависит, главным образом, от во-добильности пород, вмещающих рудное тело, и бывает наиболее значительной при наличии среди покровных отложений водоносных обломочных или карбонатных карстующихся пород.


9

Рисунок 1 — Обводненная подземная горная выработка

     На угольных, особенно буроугольных месторождениях, обычно водоносны один или несколько надугольных и подугольных слоев песка, песчаника или известняка, содержащих напорные или безнапорные воды. Приток воды в шахту или карьер характеризуется коэффициентом водообильности, представляющим отношение количества откачиваемой воды (в м³) к количеству добытого полезного ископаемого (в тоннах) за год, месяц или сутки. Коэффициенты водообильности месторождений зависит от их обводненности.
      Объем откачиваемой из горных выработок воды иногда в несколько раз превышает количество добываемого полезного ископаемого.


    1.2. Деформация горных выработок под воздействием подземных вод

      Осушительные мероприятия на шахтных и карьерных полях проводятся в целях предупреждениях деформации подготовительных и эксплуатационных горных выработок в неустойчивых породах, связанных с проявлением гидростатического и гидродинамического давления подземных вод.
     Влияние подземных вод на устойчивость горных выработок весьма разнообразно, а интенсивность этого проявления определяется гидрогеологическими условиями и физико-механическими свойствами пород, способом и системой разработки, размерами выработок и сроками их проведения. Поэтому необходимо учитывать весь комплекс этих условий при проектировании мероприятий по предупреждению деформаций. Осушение проводится также в целях уменьшения притока вод в устойчивых породах.
     На открытых горных работах наибольшее распространение получили оползни, развивающиеся на постоянных и рабочих бортах карьеров и разрезных

10

траншей. В соответствии с классификацией П. Н. Панюкова различают следующие их виды:
      -       оскользни (простые и сложные) - смещение пачек горных пород массива по поверхностям ослабления, происходящие при подрезке их откосами (рисунок 2);


Рисунок 2 — Оползень на борту карьера

      -       собственно оползни - смещение пород по поверхностям скольжения сложного очертания при наличии глинистых слоев в основании откоса;
      -       оползни выдавливания - оползню предшествует пластическое выдавливание слабых глинистых пород под действием веса вышележащей толщи, что нарушает ее равновесие;
      -       оползни оплывания - оползню предшествует оплывание и переотложение неустойчивых пород нижней части откоса, где высачивается подземная вода. Оплывание обычно захватывает широкую полосу откоса и является одним из важнейших видов деформации на открытых горных работах. Его интенсивность зависит от высоты участка высачивания и крутизны откосов. Оплывание песков обычно влечет обрушение покрывающих связных пород;
      -       оползни проседания - оползню предшествует уплотнение пород основания.
      Другие виды деформаций, влияющие на устойчивость откосов карьеров:
      -       прорывы плывуна и напорной воды, а также выпоры грунта в слоях слабоводопроницаемых глинистых пород;
      -       «подземная эрозия», развивающаяся при движении воды к откосу по трещинам в слабых песчаниках, в результате чего образуются подземные пеще

11

ры и ходы, правильные воронки на уступах карьера и конусы выноса породы в их основании. Чем круче откосы, тем интенсивнее деформации;
      -       суффозионный вынос мелких частиц грунта в результате механического действия подземных вод при выклинивании ее на откосе. Суффозия развивается в неоднородных несвязных грунтах в пределах участка высачивания воды, а ее размеры зависят от величины гидравлического градиента и неоднородности пород.
     На подземных горных работах основными являются нарушения, связанные с прорывом плывунов и подземных вод в горные выработки, а также явлениями пучения и текучести пород.
     Прорывы плывунов и подземных вод происходят из почвы и из кровли выработок в результате «взламывания» под действием гидростатического давления водоупорных слоев, отделяющих эти выработки от напорных водоносных горизонтов. Они деформируют шахтную крепь, затопляют и заиливают выработки.
     Пучение проявляется в виде повышения давления на крепь, что приводит к ее разрушению и заполнению выработок породой. Указанные деформации при подземной разработке месторождения особенно резко проявляются в период эксплуатации шахт при нарушенной сплошности пород в зоне их сдвижения.
     Осушительные мероприятия на шахтных и карьерных полях должны быть увязаны с горными работами и проводиться в две стадии, в зависимости от необходимых сроков дренирования.
     В период строительства, еще до начала проходки околоствольных выработок шахты или въездной траншеи карьера дренирование осуществляется в два этапа:
      -       предварительное осушение необходимо, когда для обеспечения безопасного проведения подготовительных выработок, должно быть заблаговременно произведено частичное или полное снижение напоров (или уровней) подземных вод. В комплекс мероприятий по предварительному осушению должны быть включены работы по отводу рек и ограждению горных разработок от затопления атмосферными водами;
      -       параллельное осушение осуществляется в течение всего времени строительства и эксплуатации шахты или карьера, одновременно с проведением горных выработок. Его задачей является дальнейшее снижение напоров (уровней) подземных вод, оставшихся после предварительного осушения.

    1.3. Природные и искусственные факторы формирования режима рудничных вод

      Вопрос о факторах формирования режима рудничных вод, при выборе варианта осушения месторождения, является главным, хотя очень часто ему уделяется недостаточное внимание, что в результате приводит к дополнительным проблемам и затратам.


12

     Воды, поступающие в горные выработки в процессе строительства шахт и карьеров, а также в период эксплуатации месторождений полезных ископаемых, называются рудничными или шахтными. Формируются эти воды в результате поступления в выработки подземных и атмосферных вод, фильтрации вод из рек, озер и других поверхностных водоемов.
     Под режимом рудничных вод и режимом подземных вод, разрабатываемых месторождений полезных ископаемых, понимается изменение во времени притока воды в горные выработки, понижения уровней или напоров в пределах формирующейся депрессионной воронки, изменение химического и газового состава и температуры рудничных вод.
     Изменение во времени отдельных элементов режима рудничных вод зависит от ряда взаимодействующих природных, естественноисторических и искусственных факторов.
     Основные природные факторы
     К основным природным факторам относятся: характер рельефа; наличие водоемов и водотоков в пределах территории освоения; положение базиса эрозии; литологические особенности покровных отложений и коренных пород; тектонические условия; существование погребенных долин.
     Рельеф территории освоения определяет условия, при которых атмосферная вода либо скапливается в депрессионных формах, восполняя запасы водоносных горизонтов, либо, при наклонной дневной поверхности, интенсивно стекает в естественные водоемы и водотоки. После проведения горных выработок и выемки полезного ископаемого на дневной поверхности возможно образование провальных воронок, способствующих обводнению подземных объектов и в ряде случаев прорыву в них значительных объемов воды.
     Водоемы и водотоки влияют на обводненность горных выработок при повышенной водопроницаемости аллювия и толщи горных пород, на котором он формировался. Оценивая этот фактор, следует учитывать: состав аллювия (слабопроницаемый, как правило, на реках в пределах и высокопроницаемый для горных рек); вероятность приуроченности водотоков к глубинным разломам; состав и свойства коренных пород, подстилающих аллювий.
     Базис эрозии. Высотное положение тела полезного ископаемого или горных выработок по отношению к местному базису эрозии существенно сказывается на их обводненности. Если они располагаются выше, то обводненность, как правило, низкая, а их осушение происходит путем естественного оттока гравитационной воды (водоотлив самотечный). Такие условия характерны для горных районов и при наличии глубокой овражно-балочной системы. Расположение тела полезного ископаемого или горных выработок ниже местного базиса эрозии способствует формированию более высокой и стабильной обводненности, зависящей от коллекторских и фильтрационных свойств природного массива. В этом случае вода удаляется с использованием насосов или водоотливных скважин.
     Покровные отложения в зависимости от фильтрационных свойств могут либо препятствовать, либо, напротив, способствовать водонасыщению корен

13