» » Факторы обводненности месторождений

Факторы обводненности месторождений

02.08.2016

Гидрогеологические факторы, определяющие условия разработки месторождений, отражают прежде всего характер и степень их обводненности. Главные факторы — это пространственное распространение водоносных горизонтов и режим поступления подземных вод в горные выработки. К другим факторам обводненности относятся: климатические условия, рельеф и гидрография района; геологическое строение и тектоническая нарушенность месторождения; характер и степень развития экзогенных изменений — зон выветривания, карста и др.; условия залегания и морфология тел полезных ископаемых, их пространственное соотношение с водоносными горизонтами и комплексами; техногенные нарушения гидрогеологического режима района месторождения в связи с его освоением. Из всей совокупности можно выделить следующие группы факторов, определяющие обводненность месторождений: физико-географические, геолого-структурные, собственно гидрогеологические, горно-технические (техногенные).
Физико-географические и геологоструктурные факторы

Из физико-географических факторов наибольшее влияние на обводненность оказывают рельеф, гидросеть, климат, в том числе количество атмосферных осадков. Это подтверждается увеличением водопритоков в выработки в период интенсивного выпадения осадков и весеннего снеготаяния на 25—30 % при горизонтальном залегании пород и на 50—100 % при развитии карста.
Специфические гидрогеологические условия характерны для зоны многолетней мерзлоты. Подземные воды этой зоны Н.И. Толстихин разделяет на над-, меж- и подмерзлотные. Надмерзлотные воды залегают в так называемом деятельном слое, где породы оттаивают летом и промерзают зимой. Режим этих вод непосредственно обусловлен общим ходом сезонного промерзания и оттаивания.
Межмерзлотные воды находятся в пределах зоны многолетнемерзлых пород и представлены жидкой и твердой фазами, соотношение между которыми в зависимости от сезона года практически не меняется. Подмерзлотные воды залегают ниже зоны многолетнемерзлых пород и по режиму не отличаются от подземных вод, распространенных за пределами областей распространения многолетнемерзлых пород. В области таликов приток воды в горные выработки может увеличиваться, так как подмерзлотные воды часто гидравлически связаны с водами открытых водоемов и водотоков.
Поверхностная гидросеть влияет на обводненность месторождений при наличии хорошо выраженной гидравлической связи с водоносными горизонтами. Особую роль в этом случае играют проницаемые аллювиальные отложения и дизъюнктивные нарушения, которые достигают поверхности и нередко создают благоприятные условия для поступления вод из открытых водотоков и водоемов даже при некотором удалении их от месторождения. В качестве примера можно назвать месторождения Северо-Уральского бокситоносного района СУБР, где подземные воды подпитываются речными. Уровень подземных вод в подобных случаях вблизи речной долины существенно не понижается (рис. 3.26).
При равнинном или равнинно-холмистом рельефе поверхностный сток замедлен, местность нередко заболочена, продуктивная зона чаще расположена ниже базиса эрозии крупных рек и водоемов. Гидрогеологические условия характеризуются обычно неглубоким залеганием грунтовых вод и наличием нескольких горизонтов напорных вод. Водоносные горизонты и комплексы могут иметь значительные напоры, высокую водообильность и разнообразную водопроницаемость. Горные породы здесь часто обводнены. В среднегорных, горных и высокогорных областях гидрогеологические условия отличаются малой и местами временной обводненностью пород.
Шахтные поля в Донбассе по характеру рельефа делят (Д.И. Щеголев) на три группы: 1) на водоразделах со слаборасчлененным рельефом, им свойственна наименьшая обводненность; 2) на склонах водоразделов с широко развитой овражно-балочной системой, обводненность их значительна; 3) в долинах рек с инфильтрацией из водотоков и значительными статическими запасами подземных вод в аллювиальных отложениях.
Факторы обводненности месторождений

Из геологических факторов наибольшее влияние на обводненность оказывают геологическое строение месторождения, условия залегания, состав и строение горных пород, их тектоническая нарушенность, трещиноватость и закарстованность. Меньшая обводненность присуща месторождениям, сложенным осадочными сцементированными, изверженными и метаморфическими породами, в которых вода движется по трещинам. При отсутствии мощных водоносных горизонтов величина водопри-тока зависит от степени вскрытия коренных пород горными выработками и мощности покровных глинистых отложений, через которые происходит инфильтрация поверхностных вод. Значительной обводненностью характеризуются месторождения, в геологическом разрезе которых преобладают закарствованные породы (карбонатные, сульфатные и хлоридные).
Наиболее сложные гидрогеологические условия отмечаются на месторождениях, которые сложены преимущественно рыхлыми обломочными породами, а пластовые тела полезных ископаемых залегают между обводненными водоносными породами. Таковы, например, условия месторождений Подмосковного буроугольного бассейна, Никопольских марганцевых месторождений и др.
Зоны тектонических нарушений являются участками сосредоточенного, а иногда и катастрофического поступления воды в горные выработки. Имеются примеры затопления шахт и карьеров подземными водами, поступающими по тектоническим нарушениям, вскрытым горными выработками.
Состав и условия залегания пород определяют тип и условия залегания подземных вод. Они оказывают наибольшее влияние на обводненность.
Собственно гидрогеологические и горнотехнические факторы

К собственно гидрогеологическим факторам обводненности относятся: тип и условия залегания подземных вод (верховодка, грунтовые, пластовые, трещинные, карстовые, артезианские и др.); мощность и количество водоносных горизонтов, их распространение по площади и разрезу, связь между собой и с поверхностными водоемами, режим питания; гидродинамические показатели водоносных горизонтов (напор, водопроницаемость, водоотдача, упругие характеристики, статические, динамические и упругие запасы и т.д.).
Четвертичным отложениям свойственны воды, приуроченные к песчаным, песчано-галечным и галечным аллювиальным, флювиогляциальным и пролювиальным образованиям. Они затрудняют вскрытие месторождений и повышают обводненность контактирующих с ними коренных пород. Такая обстановка типична для многочисленных угольных и рудных месторождений: Ангренского (Средняя Азия), Кузнецкого и Подмосковного бассейнов, Лениногорского полиметаллического.
Подземные воды в коренных породах — пластовые, поровые, трещинно-поровые, трещинные и карстовые напорные и безнапорные — непосредственно влияют на обводненность месторождений. Водоносными являются породы полускального (полутвердого) типа, угольные слои, рудные залежи. Пластовые воды характерны для угольных месторождений с горизонтальным (Иркутский, Канско-Ачинской бассейны), моноклинальным (Подмосковный бассейн) и сложнодислоцированным (Донецкий, Кузнецкий бассейны) залеганием толщ. Часто существует гидравлическая связь между водоносными горизонтами.
Например, в северной части Донецкого бассейна водоносны известняки и песчаники среднего карбона, разделенные мощными толщами аргиллитов и сланцев (рис. 3.27). Воды известняков дают кратковременные притоки, а трещиноватых песчаников — постоянные, умеренные. Кратковременные, значительные по величине прорывы возникают при вскрытии закарстованных участков известняков и тектонических нарушений.
В магматогенных, метаморфогенных и некоторых осадочных месторождениях металлических и неметаллических полезных ископаемых распространены преимущественно трещинные безнапорные и напорные воды. Обводненность этого типа связана с трещиноватостью пород и наличием мощной толщи водоносных пород, перекрывающих тела полезных ископаемых. Типичными примерами являются месторождения КМА, Урала, Восточного Казахстана, Сибирской платформы.
Факторы обводненности месторождений

Наибольшая обводненность месторождений обусловлена карстовыми водами. В геологическом разрезе таких месторождений развиты закарстованные известняки, доломиты, мергели, соляные породы, гипс, ангидрит. Для этих месторождений характерны большие водопритоки в горные выработки, внезапные прорывы, интенсивное поглощение поверхностных вод, обрушение кровли выработок, образование провалов, нередко выходящих на поверхность. Карстовые воды распространены на Эстонском и Ленинградском месторождениях горючих сланцев, в Кизеловском угольном бассейне (Урал), на Северо-Уральских и Южно-Уральских бокситовых, Миргалимсайском полиметаллическом (Казахстан) и других месторождениях.
К основным гидрогеологическим показателям водоносных горизонтов относятся влагоемкость, водоотдача, водопроницаемость и природные запасы. Влагоемкость по отношению к видам воды, которая может быть заключена в горной породе, разделяется на гигроскопическую, молекулярную, капиллярную и полную. Максимальная гигроскопичность для песков составляет около 1 %, для лёссов, илов — 5—10 %, глин — 15—20 %/ Молекулярная влагоемкость колеблется от 1,5 % для песков до 40 % (для глин), а капиллярная для тех же пород составляет 2—3 и 8—50 %. Полная влагоемкость, равная в пределе открытой пористости пород, варьирует от 0,5 до 60 %.
Влагоемкость, обусловленная физически связанной и капиллярной водой, снижает общую эффективность работы горного предприятия, так как она вызывает большие энергетические затраты, связанные с транспортировкой переувлажненных пород, полезного ископаемого и последующим удалением воды при сжигании углей, плавке руд и т.д. Эта влагоемкость снижает производительность рабочих механизмов и машин в шахтах и карьерах из-за ухудшения физико-механических свойств горных пород — увеличения липкости, набухания, просадок и т.п. Полная влагоемкость предопределяет запасы подземных вод и режим водопоступления в горные выработки. Водоотдача обусловлена объемом водонасыщенной породы, ее минеральным составом, временем стока воды, степенью ее минерализации и др. Для крупнозернистых песков она в среднем составляет 35—25 %, тонкозернистых — 15—10 %, а для песчаников, углей и трещиноватых известняков — 5—10 %.
Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации и зависит от зернового и минерального состава породы, общей и открытой пористости, степени минерализации воды, ее состава и температуры. В зависимости от величины коэффициента фильтрации различают породы хорошо водопроницаемые (> 10 м/сут, галечники, крупнозернистые пески); водопроницаемые (10—1 м/сут, пески, трещиноватые скальные породы); слабоводопроницаемые (1—0,01 м/сут, мергели, песчаники, супеси); весьма слабоводопроницаемые (0,01—0,001 м/сут, глинистые песчаники, суглинки); водоупорные (< 0,001 м/сут глины, нетрещиноватые скальные породы). Водопритоки прямо пропорциональны водопроницаемости, что свидетельствует о важности этого показателя. Запасы водоносных горизонтов предопределяют характер режима водопоступления в горные выработки.
Из горно-технических факторов наибольшее влияние на обводненность оказывают: степень осушения месторождения в результате дренирования водоносных горизонтов, зон и комплексов; искусственное обводнение и затопление территорий при создании водохранилищ, сбросе промышленных вод; нарушение поверхностного стока в результате деформаций земной поверхности при ведении горных работ; отдельные технологические процессы, например, буровзрывные работы; прорывы воды из старых затопленных выработок и т.д.
Поступление воды в выработки зависит от принятой системы горных работ и отвода шахтных вод. При работах с обрушением кровли в результате сдвижения горных пород могут образоваться воронки и зияющие трещины, достигающие поверхности. Эти полости могут быть заполнены атмосферными или сбрасываемыми шахтными водами. Опасна также посадка кровли в лавах в неблагоприятных гидрогеологических условиях.
Обводненность может резко возрасти, если горными выработками вскрыты незатампонированные скважины или старые затопленные выработки. В этом случае прорывы воды часто носят катастрофический характер, сопровождаются выносом обломочного материала, разрушением крепления выработок и оборудования.
Существует ряд классификаций месторождений по факторам, определяющим характер и степень обводненности месторождений. В классификации ВСЕГИНГЕО месторождения по условиям залегания горных пород разделены на три класса: с горизонтальным, наклонным и мульдообразным залеганием. В пределах этих классов по числу водоносных горизонтов и характеру их взаимосвязей в разрезе различают типы месторождений. Разделение на подтипы проводится в зависимости от граничных условий для горизонтальных водоносных горизонтов в плане, а для наклонных — в плане и разрезе. Для каждого подтипа и типа месторождений предложены методы расчета водопритоков в горные выработки.