» » Гидрогеологические исследования

Гидрогеологические исследования

02.08.2016

Начиная со стадии поисково-оценочных работ и вплоть до детальной разведки изучаются следующие параметры:
1) площади распространения водоносных горизонтов и комплексов;
2) условия залегания и движения подземных вод водоносных горизонтов;
3) области и условия питания, режимы, химический состав и бактериологические свойства подземных и поверхностных вод.
Основные задачи гидрогеологических исследований заключаются в определении:
1) характера взаимосвязи подземных и поверхностных вод;
2) водообильности и водопроницаемости пород;
3) величины возможных водопритоков в горные выработки;
4) агрессивности подземных вод к конструкционным материалам и возможности их использования для бытового и промышленного водоснабжения.
На стадии предварительной разведки дается приближенная характеристика гидрогеологических условий, а в процессе детальной разведки все перечисленные виды исследований проводятся с максимальной полнотой и достоверностью и характеристики получают точную количественную оценку.
При строительстве и эксплуатации горных предприятий необходимо дополнять и уточнять данные, полученные на предпроектных стадиях. Это объясняется невысокой их достоверностью, изменением условий в связи с переходом к освоению новых площадей и более глубоких горизонтов месторождений, развитием геодинамических процессов под воздействием горной технологии на естественную геологическую среду.
Эксплуатационные гидрогеологические исследования проводятся для выявления в натурных условиях фактических водопритоков из вскрываемых при разработке водоносных горизонтов, изучения их динамического режима в зависимости от природных и горно-технических условий, определения химического состава подземных и техногенно измененных вод, установления влияния действующего горного предприятия на природные условия и инженерные сооружения, накопления информации с целью критического анализа имеющихся теоретических и эмпирических решений гидродинамики.
Изучение в натурных производственных условиях режима водопритоков из вскрываемых горизонтов позволяет при необходимости скорректировать ранее принятые проектные решения. Это касается, например, мощности оборудования стационарного водоотлива, мощности и размещения дренажных устройств, типа и конструкции крепи выработок, углов откосов бортов карьера. Более точным будет также прогноз водопритоков при повторном вскрытии этих горизонтов или при развитии фронта горных работ.
Эксплуатационные гидрогеологические исследования почти полностью исключают возможность прорывов воды и плывунов в горные выработки, деформации крепи, стенок выработок и бортов карьеров. Это обеспечивает планомерное ведение горных работ даже в самых сложных и неблагоприятных горно-геологических условиях.
Изучение химического состава подземных и техногенных вод на действующем предприятии позволяет избежать их загрязнения, например при смешении вод из разных горизонтов, и обеспечивает сохранность и защиту инженерных сооружений от действия агрессивных вод. Наконец, в процессе исследований решаются вопросы водообеспечения предприятий, охраны подземных и поверхностных вод от истощения и загрязнения при горно-промышленном техногенезе.
К гидрогеологическим исследованиям на карьерных полях относятся: наблюдения за режимом водопритока и уровней подземных вод; проведение откачек и нагнетаний; гидрогеологическая съемка; изучение состава и свойств воды. Для решения практических вопросов осушения контролируют работу дренажных устройств, выявляют гидродинамические характеристики водоносных горизонтов и их гидравлическую взаимосвязь.
Комплекс наблюдений за режимом притоков подземных и поверхностных вод в карьер осуществляется по системе ориентированных точек, число которых пополняется и изменяется по мере развития карьера. Для установления режима водопритоков проводят следующие наблюдения:
1) определяют дебит наиболее крупных концентрированных выходов воды в откосах уступов и на дне карьера, а также изменения дебита во времени;
2) оценивают единичные расходы потоков, высачивающихся на откос уступа (траншеи) на характерных участках, а также расход воды, поступающей в водосборники;
3) исследуют поглощение атмосферных, поверхностных и технических вод;
4) изучают и прогнозируют динамику изменения депрессионной воронки во времени и пространстве в связи с развитием фронта горных работ.
Частота наблюдений должна быть не менее 2—3 раз в месяц, а в периоды весеннего снеготаяния и ливневых дождей — 1 раз в три дня или ежедневно.
Наблюдения за изменением во времени уровней, состава и температуры поверхностных и подземных вод в районе карьера дают информацию для определения режима водопоступления подземных вод в карьер (нестационарный, стационарный, квазистационарный), выявления гидравлической связи водоносных горизонтов между собой и с поверхностными водами, установления режима питания подземных вод и др. Такими исследованиями должны быть охвачены все поверхностные водотоки и водосливы, а также водоносные горизонты, влияющие на водоприток в карьер. Форма и плотность сети наблюдательных скважин зависят от сложности гидрогеологических условий месторождения.
Расход водотоков чаще всего определяют при помощи водосливов или объемным методом — по времени заполнения емкости с известным объемом. В процессе отработки карьерного поля и работы дренажных устройств и сооружений снижение уровня подземных вод регистрируют в специальных наблюдательных скважинах. Их размещают на площади депрессионной воронки, а также вблизи границ водоносных горизонтов, крупных тектонических нарушений и водоемов.
Режимные наблюдения целесообразно проводить следующим образом: при простых гидрогеологических условиях — по центральному водоотливу; для умеренно обводненных карьеров, кроме того, еще в нескольких пунктах — по канавам и скважинам; для обводненных карьерных полей — по пунктам, расположенным по всему контуру горных работ. Частота наблюдений зависит также от сложности гидрогеологической обстановки: при сложных условиях уровни и дебиты определяются каждую декаду.
Для уточнения водопроницаемости и водообильности водоносных горизонтов выполняются кратковременные пробные или опытные откачки. Линии скважин ориентируют по направлению потока подземных вод и перпендикулярно к нему. Наливы в скважины и шурфы проводятся для приближенного определения проницаемости и поглощения воды главным образом неводоносных пород. Опытные нагнетания предназначаются обычно для детального изучения фильтрационных характеристик трещиноватости по величине удельного водопоглощения.
Гидрогеологическая документация бортов карьера заключается в дополнении геологической графики данными по выделению водоносных горизонтов, скоплениям воды и водотоков, деформациям, связанным с подземными и поверхностными водами. При документации основное внимание уделяется литологическому и гранулометрическому составу несцементированных отложений, трещиноватости и выветрелости сцементированных пород, фиксации складчато-разрывных структур, контактов пород, глинистых прослоев, фациальных изменений, мощности и морфологии.
В случае возможного подтопления промплощадок создается сеть скважин и организуются наблюдения за уровневым режимом подземных вод. Частота наблюдений по скважинам должна быть не менее трех-пяти замеров в месяц, а в период весеннего снеготаяния замеры могут выполняться почти ежедневно. На основании режимных наблюдений разрабатываются мероприятия по предотвращению подтопления промышленных зданий и сооружений, а при необходимости — по искусственному понижению уровня грунтовых или межпластовых вод.
Состав, температура и другие характеристики вод определяются по сети наблюдательных пунктов. По величине pH, содержанию свободного кислорода, свободной угольной и серной кислоты судят об агрессивности подземных вод к металлам и бетону. Качество воды и возможность использования ее для питья, в технических целях или сельском хозяйстве оцениваются на основе соответствующих норм и стандартов.
Температурные наблюдения помогают в решении вопроса охраны окружающей среды. Изучение химического состава вод позволяет установить их принадлежность к соответствующему водоносному горизонту и связь с поверхностными водами. Эта информация способствует также выявлению условий формирования основных источников водопритоков в карьер и разработке мероприятий по борьбе с их агрессивным воздействием на механизмы и оборудование. Для учета сезонных колебаний водопритоков, уровней (напоров), оценки вовлечения дополнительных источников питания, изменения химического состава подземных вод в процессе дренирования их карьером необходимо проводить опробование не менее четырех раз в год.
Геологическая служба карьера выполняет также наблюдения не реже одного раза в месяц за химическим составом и загрязнением сбрасываемых вод. Цель этих наблюдений — предотвращение загрязнения окружающей среды сбрасываемыми водами и разработка рекомендаций по их использованию непосредственно горным предприятием.
Гидрогеологическая съемка должна охватывать все карьерное поле и примыкающую к нему площадь (на расстоянии не менее 1 км). Съемка проводится в период сезонных изменений режима поверхностных водотоков, а при строительстве карьера — каждый месяц. Она выполняется на основе геологического плана масштаба 1:10000, на котором должны быть нанесены контуры горных работ, тектонические нарушения, трещинные зоны, водоносные горизонты и водоупоры, постоянные выходы подземных вод, водоемы, карстовые и суффозионные полости, участки деформаций уступов. Указываются также дренажные шахты и канавы, водопонижающие и наблюдательные скважины, забивные и сквозные фильтры, колодцы, действующие насосы, трубопроводы, водосборники.
Гидрогеологическая съемка прилегающих к карьеру площадей состоит в обследовании рельефа, деформационных образований (провалов, оползней) и гидросети. При этом выделяют водотоки и скопления воды, которые носят сезонный характер или возникли в результате горных работ, намечают мероприятия по отводу поверхностных вод, организации режимных наблюдений с установкой водосливов в канавах и ручьях и водомерных реек в водоемах.
Результаты гидрогеологической съемки отображаются на маркшейдерских планах. Обводненность и связь ее с геологическим строением изучаются путем систематической документации стенок или забоев. По материалам съемки пополняются и уточняются планы гидроизогипс и гидроизопьез, выявляется общая обводненность карьерного поля в разные периоды года, корректируются гипсометрические планы водоупорных пластов.
Данные гидрогеологических наблюдений и замеров систематизируются и анализируются для установления условий формирования водопритоков в карьер, прогнозирования их изменения во времени, оценки эффективности системы осушения, использования откачиваемых вод в промышленности или сельском хозяйстве. В последнем случае выполняется подсчет запасов дренажных вод по категориям, определяется группа месторождения подземных вод.
На основании полученных при гидрогеологических исследованиях данных рассчитывается водоотлив. Все элементы водоотливного хозяйства (насосы, трубопроводы, водосборники и т.п.) наносятся на маркшейдерские планы в масштабах 1:2000—1:5000, там же указываются производительность, напор, сечение труб, емкость временных и постоянных водосборников и т.д.
Гидрогеологические наблюдения на действующих шахтах имеют следующие цели: установление режима подземных вод, условий формирования водопритока, зависимости притока от развития очистных работ на горизонте и подготовительных работ на глубину; выявление роли опережающих подготовительных работ и условий подработки рек и балок, а также изменения качественного состава вод и некоторых других характеристик, определяемых дополнительно с учетом особенностей месторождения.
Для изучения связи поверхностных и подземных вод, ее влияния на водопритоки обследуется поверхность шахтного поля. При таком обследовании с использованием геологической информации выделяют участки повышенной инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод, поглощения сбрасываемых шахтных вод. На этих участках проводят режимные наблюдения (замеры расходов, минерализации, загрязненности и др.) на гидрометрических постах. Расположение постов и частота наблюдений связаны со сложностью гидрогеологических условий месторождений, рельефа, климата и др.
В подземных горных выработках, дренажных, опережающих и разведочно-дренажных скважинах, забивных и сквозных фильтрах, а также в режимных скважинах выполняются наблюдения за режимом подземных вод. Они позволяют установить суммарные и погоризонтные поступления воды в шахту, их зависимость от природных и технологических факторов, динамику изменения депрессионной воронки во времени и пространстве, определить роль тектонических нарушений в обводнении месторождения, выявить взаимосвязь водоносных горизонтов между собой и с поверхностными водами, гидрогеологические параметры водоносных горизонтов и комплексов, состав и свойства воды.
Суммарный водоприток в шахту рассчитывается как сумма водопритоков по отдельным горизонтам. Для контроля учитывают работу водоотливных установок шахты, монтируют на них водомерные приборы, проводят откачки воды из общего водосбора отрегулированным насосом, имеющим подачу, соответствующую притоку, а также наблюдают за восстановлением уровня воды по притоку после остановки насоса. Частота замеров зависит от сложности гидрогеологических условий и времени года.
При изучении обводненности шахтных полей необходимо учитывать влияние горных работ: их площади, глубин выработок, систем разработки и др. С увеличением площади горных работ и глубины отработки приток увеличивается, а по мере сработки статических запасов уменьшается. Первый из упомянутых факторов наиболее существенно влияет на изменение притока.
При системах разработки с закладкой фильтрационная способность пород в целом над очистным пространством почти не изменяется. Гидродинамический режим подчиняется здесь закономерностям радиальных и плоских потоков. При системах разработки с обрушением кровли над горной выработкой возникают три зоны деформации пород: обрушения, повышенной трещиноватости и плавного оседания пород без разрыва сплошности. Фильтрационная способность пород в этих зонах повышается, что может привести к резкому увеличению водопритока в шахту.
Особенно важны наблюдения за изменением фильтрационных свойств массива при его подработке, если в зону беспорядочного обрушения попадает поверхностный водоем или река. Затопление выработок при этом неизбежно. Зона трещин также весьма опасна с точки зрения затопления горных выработок или резкого увеличения в них притоков воды. Водопритоки возрастают, если выше зоны трещин находятся проницаемые водоносные породы.
Для сравнения данных гидрогеологических наблюдений определяют удельные водопритоки на 1 м понижения в центре депрессионной воронки, на 1 м глубины отработки месторождения, на единицу длины (площади) горных выработок, на единицу объема горной массы, на 1 т добытого полезного ископаемого. Эти данные служат основой прогнозирования водопритоков по мере развития горных работ.
Одновременно с замерами уровней и водопритоков производятся термометрические наблюдения и изучение химического состава вод каждого водоносного горизонта. По результатам термометрии устанавливают источники питания вод, интенсивность водопритоков, фиксируют приближение к зонам активной циркуляции вод. Изучение химического состава вод используется для оценки взаимосвязи водоносных горизонтов, динамики водопритоков, для выявления процессов окисления, растворения и потери устойчивости горных пород.